歐冶爐垂直膠帶機膠帶故障分析

彭銀加

（新疆八一鋼鐵股份有限公司煉鐵廠）

1 問題的提出

歐冶爐原、燃料上料系統的垂直膠帶機由兩條垂直運輸機組成，其中煤系統垂直膠帶機輸送能力為460t/h，提升高度為94.5m，礦石系統垂直膠帶機輸送能力為610t/h，提升高度為110m。兩條皮帶為波裝擋邊帶、頭部驅動輪、頭部改向輪、弧形段托輥、尾部改向輪、尾部漲緊輪機、尾部水平段托輥、頭尾機架組成。垂直膠帶機安裝依附在歐冶爐主體框架上，皮帶自重約38t。在歐冶爐的生產過程中垂直膠帶機的膠帶接頭多次發生鼓包、開裂、塌帶現象，嚴重影響了系統的正常運行，影響到歐冶爐的正常生產運行。

2 垂直膠帶機膠帶故障隱患處理紀實

八鋼歐冶爐礦、煤線垂直膠帶機均是某國產膠帶廠家的新膠帶，煤線垂直膠帶于2014年上線，礦線于2015年10月上線，接頭均由生產廠家現場粘接。

（1）歐冶爐于2015年6月18日開爐，正常生產運行20天后（即7月8日）礦垂直膠帶機發生皮帶接頭塌陷事故。7月8～17日，對皮帶接頭進行了打斷硫化。

（2）從2015年8月27日歐冶爐進入長周期檢修，為保證接頭質量，采購國產膠帶廠家直接原廠硫化環形帶1套，并在現場環形套裝方式安裝，于2015年10月更換了新品。

（3）2018年5月26日歐冶爐正式點火開爐，垂直膠帶機調試運行正常。在6月7日點檢煤垂直膠帶機膠帶時發現接頭處鼓包，并在6月10日發生塌帶故障，歐冶爐被迫停產休風。

通過幾次故障可知，膠帶機接頭極易發生故障，而且嚴重影響了歐冶爐的正常生產。

3 垂直膠帶進口與國產技術參數對比分析

為查找膠帶事故原因，將羅涇COREX使用的垂直膠帶機和八鋼歐冶爐垂直膠帶機進行對比分析。羅涇COREX使用的是進口垂直膠帶機，沒有出現類似故障，八鋼歐冶爐使用的是國產垂直膠帶機。

3.1 垂直膠帶機參數要求

羅涇COREX和八鋼歐冶爐垂直膠帶機技術參數相同，施工安裝技術規范相同，在生產過程中對垂直膠帶機的使用規范及能力要求一致。

3.2 膠帶參數對比

對比膠帶參數，存在以下不同點：

（1）絞索直徑（鋼絲繩直徑）不同，進口康尼泰克直徑為9.2mm，某國產膠帶鋼絲繩直徑為9.6mm。

（2）膠帶布置鋼絲繩根數不同，進口膠帶直徑為69根，某國產膠帶鋼絲繩直徑為84根。進口膠帶根數提供參數為78根，但實際測量為69根。

3.3 現場調查狀況

（1）現場鋼絲繩根數測量。進口膠帶膠帶根數為69根，分別布置為，兩個邊部（改向輪處）各12根，中部布置45根；某國產膠帶鋼絲繩根數為84根，分別為兩個邊部（改向輪處）各16根，中間連續布置52根。

（2）現場膠帶鋼絲繩布置狀況。進口膠帶鋼絲繩布置狀況為：膠帶邊緣距第一根鋼絲繩為20mm，鋼絲繩間距為15～18mm，鋼絲繩直徑為9.2mm，上膠層厚度（工作層）為9mm，下膠層厚度（非工作面）為7mm。裙邊距皮帶邊緣300mm，裙邊寬度100mm，無繩區寬度127mm，兩裙邊距離600mm。測量簡圖如圖1所示。

圖1 進口皮帶鋼絲繩布置簡圖

國產膠帶鋼絲繩布置狀況為：膠帶邊緣距第一根鋼絲繩為60mm，鋼絲繩間距為11～14mm，鋼絲繩直徑為9.6mm，上膠層厚度（工作層）為8.5mm，下膠層厚度（非工作面）為8.2mm。裙邊距皮帶邊緣300mm，裙邊寬度100mm，無繩區寬度98mm，兩裙邊距離600mm。測量簡圖見圖2。

