圓管帶式輸送機(jī)設(shè)計(jì)要素探究

張廣生，常小林

(太重集團(tuán)向明智能裝備股份有限公司，山西 太原 030032)

0 引言

圓管帶式輸送機(jī)基于普通皮帶機(jī)發(fā)展而來(lái),作為一種環(huán)保散料輸送設(shè)備越來(lái)越多地應(yīng)于地面集運(yùn)站、冶金、港口和礦山開(kāi)采中,輸送過(guò)程中膠帶在頭、尾過(guò)渡段打開(kāi),中間部分膠帶包裹全程封閉,物料無(wú)揚(yáng)塵、無(wú)灑落,實(shí)現(xiàn)了綠色輸送。伴隨圓管帶式輸送機(jī)技術(shù)的日益成熟,其未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)是:①無(wú)人自動(dòng)巡檢機(jī)器人的應(yīng)用;②芳綸帶接頭強(qiáng)度問(wèn)題若能突破,圓管帶式輸送機(jī)的驅(qū)動(dòng)及鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上將發(fā)生質(zhì)的變化。圓管帶式輸送機(jī)工作過(guò)程中會(huì)遭遇低溫、雨雪、滿載啟停機(jī)、緊急制動(dòng)停機(jī)等各種工況,設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮這些工況的存在,以保證圓管帶式輸送機(jī)安全正常工作。為此,本文對(duì)圓管帶式輸送機(jī)的設(shè)計(jì)要素進(jìn)行了探究。

1 圓管帶式輸送機(jī)的組成及特點(diǎn)

圓管帶式輸送機(jī)在尾部受料,經(jīng)尾部過(guò)渡段逐漸將膠帶卷成圓管狀進(jìn)行物料封閉輸送,經(jīng)過(guò)頭部過(guò)渡段再逐步將膠帶展開(kāi)至卸料。圓管帶式輸送機(jī)由驅(qū)動(dòng)滾筒、改向滾筒、機(jī)頭過(guò)渡段、機(jī)身桁架及立柱、機(jī)尾過(guò)渡段、驅(qū)動(dòng)裝置、拉緊裝置、六邊型托輥、中部走道、翻帶裝置及膠帶組成,如圖1所示。

圖1 圓管帶式輸送機(jī)組成

圓管帶式輸送機(jī)的主要特點(diǎn)是物料全封閉輸送、運(yùn)輸線路可以沿地形水平及垂直面彎曲、可實(shí)現(xiàn)雙向物料輸送、運(yùn)行過(guò)程無(wú)膠帶跑偏。

2 圓管帶式輸送機(jī)設(shè)計(jì)要素

2.1 選擇合適的線路地形

圓管帶式輸送機(jī)需要依據(jù)起點(diǎn)與終點(diǎn)之間的地形選擇合適的線路進(jìn)行設(shè)計(jì),線路地形選擇的合適與否直接影響圓管帶式輸送機(jī)的裝機(jī)功率、膠帶選型、鋼結(jié)構(gòu)用鋼量和后期設(shè)備安裝等。圓管帶式輸送機(jī)線路應(yīng)避讓沿線村莊、廠區(qū)、自然保護(hù)區(qū)和采礦坍陷區(qū),盡量避免占用基本農(nóng)田、跨越省級(jí)公路、高速公路、寬闊河流,山區(qū)內(nèi)盡量避免開(kāi)隧道。

北方工礦企業(yè)大多在山區(qū),地形起伏蜿蜒,線路通常在平、立面起伏拐彎。線路小曲率半徑必須滿足設(shè)計(jì)要求,平面線路最小曲率半徑根據(jù)膠帶類型須滿足表1規(guī)定要求,立面線路最小曲率半徑根據(jù)膠帶類型須滿足表2規(guī)定要求[1]。聚酯和聚氨酯織物芯輸送帶水平轉(zhuǎn)彎段對(duì)應(yīng)的最大圓心角不宜超過(guò)100°,鋼絲繩芯輸送帶水平轉(zhuǎn)彎對(duì)應(yīng)的最大圓心角不宜超過(guò)90°。

表1 平面線路最小曲率半徑Rmin與輸送帶類型、管徑及曲線段圓心角的關(guān)系

表2 立面線路最小曲率半徑Rmin與輸送帶及曲線類型的關(guān)系

當(dāng)凸弧與凹弧相鄰布置時(shí),兩曲線段間應(yīng)通過(guò)直線段連接,直線段的最小長(zhǎng)度LS按以下公式計(jì)算:

