大管徑長(zhǎng)距離管帶機(jī)關(guān)鍵技術(shù)的應(yīng)用探討

陳鵬河

（福建龍凈環(huán)保股份有限公司，福建 龍巖 364000）

隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，礦山、建材、化工、港口、糧食、電力、煤炭等部門(mén)對(duì)散狀物料的輸送提出了新的要求，要求管帶機(jī)以長(zhǎng)距離（單機(jī)輸送長(zhǎng)度）、大運(yùn)量（高帶速和大管徑）和大傾角輸送物料，但距離加長(zhǎng)、管徑加大導(dǎo)致了原先剛性結(jié)構(gòu)及運(yùn)動(dòng)特性的改變，隨之產(chǎn)生了一系列新的問(wèn)題。

1 技術(shù)背景

1.1 圓管帶式輸送機(jī)介紹

管帶機(jī)是在通用帶式輸送機(jī)的基礎(chǔ)上逐漸發(fā)展起來(lái)的一種新型帶式輸送機(jī)，靠摩擦驅(qū)動(dòng)使輸送帶及其輸送的物料移動(dòng)，并由按一定間距布置的正多邊形（一般為正六邊形）托輥組強(qiáng)制輸送帶卷成圓管形來(lái)運(yùn)輸物料，回程段根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)需要可以設(shè)計(jì)成圓管形，也可以設(shè)計(jì)成一字形[1]。管帶機(jī)主要由結(jié)構(gòu)部件機(jī)架、頭部漏斗、電動(dòng)機(jī)、制動(dòng)器、減速器、聯(lián)軸器與液力耦合器等組成[2]。

1.2 長(zhǎng)距離、大管徑管帶機(jī)研究現(xiàn)狀

管帶機(jī)是由日本JPC 公司于1964 年最先提出并成功投入使用的[3]。我國(guó)于20 世紀(jì)90 年代引進(jìn)了管狀帶式輸送機(jī)的設(shè)計(jì)和制造技術(shù)，最早研制圓管帶式輸送機(jī)的單位是太原重型機(jī)械學(xué)院，隨后淮南煤礦機(jī)械廠、自貢運(yùn)輸機(jī)械總廠、華電重工、龍凈環(huán)保先后與日本BRIDGESTONE 公司進(jìn)行技術(shù)合作發(fā)展管帶技術(shù)，而后北方重工、焦作科瑞森、山東力博、衡陽(yáng)運(yùn)機(jī)、科大重工等企業(yè)百花齊放。經(jīng)過(guò)20 多年的發(fā)展，我國(guó)管帶機(jī)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)和設(shè)備制造已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了完全自主設(shè)計(jì)和國(guó)產(chǎn)化。

目前常見(jiàn)的大管徑管帶機(jī)管徑為600mm、最長(zhǎng)運(yùn)距為15km，但是難以兼顧大管徑和長(zhǎng)距離的輸送性能，一些關(guān)鍵技術(shù)尚需引起重視并加以深入研究和開(kāi)發(fā)。

1.3 長(zhǎng)距離、大管徑管帶機(jī)存在的主要問(wèn)題

（1）管帶機(jī)在長(zhǎng)距離運(yùn)輸中，可能會(huì)引起膠帶在頭尾部翻面跑偏，或在滾筒上折疊，或在轉(zhuǎn)彎區(qū)間扭轉(zhuǎn)，導(dǎo)致設(shè)備無(wú)法運(yùn)行或異常損壞。

（2）管徑加大，導(dǎo)致管帶機(jī)運(yùn)動(dòng)特性發(fā)生變化，傳統(tǒng)的系統(tǒng)功率計(jì)算方法已不再適用，影響選型計(jì)算的準(zhǔn)確性和投運(yùn)后運(yùn)行的穩(wěn)定性。

（3）大管徑管帶機(jī)的管狀結(jié)構(gòu)對(duì)輸送系統(tǒng)的通過(guò)量有嚴(yán)格要求，當(dāng)系統(tǒng)流量超過(guò)最大通過(guò)能力時(shí)，將導(dǎo)致爆管現(xiàn)象，對(duì)輸送機(jī)系統(tǒng)會(huì)造成嚴(yán)重?fù)p害[4]。

2 大管徑管帶機(jī)試驗(yàn)線

為了開(kāi)展大管徑管帶機(jī)系統(tǒng)的試驗(yàn)及基礎(chǔ)研究，福建某公司于龍州工業(yè)園某公司南側(cè)設(shè)計(jì)并建造一條總長(zhǎng)約80m 的大管徑管帶機(jī)試驗(yàn)線（見(jiàn)圖1），取得了大管徑管帶輸送機(jī)的生產(chǎn)許可證，證書(shū)編號(hào)為XK05-005-00895。