圖2 國產皮帶鋼絲繩布置簡圖

測量數據差異如表1所示。

表1 測量數據對比 mm

根據測量數據不同點在鋼絲繩的布置上，進口膠帶與國產膠帶主要數據不同點：鋼絲繩繩間距，在邊帶部分繩間間距相差2.5mm，中部鋼絲繩繩間距相差3.8mm；無繩區寬度相差29mm；鋼絲繩直徑相差0.4mm。

4 關于垂直膠帶機有關參數的校核分析

4.1 膠帶機的負荷

（1）進口膠帶強度計算。進口膠帶使用特種鋼絲繩，繩徑為Φ9.2mm，繩結構為7×W19，單根鋼絲繩拉斷強度為82.7kN，*有效幅寬1150mm（不含無繩區）。

鋼絲繩帶的整體強力計算：82.7kN/根×69根÷1150mm(*)=4962N/mm＞4500 N/mm(設計要求）

（2）國產膠帶計算。國產膠帶繩徑為Φ9.6mm，繩結構為7×W19，單根鋼絲繩拉斷強度為71.6kN。

鋼絲繩帶的整體強力計算：71.6kN/根×84根÷1400mm(*)=4296N/mm＜4500 N/mm。

國產膠帶強度不能滿足設計膠帶要求值.

4.2 鋼絲繩布置及計算分析

根據現場鋼絲繩布置及相關參數計算實際鋼絲繩繩間間距、接頭鋼絲繩繩間間距是否滿足要求。

4.2.1 鋼絲繩基帶鋼絲繩間距計算分析

考慮到此條基帶垂直提升、使用頻率、輸送量等因素。

式中：SGmin—繩間橡膠最小厚度，mm；

P—鋼絲繩本體鋼絲繩間距，mm；

d—鋼絲繩直徑，mm。

（1）進口膠帶空邊鋼絲繩區間的SGmin：=3/4×15.2-9.2=2.2 mm（P=15.2mm，d=9.2mm，）

該參數滿足（1）的大于2.12要求。

進口膠帶中間區鋼絲繩區間的SGmin：=3/4×17.0-9.2=3.55mm（P=17.0mm，d=9.2mm，）

（2）某國產膠帶計算。

(2)提出了基于自適應模擬退火算法的機械手慣性力的最優化問題。改進各部件的尺寸，在滿足約束條件及任務要求的情況下，可以有效地搜索全局最優解，最終將機械手慣性力減少約7.6%。

空邊鋼絲繩區間的SGmin：=3/4×14-9.6=0.9mm（P=15.2mm，d=9.6mm，）

中間區鋼絲繩區間的SGmin：=3/4×13-9.6=0.15mm（P=17.0mm，d=9.6mm，）

國家標準GB/T 9770-2013普通用途鋼絲繩芯輸送帶，歐洲標準BS EN ISO 15236-1-2005鋼絲繩傳送帶（第1部分：通用傳送帶的設計、尺寸和機械要求）以及行業標準HGT4062-2008擋邊帶標準要求，填充膠寬度（基帶鋼絲繩之間距離）應大于1.5mm。考慮到此條擋邊帶垂直提升、使用頻率、輸送量等因素，空邊鋼絲繩區間和中間區的SGmin的設計參數分別為2.2mm和3.55mm。計算結果表明某國產膠帶的鋼絲繩繩間距不滿足要求。

4.2.2 鋼絲繩接頭間距接頭計算

（1）采用國標方法接頭鋼絲繩搭接計算分析。GB9770-2013SGmin計算公式：

t—鋼絲繩間距；

nst—為階梯數。

國產帶接頭空邊區：SGmin=t/（nst+1）/nst）-d=12.1267/（4+1）/4）-9.6=0.10136mm

根據標計算可知國產膠帶空邊區的SGmin不能滿足要求的大于1.5mm的要求。為了達到國標要求，只有增加鋼絲繩的間距。

（2）國際標準方式接頭鋼絲繩搭接的計算分析。

為了驗證上述計算方法的正確性（公式1、2為計算普通鋼絲繩芯膠帶機的標準，垂直膠帶機膠帶屬于特種膠帶沒有相關標準），采用ISO 15236-4標準的硫化接頭的基準規定的公式計算SGmin值。根據ISO 15236-4標準的硫化接頭的基準規定（圖3），SGmin計算式：d—鋼絲繩直徑，mm。

