地下長距離曲線帶式輸送機關鍵技術的設計與應用

郭 子 晗， 李 松

(中國水利水電第七工程局有限公司，四川 成都 610081 )

1 概 述

近年來，長距離帶式輸送系統以其具有的能連續運行、運行可靠、輸送能力大、運行成本低、節能環保、結構簡單、維護方便、易于實現自動化等優點被廣泛應用在砂石、煤炭、冶金、電力、化工、礦山、港口、建材、糧食等領域，在生產過程中發揮著重要作用。而水電工程選址多在高山峽谷，其地形條件復雜，周邊建筑物密集，線路選擇受限，為適應布置條件，需考慮采用地下隧洞內的布置方案。但在線路和斷面形式的選擇、驅動方式及設備布置、通訊系統、信號系統、電氣自動化控制方案等諸多問題相互獨立，又彼此制約，共同影響到長距離帶式輸送系統的設計和后期的安全可靠運行。筆者結合楊房溝工程帶式輸送系統在設計、運行中遇到的問題以及采取的解決方案，介紹了地下長距離帶式輸送機的設計與應用。

楊房溝水電站位于四川省涼山彝族自治州木里縣境內，該工程地形條件復雜，開采石料場與砂石加工系統距離壩址較遠，砂石系統加工所需的半成品石料和加工生產的成品料均采用帶式輸送機運輸。半成品、成品料輸送線布置情況見圖1。

2 線路選擇及布置

圖1 半成品、成品料輸送線布置圖

長距離帶式輸送機線路長、功率大，線路設計關系到輸送機總體的經濟性和后期運行的可靠性。長距離帶式輸送機線路選擇的目的是在線路起點與終點間選出一條全面符合建設要求的線路路徑。路徑的選擇應對線路運行、安全、經濟、合理、施工方便等因素進行全面考慮、綜合比較。線路方案合理與否直接影響到設計質量和后期運行。

在楊房溝工程長距離帶式輸送系統總體方案布置上，技術人員充分利用現場地形特點，對線路布置方案進行了多次優化。半成品輸送線由3條帶式輸送機組成，總長度為3.95 km。A1膠帶機布置在料場豎井底部的粗碎車間卸料端，為短距離膠帶機，主要滿足在卸料段出現故障時能緊急停機，以減小其對長距離膠帶機運行的影響，同時調整角度，增大A2曲線長距離膠帶機的曲率半徑。A2膠帶機沿線經過楊房溝、滴水崖溝，采用空間曲線布置，全線布置在隧洞內，在楊房溝附近設置曲線轉彎，轉彎半徑為5 500 m。為避讓楊房溝、滴水崖溝對輸送線路的影響，在滿足隧洞排水坡度要求的前提下，全程小角度上運或下運。膠帶機在隧洞斷面布置方案上，平衡考慮土建施工費用和膠帶機后期運行維護的需求，采取了經濟合理的斷面形式，為結合布置成品料帶式輸送機，A2隧洞斷面凈空尺寸按兩種形式布置，其中Ⅰ型為4.5 m(寬)×4 m(高)，長度為2.56 km，布置半成品料輸送機，Ⅱ型為6.5 m(寬)×4 m(高)，長度為1.2 km，平行布置半成品料A2及成品料帶式輸送機。

為適應地形、避免供料線對卡楊專用公路的影響和避讓周邊建筑，半成品輸送線采用全隧洞布置方案，在布置上盡量遠離江邊沿山坡布置，隧洞圍巖條件相對均勻、穩定，既減少了隧洞支護工程量，又能保證施工進度；為方便運行管理，節省土建費用，成品料輸送線與半成品輸送線采用共用隧洞的布置方案，利用半成品、成品輸送線轉料環節局部擴挖集中布置電控驅動站，以提高電控系統的可靠性和經濟性，同時減少了隧洞開挖支護量并滿足轉料站的結構布置和安裝要求。半成品輸送線采用空間曲線膠帶機布置方案，能夠滿足空間轉角和系統排水要求，同時優化了半成品輸送線運行工況，提高了運行的可靠性，節約了后期運行管理成本。

3 驅動方式的選擇

驅動方式的選擇受地形、帶寬、運量、膠帶等多個因素的同時影響，方案設計時應有針對性地考慮最佳驅動方案。對于長度在3 km 以內的輸送機，一般采用頭部集中驅動；對于長度在5 km 以上的輸送機，則采用頭尾驅動較多。單機長度超過10 km 時，一般會考慮中間轉載驅動的方案。由于帶式輸送機系統的驅動種類較多，根據傳動原理和結構特點的不同，將現有的驅動裝置分成變頻調速、液力耦合器傳動、直流電動機調速、液體粘性離合器傳動、液壓馬達驅動、交流電動機軟起動和差動變頻無級調速等。帶式輸送機的負載是一種恒轉矩負載，運行過程中往往不可避免地要帶重負荷啟動或制動，因此驅動裝置的性能非常關鍵。

楊房溝工程長距離帶式輸送系統采用變頻軟起動方案，其運行效果滿足大型帶式輸送機軟啟動及調速的性能要求。采用變頻驅動方式具有以下優點：變頻器的加、減速曲線可以在寬廣范圍內設定，能滿足控制帶式輸送機加速度和減速度的要求，變頻調速系統的機械特性基本與電動機的固有特性相同，使用開環系統控制帶式輸送機的驅動可以滿足技術要求。變頻調速的調速精度高，易于實現啟、制動速度曲線的自動跟蹤，能夠提供可控、理想的啟、制動性能，適用于長距離、線路復雜的帶式輸送機,可以控制輸送機按設定 的“S”曲線啟動和制動，以滿足整機動態穩定性及可靠性要求。變頻調速驅動裝置還可以滿足低速驗帶運行要求。當用多臺變頻調速電動機驅動一臺帶式輸送機時，通過變頻器調整各電動機的特性使之盡量接近，以減小各電動機間負載功率的差異；能實現軟啟動，電機啟動對電網的沖擊小，能減少供配電系統設備的投入。

