掘進(jìn)機(jī)后配套帶式輸送機(jī)小轉(zhuǎn)彎技術(shù)研究

夏 茜

（中國鐵建重工集團(tuán)股份有限公司，長沙 410100）

0 引言

隨著隧道工程的大力發(fā)展，采用掘進(jìn)機(jī)進(jìn)行隧道開挖已得到廣泛的推廣應(yīng)用，伴隨該工法而來的有效出渣問題被更多關(guān)注。掘進(jìn)機(jī)后配套帶式輸送機(jī)一般為直線布置，可減小輸送距離，避免跑偏。由于隧道施工工況越來越復(fù)雜，小轉(zhuǎn)彎工程逐漸增多，現(xiàn)有技術(shù)遇到瓶頸，尤其是超小轉(zhuǎn)彎時(shí)，輸送帶跑偏、撒料等問題的出現(xiàn)，直接影響設(shè)備運(yùn)行，對掘進(jìn)機(jī)施工形成了極大制約[1]。

1 帶式輸送機(jī)轉(zhuǎn)彎方式

帶式輸送機(jī)的曲線布置一般通過串聯(lián)搭接、強(qiáng)制改向和自然轉(zhuǎn)彎三種方法來實(shí)現(xiàn)[2]。

（1）串聯(lián)搭接。由多條直線輸送機(jī)頭尾搭接，完成物料輸送，由于掘進(jìn)機(jī)后配套帶式輸送機(jī)的安裝空間有限，該方法明顯不適用，且多次搭接增加了故障點(diǎn)。

（2）強(qiáng)制改向。即通過滾筒等轉(zhuǎn)向裝置，讓輸送帶強(qiáng)行沿預(yù)設(shè)路線運(yùn)行，但隧道施工路線復(fù)雜，掘進(jìn)過程中可能存在多個(gè)不同半徑的轉(zhuǎn)彎，轉(zhuǎn)彎方向也不一致，此時(shí)強(qiáng)制改向就不適用了。

（3）自然轉(zhuǎn)彎。讓輸送帶在沒有安裝強(qiáng)制措施的前提下自己能夠轉(zhuǎn)彎，這樣的轉(zhuǎn)彎不局限于固定半徑，可大大減小輸送帶磨損，降低成本和維修費(fèi)用，因此在目前工程上較受歡迎。

2 平面自然轉(zhuǎn)彎理論計(jì)算與影響因素

在未采取任何措施的情況下，轉(zhuǎn)彎段輸送帶單元兩端的張力、托輥?zhàn)枇σ约巴休伵c輸送帶間橫向摩擦力的合力將充當(dāng)向心力，輸送帶在此作用下向內(nèi)側(cè)偏移，所以要實(shí)現(xiàn)平面轉(zhuǎn)彎，需施加一個(gè)力與向心力平衡[3

]。

當(dāng)存在水平轉(zhuǎn)彎時(shí)，應(yīng)先計(jì)算出理論最小轉(zhuǎn)彎半徑，在計(jì)算轉(zhuǎn)彎半徑時(shí)須分別依照受力平衡條件、側(cè)邊應(yīng)力條件及側(cè)邊位置條件[4]。

（1）符合受力平衡條件

轉(zhuǎn)彎段輸送帶在向心方向所受合力為零，即輸送帶受力平衡：

式中Sy為轉(zhuǎn)彎段起點(diǎn)處張力；qt為承載托輥旋轉(zhuǎn)部分單位質(zhì)量；qb為輸送帶單位質(zhì)量；ω′為運(yùn)行阻力系數(shù)；θ為轉(zhuǎn)彎角度；μ1為導(dǎo)來摩擦系數(shù)。

（2）符合側(cè)邊應(yīng)力條件

轉(zhuǎn)彎段輸送帶的側(cè)邊應(yīng)力不應(yīng)超過其許用值：

B為帶寬；Se為輸送帶許用應(yīng)力；S1為轉(zhuǎn)彎段終點(diǎn)處張力；E0為輸送帶拉伸剛度。

（3）符合側(cè)邊位置條件

轉(zhuǎn)彎段輸送帶外緣不得飄起：

式中Sm為轉(zhuǎn)彎段張力峰值；λ為輸送帶外緣與水平面夾角。

帶式輸送機(jī)的理論轉(zhuǎn)彎半徑取上述三種結(jié)果的最大值。

依照平面轉(zhuǎn)彎基本原理，調(diào)整轉(zhuǎn)彎段托輥組以使輸送帶受到抵消向心力的離心推力，可采用以下措施：

（1）改變托輥安裝支撐角。應(yīng)用托輥組前傾原理，使輸送帶向轉(zhuǎn)彎內(nèi)曲線偏移時(shí)，產(chǎn)生向外的導(dǎo)向摩擦力。

