長距離水平轉彎煤灰雙向運輸帶式輸送機設計

曹 亮

（中煤科工集團沈陽設計研究院有限公司，遼寧 沈陽 110015）

火力發電廠通常有輸煤、輸灰2 套獨立輸送系統，根據運距、地形、地勢、氣候等條件，可采用公路、鐵路或帶式輸送機等運輸方式。當采用帶式輸送機運灰時，應用圓管帶式輸送機的案例較多，少數用封閉式普通槽型帶式輸送機。如今，長距離輸送越來越廣泛，但由同一條帶式輸送機上帶運煤、下帶運灰的技術在電廠輸送系統中還沒有實際應用。如將電煤和燃燒后的粉煤灰采用同一條帶式輸送機正反向同時運輸，可節省單獨運灰工程投資和后期運灰成本，將產生巨大的經濟效益[1]。2019 年8 月，由中煤科工集團沈陽設計研究院有限公司總承包的勝利一號露天煤礦至勝利發電廠輸送系統EPC 工程開工建設，其長距離水平轉彎帶式輸送機是我國第1 條高寒、多風地區上帶運煤、下帶運灰、多點驅動的帶式輸送機，具有一定的設計難度。工程實踐為同類長距離水平轉彎帶式輸送機雙向運輸的設計，提供了理論基礎和實踐經驗。

1 系統概述

勝利一號露天煤礦至勝利發電廠輸煤系統由8條帶式輸送機組成，總長度約13.8 km，把粒度70～0 mm 的褐煤從露天礦送至2 座電廠，同時將2 座電廠的粉煤灰利用輸煤帶式輸送機回程帶面反向輸送至露天礦，再由卡車排棄至露天礦內排灰場。反向運灰由4 條帶式輸送機組成，其中2 條為煤灰共用，總長度約10 km。該工程地處錫林郭勒盟大草原，線路上有排土場、錫林河、鐵路、村莊、國道、多條高壓線等，設計主導思想為盡量利用既有地形條件、避免影響居民日常生活、少占地原則，主線采用水平轉彎設計[2]。沿途跨越南排土場、上跨錫林河、下穿錫烏鐵路、下穿S307 國道、上跨多處道路、下穿大唐鐵路及多條高低壓輸電線路等。新建S307 國道地道橋寬6 m，長132 m，與道路夾角為25°；新建的大唐鐵路地道橋寬5 m，長30 m，與鐵路夾角為62°。

輸送系統中有1 條水平轉彎帶式輸送機，水平機長8.642 km，提升高度40 m，共有3 處水平轉彎，轉彎段合計長度3.153 km。設計參數為：上帶面運輸量Qs=3 000 t/h、下帶面運輸量Qx=500 t/h、帶寬B=1 600 mm、帶速v=4.5 m/s。輸送系統平面布置示意圖如圖1。

圖1 輸送系統平面布置示意圖

2 主要關鍵點設計

水平轉彎帶式輸送機雙向運輸設計的關鍵點是確定轉彎半徑、轉彎段托輥的結構形式、上下帶運輸轉載點的設計等。

2.1 水平轉彎半徑

水平轉彎帶式輸送機是通過使用特殊托輥組來實現用曲線替代多條直線轉載。轉彎時，輸送帶會產生一個向心力，使其向圓心側滑移，這時需要有一個反向的外力與之抵消，達到受力平衡，這就需要通過改變托輥的結構來實現[3-5]。

工程地處開闊的大草原，轉彎半徑主要根據鐵路、村莊的位置和公路的轉彎半徑來布置，考慮當地高寒的氣候條件及煤灰雙向運輸的特殊工況，為了保證系統轉彎段的穩定運行，應盡可能選擇大半徑轉彎。

水平轉彎段最小轉彎半徑需同時滿足力學平衡條件、輸送帶側邊應力條件和輸送帶外側不離開托輥條件，計算公式是通用的。以文獻[3]中新疆準東長距離空間轉彎帶式輸送機系統中提到的計算公式進行校核。經校驗，水平轉彎段最小轉彎半徑為2.2 km，初選值滿足最小半徑要求。