圖1 大管徑管帶機(jī)試驗(yàn)線現(xiàn)場(chǎng)圖

大管徑管帶機(jī)試驗(yàn)線考慮了適應(yīng)多種試驗(yàn)研究的需要，以較高標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)制造。該管帶機(jī)為目前我國(guó)最大管徑的Φ800mm 管帶機(jī)，根據(jù)試驗(yàn)對(duì)象的不同，試驗(yàn)線經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單拆裝，就能改造為帶寬2800mm的皮帶機(jī)。通過(guò)試驗(yàn)線可以將理論計(jì)算、計(jì)算機(jī)仿真結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，預(yù)判大管徑管帶機(jī)在設(shè)計(jì)和工程中可能遇到的問(wèn)題。

3 印度尼西亞爪哇工程項(xiàng)目管帶機(jī)關(guān)鍵技術(shù)介紹

神華國(guó)華印度尼西亞爪哇2×1050MW 燃煤發(fā)電工程配套圓管帶式輸送機(jī)工程的示范項(xiàng)目是我國(guó)第一個(gè)海外百萬(wàn)千瓦級(jí)獨(dú)立發(fā)電廠（IPP）火電項(xiàng)目。2019 年7 月，印度尼西亞爪哇示范工程項(xiàng)目完成并成功投運(yùn)。圖2 為項(xiàng)目管帶示范工程現(xiàn)場(chǎng)，表1 為項(xiàng)目帶式輸送機(jī)基本參數(shù)。

3.1 管帶輸送機(jī)的系統(tǒng)參數(shù)選型

該項(xiàng)目從碼頭TH0 轉(zhuǎn)運(yùn)站至廠內(nèi)1#轉(zhuǎn)運(yùn)站，進(jìn)廠的BC3、BC4 管狀帶式輸送機(jī)規(guī)格為管徑600mm、帶寬2250mm，屬于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格的大管徑管帶機(jī)。該項(xiàng)目輸送的物料為印度尼西亞當(dāng)?shù)毓?yīng)的褐煤（平均密度為0.75t/m3、粒度為0—200mm）,單條管帶機(jī)輸送量約為3000t/h，綜合計(jì)算單條管帶機(jī)帶速為5.6m/s。

該項(xiàng)目利用日本普利司通計(jì)算軟件，并借鑒多年實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，針對(duì)大管徑、長(zhǎng)距離系統(tǒng)特性差異進(jìn)行了調(diào)整。保證了管帶輸送機(jī)整體結(jié)構(gòu)的合理穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)了對(duì)超長(zhǎng)距離、大運(yùn)量管帶輸送機(jī)運(yùn)行功率的精確計(jì)算。

3.2 提高輸送機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定性

（1）防過(guò)載。該項(xiàng)目采取從源頭控制的理念，通過(guò)在上料膠帶加裝帶導(dǎo)流板的限料裝置，并在圓段入口安裝安全擋板，以此形成雙保險(xiǎn)的防過(guò)載裝置，從而限制物料被超流量輸送，有效預(yù)防了圓管帶式輸送機(jī)的爆管現(xiàn)象。

表1 項(xiàng)目帶式輸送機(jī)基本參數(shù)

圖2 項(xiàng)目管帶示范工程現(xiàn)場(chǎng)圖

（2）防疊帶。管帶機(jī)的折疊對(duì)膠帶的橫向彈性損傷很大，處理膠帶的折疊也需要耗費(fèi)大量時(shí)間和人力[5]。該項(xiàng)目在管帶機(jī)過(guò)渡段采用了獨(dú)特的“三點(diǎn)控制”技術(shù)來(lái)預(yù)防多種原因?qū)е碌哪z帶疊帶現(xiàn)象。圖3為該技術(shù)示意圖。通過(guò)該項(xiàng)目的實(shí)際運(yùn)行也驗(yàn)證了該控制技術(shù)可有效防止管帶機(jī)過(guò)渡段疊帶現(xiàn)象。

（3）防跑偏。管帶機(jī)膠帶的跑偏和扭曲是常見(jiàn)的故障，尤其在長(zhǎng)距離運(yùn)輸中，可能會(huì)引起膠帶在頭尾部翻面或在滾筒上折疊，導(dǎo)致設(shè)備無(wú)法運(yùn)行或異常損壞。如圖4 所示，將容易發(fā)生扭曲的曲線段間隔布置成平底形和尖點(diǎn)形，并選用可調(diào)整PSK 托輥與膠帶運(yùn)行方向夾角的墊片，從而可有效防止膠帶扭曲現(xiàn)象發(fā)生。