圖3 ISO15236-4硫化接頭示意圖

計算認為國產膠帶機膠帶的SGmin應選用在2.16mm以上

（3）三階接頭法計算國產膠帶接頭間距（圖4）。

圖4 三階接頭示意圖

式（1）和圖4中的意義：SGmin為接頭部位的繩間橡膠最小厚度（mm）

P為鋼絲繩本體鋼絲繩間距（mm）；d為鋼絲繩直徑(mm)；S為階梯長度（mm）

采用三階搭接計算空邊區鋼絲繩SGmin：

根據ISO 15236-4計算公式可知空邊區和中部鋼絲繩的SGmin都不能滿足要求的大于國標1.5mm和ISO15236-4 2.16mm的要求。

將計算結果和標準規范要求進行比對，認為歐冶爐現場采用的國產膠帶的布繩間距沒有達到標準規范要求，造成鋼絲繩的黏合強度不能滿足膠帶的設計需求。

4.3 接頭長度的計算分析

根據國家標準GBT 9770-2013普通用途鋼絲繩芯輸送帶膠帶接頭設計要求，按現場采用的4階搭接方式計算分析。.

采用GBT 9770-2013附件中接頭長度公式計算，結果見表3。

Lv—接頭長度

Lat—接合長度，mm

Lat=∑Lanb/(nb×Sv)

式中，∑Lanb為鋼絲繩黏合長度；

nb分級黏合的數目；Sv接頭梯級數的安全因子；Fbs鋼絲繩的拉伸強度，kN；Fa鋼絲繩的黏合強度，N/mm。

通過計算可知，采用4階搭接方式，進口膠帶的搭接長度計算值為3013mm，便于操作取50mm的整倍數，應取值為3200mm以上數值，查進口膠帶硫化粘接要求接頭結合長度3500mm，總長度3920mm，滿足要求。

國產膠帶搭接長度計算值為3241mm，便于操作取50mm的整倍數，應取值為3200mm以上數值，實際廠家為膠帶制作接頭長度為2800mm總長度為3000mm。不能滿足接頭硫化粘接要求。

4.4 接頭斷面布置分析

根據現場測量數據和膠帶接頭長度的分析狀況，接頭斷面如圖5所示。

圖5 膠帶接頭斷面布置

根據GB9770四階搭接方式要求，接頭處的鋼絲繩根據四階搭接方式計算可得，鋼絲繩搭接根數分別為進口膠帶鋼絲繩根數為69+17=86根，國產膠帶搭接根數為84+21=95根。

通過計算機放樣可得如圖6所示。

圖6 四階接頭結構示意圖

進口膠帶鋼絲繩布置狀況為鋼絲繩間距為12，鋼絲繩繩間距離邊處為2mm，中部為4mm；國產膠帶鋼絲繩布置狀況為鋼絲繩間距為10，鋼絲繩繩間距離邊處為0.4mm，中部為1mm。

根據GB9770國家標準要求應為1.5mm～5mm。

通過計算分析,進口膠帶機鋼絲繩布置狀況滿足要求，國產膠帶鋼絲繩布置狀況不能滿足要求。

5 計算結論

通過對膠帶參數的對比，膠帶機負荷力的計算，布繩設計和力的計算，接頭長度計算，可認為膠帶機塌帶的主要原因是：

（1）國產膠帶內部鋼絲繩的布置不合理是導致膠帶接頭塌帶的主要原因，也是發生事故的本質原因。羅涇COREX運行中使用的垂直膠帶及鋼絲繩沒有發生類似故障。

（2）膠帶接頭長度不足是此次事故的又一原因，接頭長度不足，導致鋼絲繩的抗拉強度在接頭部位不足，接頭抗拉力不能保證。由于接頭處抗拉力粘接完畢只有原設計的最高90%（一般在80%～85%），加上膠帶本質鋼絲繩布置不合理，完全滿足不了膠帶機的正常負載。從歐冶爐垂直膠帶機狀況來看，煤垂直膠帶機最多運行天數為8個月，礦垂直膠帶機運行3個月就發生出故障,。筆者的分析判斷和生產實際狀況相吻合。

6 結束語

通過分析探索，找到了歐冶爐垂直膠帶機膠帶發生故障的原因，歐冶爐與某國內廠家合作對采用的膠帶機鋼絲繩重新進行了設計布置，于2018年12月完成更換安裝，使用至今再沒有發生故障，故障率降低為零，為歐冶爐穩定運行提供了保障。針對歐冶爐垂直膠帶機故障分析的思路及解決措施可以為類似鋼絲繩膠帶的使用和故障處理提供借鑒。