(1) 聚酯織物芯和聚氨酯織物芯輸送帶:LS≥50dg。

(2) 鋼絲繩芯輸送帶:LS≥100dg。

2.2 膠帶特性的選取

膠帶是圓管帶式輸送機(jī)的核心組成部分,占整機(jī)投資的30%～45%,膠帶的特性選取對(duì)于圓管帶式輸送機(jī)至關(guān)重要。膠帶的強(qiáng)度是輸送帶的主要技術(shù)指標(biāo),主要包括兩部分:①縱向拉伸強(qiáng)度,即通常所說(shuō)的帶強(qiáng);②橫向剛性,由于測(cè)試方法和測(cè)試結(jié)果的復(fù)雜性,其橫向剛度值一直沒(méi)有在國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中提出,一般都是由膠帶廠家根據(jù)自己實(shí)際生產(chǎn)工藝給定。目前關(guān)于膠帶的橫向剛性,只有石油化工行業(yè)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)T/CPCIF 0022-2018《管狀帶式輸送橫向剛性和屈撓疲勞性能實(shí)驗(yàn)方法》規(guī)定的一種測(cè)試實(shí)驗(yàn)方法[2]。

圓管帶式輸送機(jī)膠帶橫向剛性是影響膠帶成型的一個(gè)重要參數(shù)值,其剛性過(guò)大或過(guò)小都會(huì)對(duì)膠帶的使用性能、功率消耗、使用壽命產(chǎn)生直接影響。膠帶橫向剛性值大小對(duì)圓管帶式輸送機(jī)的主要影響如下:

橫向剛性太大,難以成管,直接導(dǎo)致前期圓管帶式輸送機(jī)的安裝穿帶過(guò)程比較困難。穿帶完成后,由于膠帶反彈力使桁架上托輥受到的徑向力增大,開(kāi)機(jī)運(yùn)行托輥與膠帶摩擦阻力增大,導(dǎo)致托輥磨損嚴(yán)重、使用壽命降低、電機(jī)運(yùn)行功率增大。橫向剛性太小,則容易出現(xiàn)塌管現(xiàn)象,如圖2所示。塌管后六邊形托輥無(wú)法全部有效支撐膠帶,導(dǎo)致膠帶在運(yùn)行過(guò)程中扭轉(zhuǎn)。當(dāng)膠帶扭轉(zhuǎn)嚴(yán)重出現(xiàn)膠帶反包,引起膠帶搭接處出現(xiàn)縫隙造成圓管帶式輸送機(jī)沿線撒料。

圖2 膠帶成管后出現(xiàn)塌管現(xiàn)象

設(shè)計(jì)圓管帶式輸送機(jī)時(shí),選擇合適的膠帶是非常重要的,如果膠帶的特性已確定,則圓管帶式輸送機(jī)的可靠性也就確定了。所以設(shè)計(jì)選定膠帶后,必須讓膠帶廠家提供選定膠帶的橫向剛性值實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),以便于進(jìn)行復(fù)核計(jì)算。

2.3 環(huán)境氣候?qū)A管帶式輸送機(jī)的影響

圓管帶式輸送機(jī)在設(shè)計(jì)前期必須考慮設(shè)備所屬地區(qū)環(huán)境氣候,如多雨雪、溫差、常年多風(fēng)等因素的影響。

(1) 圓管帶式輸送機(jī)在運(yùn)行過(guò)程遭遇雨雪時(shí),當(dāng)膠帶面被雨雪水打濕后,雨水在膠帶與托輥之間形成水膜,導(dǎo)致膠帶與托輥摩擦力變小,在線路轉(zhuǎn)彎段由于膠帶內(nèi)物料離心力易造成膠帶滑移扭轉(zhuǎn),影響圓管帶式輸送機(jī)運(yùn)行安全。因此,在多雨雪的地區(qū)必須考慮在桁架上加裝防雨罩,覆蓋桁架及行人走道兩側(cè),以減少雨雪對(duì)圓管帶式輸送機(jī)運(yùn)行過(guò)程的影響。