圖3 管帶機(jī)“三點(diǎn)控制”技術(shù)示意圖

圖4 管帶機(jī)防跑偏技術(shù)圖

（4）防腐蝕。該項(xiàng)目基于臨海建設(shè)，其設(shè)備防腐問(wèn)題顯得非常重要。若不采取相應(yīng)措施，嚴(yán)重時(shí)可能會(huì)出現(xiàn)設(shè)備材料本體穿孔現(xiàn)象，從而影響管帶機(jī)安全運(yùn)行。該項(xiàng)目選用符合國(guó)際通用標(biāo)準(zhǔn)的高等級(jí)防腐材料。設(shè)備外表面要求防腐工藝至少為2 層底漆和3 層面漆。具體防腐措施為：所有鋼構(gòu)均為工廠下料或焊接后整體鍍鋅，要求鍍鋅厚度不小于100μm；鍍鋅前要進(jìn)行銹預(yù)處理，達(dá)到Sa2.5 級(jí)以及SSPC-SP10 的清潔度，表面粗糙度為中等粗糙度。熱浸鍍鋅后不鈍化，涂刷一道環(huán)氧底漆F60（5CJ），干膜厚度不小于30μm，一道丙烯酸聚氨酯面漆（OL4），干膜厚度不小于30μm。

（5）啟動(dòng)控制。由于輸送距離長(zhǎng)、帶速高、運(yùn)量大，因此配置了頭尾2 套驅(qū)動(dòng)裝置。本管帶采用先進(jìn)的啟動(dòng)、停止過(guò)程控制技術(shù)，通過(guò)建立輸送機(jī)的精確數(shù)學(xué)模型，對(duì)多驅(qū)動(dòng)啟動(dòng)過(guò)程中速度和力傳遞進(jìn)行了分析，得到了多驅(qū)動(dòng)工況下不同電機(jī)的最佳啟動(dòng)延時(shí)和輸出扭矩分配，并基于模糊邏輯控制理論設(shè)計(jì)了啟動(dòng)控制器，依據(jù)項(xiàng)目特點(diǎn)規(guī)劃“時(shí)間—速度”曲線，有效控制輸送機(jī)啟動(dòng)、制動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生的電流沖擊以及重載慣性帶來(lái)的輸送帶行波沖擊，減少了對(duì)配電網(wǎng)絡(luò)的干擾和對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)的損害，實(shí)現(xiàn)了多驅(qū)動(dòng)平衡技術(shù)和帶速功率匹配技術(shù)。

3.3 計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的運(yùn)用

該項(xiàng)目管帶采用基于計(jì)算機(jī)輔助工程（CAE）的管帶機(jī)力學(xué)仿真技術(shù)，模擬管帶機(jī)的動(dòng)態(tài)運(yùn)行過(guò)程，得到輸送帶及各鋼構(gòu)件受力情況。該技術(shù)已獲得國(guó)家專(zhuān)利授權(quán)《一種圓管帶式輸送機(jī)的運(yùn)行仿真方法及裝置》（CN 107239639 B）。

該項(xiàng)目在運(yùn)行方向上有一個(gè)水平弧段，轉(zhuǎn)彎半徑為800m，轉(zhuǎn)彎角度為20°，弧段的布置見(jiàn)圖5。長(zhǎng)距離、大管徑圓管帶式輸送機(jī)在大角度轉(zhuǎn)彎過(guò)程中，由于輸送帶的受力情況會(huì)發(fā)生較大變化，容易產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)等問(wèn)題。

圖5 項(xiàng)目弧段布置圖

該項(xiàng)目技術(shù)團(tuán)隊(duì)采用上述仿真方法，通過(guò)建立輸送帶、托輥的三維實(shí)體模型，使用Lamina 的材料屬性定義輸送帶，利用集中力載荷模擬輸送帶遠(yuǎn)端傳遞的張力及位移載荷模擬輸送帶的運(yùn)行速度（見(jiàn)圖6），實(shí)現(xiàn)了對(duì)膠帶扭轉(zhuǎn)的有效預(yù)防，實(shí)現(xiàn)了計(jì)算結(jié)果可視化、分析操作快速化、材料優(yōu)化便捷化。

圖6 項(xiàng)目輸送帶、托輥仿真模型圖

3.4 抗高強(qiáng)度紫外線膠帶選型

膠帶是管帶機(jī)的曳引機(jī)構(gòu)和承載構(gòu)件，是管帶機(jī)最重要的部件，其選擇恰當(dāng)與否是管帶機(jī)設(shè)計(jì)是否成功的決定性因素[6]。該項(xiàng)目地處赤道附近的沿海，年平均溫度近26.9℃，BC3、BC4 管狀帶式輸送機(jī)的布置環(huán)境為露天。故為確保設(shè)備的最佳性能，防紫外線工作尤為重要。