變頻驅動方案總體減少了驅動裝置的尺寸和重量，節約了場地空間，軟起、制動的加減速度可控制在α≤0.05 m/s2，將電機的啟動電流和輸送帶的起動張力控制在允許范圍內，保證系統平穩啟動、停機和運行。可以實時根據運量情況調節帶速，節能運行，解決工程對系統運行要求存在的生產能力不平衡的問題，同時達到很好的保護輸送機系統及延長輸送機系統壽命的目的。

4 曲線膠帶的糾偏

長距離膠帶機一般會根據現場地形設置曲線轉彎段，轉彎半徑的選擇應根據計算確定。選取轉彎半徑的一個原則是：只要現場條件允許，轉彎半徑應盡量取大一些。轉彎段與直線膠帶機不同，轉彎膠帶機在曲線段受到膠帶張力S的作用產生一個向心合力F，使膠帶產生向曲線內側滑移的趨勢。平面轉彎膠帶機轉彎結構設計的關鍵是產生向曲線外側的導向力來抵消向心合力F。當膠帶偏移量達到帶寬5%時，必須進行糾偏，否則輸送帶將越跑越偏。據統計，輸送帶的損壞有30%以上是因跑偏磨損而報廢，跑偏量過大會造成膠帶磨損、撒料、縮短膠帶的使用壽命、增加設備維護和衛生清理工作量，跑偏嚴重時，會使膠帶刮破及撕裂、直接影響到安全生產并帶來較大的經濟損失。因此，有效地防止和快速調整輸送帶跑偏是長距離曲線帶式輸送機應注意和需要解決的重要問題之一。楊房溝工程長距離帶式輸送系統曲線段采用了以下技術措施：(1)內曲線抬高。將上下托輥內曲線適當抬高，通過調整鉸接托輥支架與縱梁連接的支座予以實現。(2)托輥設置前傾。膠帶和托輥產生摩擦力，進而產生摩擦導向力。在不同的工況下，膠帶的張力不能保持為恒定值，因而在設置托輥前傾時，將內托輥提供的前傾力設為導向力，而外托輥產生向心力。(3)加大槽角。楊房溝工程膠帶機曲線段上托輥采用45°托輥。(4)曲線內側面設置擋輥并在帶面設置壓帶輥：設置擋輥和壓帶輥的目的是為了當采用前面的措施不能完全防止膠帶向內偏移的強制措施。

上述措施在工程中的應用，起到了很好的糾偏效果。由于膠帶機運輸量、運輸速度等工況的改變，使膠帶跑偏變化較大。在運行過程中，需對各運行工況轉彎部位膠帶狀況進行分析并進行相應的試驗和數據收集，歸納出糾偏托輥水平角度及垂直角度具體的調整參數和相應的糾偏方法。

5 多站電氣自動化控制設計

大型帶式輸送系統具有設備功率大、數量多、布置分散、跨越距離遠、保護裝置多的特點，控制系統通過設置一個主操作控制站、多個從操作控制站的方式予以控制，各控制站能根據區域設備的布置特點將電氣設備控制裝置就近分散布置在各控制站內，每座控制站配置有相應設備的電氣控制裝置、通訊裝置，人機自動化控制操作界面，實現該區域設備的自動化控制及信息管理。系統各操作站和現場設備通過現場總線、光纖通訊技術組建可靠、快速的通訊網絡，將各控制站整合為一體以實現系統的自動化控制。

楊房溝工程帶式輸送系統采用多站控制技術，根據系統設備的布置設置了6座控制站，其中2#站為控制主站，1#、3#、4#、5#、6#站為控制分站，每座控制站由PLC和工業光纖以太網、現場總線組成控制網絡，完成系統內設備、保護裝置的全工作過程的監控、監測，構成一個完善的監控系統。電氣設備控制裝置就近分散布置在各控制站內，每座控制站配置有相應設備的電氣控制裝置、通訊裝置，系統人機自動化控制操作界面。系統控制主要采用PLC+變頻軟起動控制技術，系統各操作站和現場設備通過現場總線、光纖通訊技術組建可靠、快速的通訊網絡，將各控制站整合為一體并采用人機操作界面用以實現系統的自動化控制。

多站自動化控制系統適應長距離帶式輸送系統自動化控制要求，具有自動化程度高、綜合信息管理便捷等優點，可大量節約安裝成本，減少維護工作量，提高系統運行的可靠性，尤其是對提高運行管理水平具有重要作用。

6 結 語

楊房溝工程地下隧洞長距離曲線帶式輸送機結合類似工程的運行經驗，在設計中綜合考慮線路布置、現場安裝、運行維護、電氣控制、通訊、信號系統等解決方案，系統投入運行后，運行狀況良好，能夠保證系統可靠、連續運行生產。由于目前對生產系統的運行管理日趨智能化，對其自動化程度及智能化管理水平的要求越來越高，各工程需結合輸送機的設計方案研發智能化控制管理系統，智能協同、動態控制和調節設備運行參數，實現管理過程的智能化和信息化，提高整機自動化水平，進一步降低運行成本。