(2) 圓管帶式輸送機(jī)在設(shè)計(jì)過(guò)程中選擇膠帶應(yīng)考慮地區(qū)溫度因素。當(dāng)工作環(huán)境溫度低于-25 ℃時(shí),宜選擇耐寒膠帶;當(dāng)輸送物料溫度高于60 ℃時(shí),宜選用耐熱膠帶。圓管帶式輸送機(jī)主要用于地面輸送系統(tǒng),工作地區(qū)冬季晝夜溫差對(duì)運(yùn)行功率的影響較大[3],溫度修正系數(shù)見(jiàn)表3。

表3 溫度修正系數(shù)

圓管帶式輸送機(jī)主要阻力計(jì)算模擬摩擦因數(shù)f為:

f=f0f1f2f3.

其中:f0為基準(zhǔn)模擬摩擦因數(shù);f1為管徑修正系數(shù);f2為膠帶拉伸強(qiáng)度修正系數(shù);f3為溫度修正系數(shù)。

例如:某工程案例DG300圓管帶式輸送機(jī)選用鋼絲繩芯膠帶,線路長(zhǎng)度為1 921.3 m,運(yùn)量為500 t/h,帶速為3.15 m/s,設(shè)計(jì)時(shí)選取電機(jī)功率為710 kW,工作環(huán)境溫度分別在-10 ℃和-20 ℃時(shí)的計(jì)算結(jié)果如圖3、圖4所示。

圖3 -10 ℃計(jì)算結(jié)果

圖4 -20 ℃計(jì)算結(jié)果

由圖3和圖4可以看出:滿載工況下,當(dāng)工作環(huán)境溫度為-10 ℃時(shí),啟動(dòng)功率為613 kW(見(jiàn)圖3),工作環(huán)境溫度為-20 ℃時(shí)啟動(dòng)功率為732 kW,設(shè)計(jì)功率不滿足使用要求,張緊力也不滿足,必須增加13 kN張緊力(見(jiàn)圖4),否則驅(qū)動(dòng)滾筒處易打滑;膠帶啟動(dòng)安全系數(shù)隨溫度的變化由-10 ℃時(shí)的10.01變?yōu)?20 ℃時(shí)的9.07。由此可見(jiàn),溫度對(duì)圓管帶式輸送機(jī)的影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)不止是運(yùn)行功率,所以在圓管帶式輸送機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)溫度是一個(gè)重要的設(shè)計(jì)參照要素。

(3) 圓管帶式輸送機(jī)安裝后桁架、立柱構(gòu)成一個(gè)整體,當(dāng)風(fēng)載作用于整體鋼結(jié)構(gòu)上,鋼結(jié)構(gòu)的剛度和強(qiáng)度須滿足設(shè)計(jì)要求。在風(fēng)載動(dòng)態(tài)環(huán)境下,即脈動(dòng)風(fēng)壓作用下,圓管帶式輸送機(jī)整體鋼結(jié)構(gòu)易產(chǎn)生失穩(wěn)。

作用于鋼結(jié)構(gòu)上的風(fēng)載荷計(jì)算公式為:

Pf=CKhqA.

其中:C為風(fēng)壓系數(shù);Kh為風(fēng)壓高度變化系數(shù);q為計(jì)算風(fēng)壓;A為鋼結(jié)構(gòu)垂直于風(fēng)向的迎風(fēng)面積。

在多風(fēng)環(huán)境下盡量減小鋼結(jié)構(gòu)迎風(fēng)面積,可有效減小對(duì)桁架的作用載荷。設(shè)計(jì)時(shí)通常在最大風(fēng)載工況下對(duì)桁架與立柱進(jìn)行整體受力加載分析。在滿足鋼結(jié)構(gòu)剛度和強(qiáng)度的要求下,應(yīng)盡量?jī)?yōu)化桿件選型,減少用鋼量。

3 結(jié)語(yǔ)

圓管帶式輸送機(jī)是依據(jù)地形起伏敷設(shè)于地面的輸送系統(tǒng),在設(shè)計(jì)過(guò)程中除了考慮膠帶的粘彈特性,還需考慮線路選擇、地區(qū)自然環(huán)境因素、物料特性等多種因素。設(shè)計(jì)過(guò)程綜合考量確保圓管帶式輸送機(jī)安全、可靠及穩(wěn)定運(yùn)行有著非常重要的意義。