該項(xiàng)目選擇國(guó)內(nèi)某品牌專(zhuān)用鋼絲繩芯阻燃型膠帶，型號(hào)為ST1400-2250。此鋼絲繩芯阻燃型膠帶結(jié)構(gòu)為抗拉體，選用低延伸鍍鋅鋼絲繩，在縱向鋼絲繩上面及下面均增設(shè)橫向增強(qiáng)體作為防撕裂層，配以高強(qiáng)度、耐熱和耐老化覆蓋膠。該膠帶覆蓋膠具有較高的耐熱、耐臭氧、耐紫外線、耐屈撓龜裂等性能，可適用于該項(xiàng)目中長(zhǎng)距離、大管徑的煤料輸送。膠帶具體基本技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表2。

3.5 沉降地區(qū)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

該項(xiàng)目的管帶機(jī)輸送線路經(jīng)過(guò)引堤段易沉降地區(qū)，將改變管帶機(jī)鋼結(jié)構(gòu)高度，從而大大影響輸送機(jī)運(yùn)行的穩(wěn)定性。

為解決這一問(wèn)題采取了以下措施：

（1）減小整體設(shè)備對(duì)易沉降地區(qū)的地基壓強(qiáng)。該項(xiàng)目創(chuàng)新設(shè)計(jì)了貼地式桁架布置來(lái)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的“桁架+立柱”結(jié)構(gòu)，即采用將集中載荷均勻分散于局部的設(shè)計(jì)理念。該結(jié)構(gòu)的三維建模方式如圖7 所示，這種分散式基礎(chǔ)可有效減小整體設(shè)備對(duì)易沉降地區(qū)的地基壓強(qiáng)，進(jìn)而減少沉降位移量。除此之外，該新式結(jié)構(gòu)降低了桁架的鋼結(jié)構(gòu)制造成本，也大大減少了搭建桁架的工作量。

圖7 分散式基礎(chǔ)三維圖

表2 輸送帶的基本技術(shù)要求

（2）優(yōu)化管帶機(jī)支撐結(jié)構(gòu)，補(bǔ)償?shù)鼗两滴灰屏?。該?xiàng)目配套設(shè)計(jì)了可調(diào)節(jié)高度的全托架結(jié)構(gòu),如圖8 所示。當(dāng)?shù)鼗l(fā)生沉降時(shí)，可以調(diào)節(jié)全托架支腿高度，實(shí)現(xiàn)對(duì)沉降距離的補(bǔ)償。即使遇到非均勻沉降狀況，也可以進(jìn)行局部精確的高度調(diào)節(jié)，從而維持管帶機(jī)的最佳運(yùn)行狀態(tài)。

圖8 全托架支腿調(diào)節(jié)示意圖

4 項(xiàng)目安裝過(guò)程分析

該項(xiàng)目涉及大量交叉作業(yè)，工期較緊且施工場(chǎng)地較為狹窄，不利于設(shè)備吊裝?？紤]到現(xiàn)場(chǎng)地形復(fù)雜，施工團(tuán)隊(duì)在陸域部分先安排地面組合，成型后再以吊裝的方式安裝到位，盡可能減少高空作業(yè)量；海域部分考慮到吊裝難度大，采用小型自卸車(chē)單件吊裝、現(xiàn)場(chǎng)組合的方式。由于該項(xiàng)目圓管帶式輸送機(jī)長(zhǎng)達(dá)3.9km，距離太長(zhǎng)，而且海域施工全部為獨(dú)立支腿布置，為了給PSK 板安裝奠定基礎(chǔ)，要求的安裝精度很高?？傊?，在如此復(fù)雜環(huán)境下，施工團(tuán)隊(duì)嚴(yán)格按設(shè)計(jì)執(zhí)行，將誤差控制在許可范圍內(nèi)，全程安全狀況良好，為管帶機(jī)穩(wěn)定、安全運(yùn)行提供了充分條件。

5 結(jié)語(yǔ)

各領(lǐng)域?qū)ι钗锪系妮斔吞岢隽诵碌囊螅軒C(jī)向長(zhǎng)距離、大管徑的方向發(fā)展。印度尼西亞爪哇管帶項(xiàng)目的管帶輸送機(jī)，采用了一系列關(guān)鍵技術(shù)，基本解決了長(zhǎng)距離、大管徑管帶輸送機(jī)設(shè)計(jì)過(guò)程中存在的問(wèn)題，充分發(fā)揮了管帶機(jī)大傾角輸送、空間曲線布置、節(jié)能環(huán)保、資源消耗少等多方面的優(yōu)勢(shì)，對(duì)繼續(xù)深入發(fā)展超大型管帶輸送機(jī)具有十分重要的借鑒意義。