帶式輸送機長度8.642 km，共設有3 處轉彎段，大體呈現“S”型，曲線長度3.153 km，占帶式輸送機總長度的36.5%。從機尾開始，第1 處水平轉彎半徑4 km，圓心角11.972°；第2 處水平轉彎半徑3 km，圓心角24.041°；第3 處水平轉彎半徑5 km，圓心角12.128°。

2.2 轉彎段托輥結構形式

2.2.1 選用大槽角托輥組

托輥組槽角越大轉彎效果越好，如“C”型帶、“U”型帶、圓管帶的轉彎半徑比槽型帶要小很多，而平帶幾乎不能轉彎。以往工程設計時，直線段采用35°槽角托輥組，轉彎段采用深槽托輥組，直線段與轉彎段間需要設置過渡托輥組，工程考慮到回程帶運灰，全程采用45°大槽角托輥組，具有一定的防側風作用，45°槽角托輥組也是橫截面積最大、輸送效率最高的結構。實踐證明，相比多槽角設計，全程1個槽角時運行平緩，避免了輸送帶邊緣的張力變化，延長輸送帶使用壽命。

2.2.2 選用固定抬高角托輥組

水平轉彎段輸送帶在運行過程中，靠近圓心側的曲線稱內曲線，遠離圓心側的稱外曲線。將中間托輥軸線與水平面所形成的夾角稱為內曲線抬高角γ，產生內曲線抬高角的目的是為了減小轉彎半徑，使輸送帶在轉彎段的平穩轉彎[6]。雖然增大γ 可使轉彎半徑變小，但γ 過大時系統運力降低，出現撒料、滾料等問題。因此，如何確定抬高角γ 尤為重要。

以往工程，轉彎段托輥組內抬高角為多種角度可調式，這種結構優點是當現場施工與設計計算發生偏離時，可通過調整角度來彌補，缺點是結構復雜、安裝時間長、設備運行時振動大。

如果采用固定式內抬高角度，則須進行精密的計算。通過查找國內外標準及文獻，進行多次對比計算，最終確定尾部4 km 轉彎段上托輥內抬高角3°，下托輥內抬高角5°；中部3 km 轉彎段上托輥內抬高角5°，下托輥內抬高角5°；頭部5 km 轉彎段上托輥內抬高角3°，下托輥內抬高角3°。轉彎段采用固定式內抬高角托輥組打破了常規設計，這種結構制造工序簡單，現場安裝時省時省力，設備運行結構穩定，是工程設計的一大亮點。轉彎段固定內曲線抬高角托輥斷面圖如圖2。

圖2 轉彎段固定內曲線抬高角托輥斷面圖

直線段與轉彎段的切點是普通托輥組變更為轉彎段托輥組的鏈接處，在此處轉彎段前后均設有過渡段，即內抬高角由0°逐漸過渡到3°或5°，轉彎段過渡段長度按所在弧長的10%布置，帶式輸送機的內曲線抬高角度布置見表1。

表1 帶式輸送機的內曲線抬高角度布置（°）

2.2.3 托輥架前后可調

托輥組底板與中間架間采用螺栓連接，底板為加大長圓孔，增大調整量。設計特點是：通過調節螺栓位置實現托輥組的傾斜安裝。當輸送帶向內側跑偏時，將內側托輥前傾安裝，反之后傾，以此來克服轉彎產生的向心力和物料的離心力。對本工程來說，內曲線抬高角增大1°僅能減小轉彎半徑100 m，對于轉彎半徑3～ 5 km 的帶式輸送機來講，因此托輥組前傾安裝是解決輸送帶跑偏的最有效方法。

2.3 正反轉運輸轉載方案設計

系統中有M705、M706 2 條帶式輸送機是上帶運煤、下帶運灰，轉載點距下穿大唐鐵路橋涵處不足30 m，這意味著M706 機尾不能抬高。上帶運煤時，二者搭接方法與普通帶式輸送機相同，要使M706下帶的灰同時轉載給M705 下帶，需要有足夠的轉載空間。提出2 種設計方案：①方案1：不增加任何設備，煤、灰在同一個轉載站進行轉載；②方案2：增加1 條帶式輸送機，煤、灰在不同轉載站進行轉載。