（2）增大托輥成槽角。目前掘進(jìn)機(jī)帶式輸送機(jī)選用的基本是三托輥形式，槽角一般為30°～ 45°。

（3）增大內(nèi)曲線抬高角。使輸送帶和物料的重力產(chǎn)生離心分力，以平衡由輸送帶張力產(chǎn)生的向心力。

（4）回程輸送帶增設(shè)壓輥，以增加托輥給予輸送帶的橫向摩擦力。

（5）輸送帶內(nèi)曲線側(cè)加裝立輥，能夠有效限制輸送帶的跑偏。

3 某工程掘進(jìn)機(jī)后配套帶式輸送機(jī)轉(zhuǎn)彎分析

根據(jù)式1，為了減小轉(zhuǎn)彎半徑，可增大導(dǎo)來摩擦系數(shù)μ1。

式中K1、K2、K3為重力分配系數(shù)；μ為托輥與輸送帶之間的橫摩擦系數(shù)。

圖1 中列出了在不同內(nèi)曲線抬高角和成槽角時(shí)的導(dǎo)來摩擦系數(shù)值。

圖1 不同內(nèi)曲線抬高角與槽角對應(yīng)的導(dǎo)來系數(shù)

可以看出，導(dǎo)來系數(shù)基本隨內(nèi)曲線抬高角和槽角的增大而線性增加。針對某掘進(jìn)機(jī)隧道施工項(xiàng)目，后配套帶式輸送機(jī)帶寬800 mm，槽角45°，轉(zhuǎn)彎時(shí)帶速2 m/s，轉(zhuǎn)彎段長60 m，目標(biāo)半徑40 m，根據(jù)三個(gè)條件計(jì)算其轉(zhuǎn)彎半徑（表1）。

表1 槽角45°時(shí)的計(jì)算轉(zhuǎn)彎半徑

當(dāng)內(nèi)曲線不變時(shí)，最小轉(zhuǎn)彎半徑取R=R1=90 m，當(dāng)內(nèi)曲線抬高至5°時(shí)，最小轉(zhuǎn)彎半徑取R=R1=57m，顯然無法滿足工程需求。

因此，在既有措施的基礎(chǔ)上，需增加其他輔助措施，以順利實(shí)現(xiàn)小轉(zhuǎn)彎。本項(xiàng)研究中采用三項(xiàng)措施：

①繼續(xù)加大內(nèi)曲線抬高角，出于防撒料考慮，目前普遍認(rèn)為抬高角不超過5°，在此將抬高角加大至8°，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證其可行性。

②在曲線中段外側(cè)增加上部擋邊裝置，通過增大上壓力的方式增加摩擦，緩解輸送帶的翻邊和跑偏。

③在充分考慮安裝空間的前提下，增大內(nèi)移距δ，即通過移動帶式輸送機(jī)支架，改變原始轉(zhuǎn)彎半徑，盡可能使半徑加大。

④針對轉(zhuǎn)彎時(shí)輸送帶內(nèi)外兩側(cè)弧長的差值造成輸送帶的單側(cè)浪涌，在內(nèi)側(cè)輸送帶處分段設(shè)置壓帶輥。

4 平面自然轉(zhuǎn)彎實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

4.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

帶式輸送機(jī)1套（長度60 m）、底部工裝一套、不同粒徑（≤ 200 mm）組成的渣石5方。

其中帶式輸送機(jī)技術(shù)參數(shù)如表2：

4.2 實(shí)驗(yàn)工況與結(jié)果

分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果表3可知，各項(xiàng)轉(zhuǎn)彎措施對實(shí)際轉(zhuǎn)彎效果起到了不同的影響，其中，在確保不出現(xiàn)撒料的情況下，可以適當(dāng)增加內(nèi)曲線抬高角；在轉(zhuǎn)彎中段的外側(cè)增設(shè)擋邊裝置起到了很好的防翻帶作用。

表3 后配套帶式輸送機(jī)試驗(yàn)結(jié)果

通過托輥支架在模擬拖車的工裝上移動，一定程度上增大了原有的轉(zhuǎn)彎半徑；曲線內(nèi)側(cè)下壓輥緩解了輸送帶的浪涌情況。該復(fù)合式調(diào)偏技術(shù)應(yīng)用在模擬試驗(yàn)中圖2，實(shí)現(xiàn)了最小曲率半徑30m的突破。實(shí)際工程中，該項(xiàng)技術(shù)也已經(jīng)應(yīng)用在豐陽煤礦等項(xiàng)目，工程實(shí)際最小轉(zhuǎn)彎半徑為35m。

圖2 30m轉(zhuǎn)彎

5 結(jié)語

本文對掘進(jìn)機(jī)后配套帶式輸送機(jī)的轉(zhuǎn)彎影響因素進(jìn)行分析，并通過實(shí)驗(yàn)加以驗(yàn)證，得到結(jié)論：適當(dāng)增大內(nèi)曲線抬高角、曲線外側(cè)增加擋邊裝置、增大內(nèi)移距、輸送帶內(nèi)側(cè)設(shè)置單側(cè)壓輥等措施能夠?qū)崿F(xiàn)掘進(jìn)機(jī)后配套帶式輸送機(jī)的平面自然小轉(zhuǎn)彎，有效解決了小轉(zhuǎn)彎半徑隧道的出渣問題，此外，對于隧道連續(xù)帶式輸送機(jī)的轉(zhuǎn)彎設(shè)計(jì)也同樣起到了指導(dǎo)作用。