方案1 的特點是同點轉載，轉載點布置在地下，轉載站地上部分建筑物體積小，總平面布置規整，缺點是轉載站地下部分工程量巨大，帶式輸送機需要設置1 段暗道，輸送帶纏繞方式過于復雜，設備檢修受限等；方案2 的特點是轉載點布置在地上，輸送帶纏繞方式簡單，設備容易檢修，缺點是需增加1 座轉載站和1 條短帶輸送轉載，總平面布置不太規整。

綜合對比方案1 和方案2，從設備穩定運行、檢修維護等方面考慮，選用方案2 的轉載設計，帶式輸送機轉載關系如圖3。

圖3 帶式輸送機轉載關系

2.4 多點驅動的布置

上運帶式輸送機驅動裝置通常安裝在帶式輸送機頭部，而對長距離上運帶式輸送機來說，只在頭部設置驅動時輸送帶帶強會很大，相應滾筒、結構件、轉載站等選型加大，導致投資增大。因此，大多數長距離帶式輸送機都是多點驅動布置，常見的有頭尾驅動、頭中尾驅動等，多點驅動可以大大降低輸送帶張力。經計算，長距離帶式輸送機頭尾驅動時輸送帶選型為ST4000，頭中尾驅動時輸送帶選型為ST2500，增加中部驅動后，帶強下降效果非常明顯。

驅動電機采用高壓變頻軟啟動技術，同步柜實現驅動功率平衡。在頭部拉緊鋼絲繩、中部驅動、尾部驅動處安裝張力傳感器，通過測量不同驅動處輸送帶的張力值，由PLC 控制系統統一協調控制多點變頻驅動單元啟停，進而實現長距離帶式輸送機的安全穩定運行。

2.5 驅動功率

經過靜態計算，此長距離水平轉彎帶式輸送機的軸功率為5 × 1 050 kW。采用變頻軟啟動時，電機富余系數取1.1，每臺電機選型功率為1 250 kW，考慮當地嚴寒的氣候條件，最終確定的電機功率為1 400 kW。空載調試初期發現電機電流達到額定設計電流160 A，隨著時間運轉，電機電流逐漸下降到90 A。由此可以看出，初期電流高是因為天氣寒冷，各部件潤滑不夠靈活，阻力大，輸送帶初始張力也很大，隨著運行時間的加長，輸送帶張力得到釋放，電機負載逐漸降低，系統趨于正常運行。

實踐表明，高寒地區、長距離帶式輸送機的初始阻力很大，甚至超過了滿載設計阻力，在電機選型時，其功率要保守選擇。

2.6 拉緊裝置的選擇

拉緊裝置是帶式輸送機中重要的部件組成，保證輸送帶不打滑、減小輸送帶垂度。帶式輸送機常見的拉緊裝置有很多，其中重錘拉緊可隨輸送帶張力的變化靠自身重力自動補償輸送帶的伸長，并且結構簡單、成本低廉、響應速度快、動態性能好、可靠性高，是帶式輸送機首選的拉緊形式[7-8]。

長距離帶式輸送機采用垂直重錘拉緊時，拉緊行程為30 m。受工藝布置影響帶式輸送機因提升高度較低，不具備安裝垂直重錘拉緊的條件。設計采用“絞車＋重錘塔架式”車式拉緊方式，既縮短拉緊行程，又實現拉緊力恒定控制，集常規拉緊形式優點為一體，具有重錘和絞車的雙重優點。

現場調試時，由于輸送帶垂度、硫化輸送帶處堆帶等原因，輸送帶拉緊后拉緊車行走約15 m。運行時，拉緊小車行走距離5 m，系統降頻停車時拉緊車非常穩定。證明了長距離帶式輸送機使用逆止器的必要性，即使計算時沒有逆止力。調試階段，逆止器可以防止輸送帶因為彈性伸長造成驅動滾筒反轉、拉緊車快速回撤，避免重錘箱沖頂而發生事故。

3 結語

勝利一號露天煤礦至勝利發電廠輸煤系統帶式輸送機于2021 年1 月進行重載聯動運行，各項指標完全達到設計要求。現場調試時，水平轉彎段輸送帶實現“零”跑偏，驗證了轉彎段托輥組采用固定式內曲線抬高角是可行的，加裝逆止器是必要的，為調試節省了大量時間。該系統的成功運用，為在高寒、多風地區長距離、大運量、水平轉彎、多點驅動、多點轉載、上下帶同時運輸帶式輸送機的設計提供理論基礎和實踐經驗。