長距離隧道連續(xù)皮帶機轉(zhuǎn)彎特性的研究

王文超，宋朋洋

（1.中鐵隧道股份有限公司，河南 鄭州 450000；2.中鐵工程裝備集團有限公司，河南 鄭州 450016）

近年來，隨著國內(nèi)各種引水、鐵路、公路隧道工程的快速推進，長距離連續(xù)皮帶機在隧道領(lǐng)域的應(yīng)用也得到了飛速發(fā)展，山西引黃、秦嶺、高黎貢山、新疆引額等各個隧道項目中都采用了長距離皮帶機作為出渣裝置，大大提高了隧道的掘進效率。

長距離皮帶機在煤炭、鋼鐵、港口、化工等行業(yè)已經(jīng)有了較為長久的應(yīng)用歷史，理論基礎(chǔ)已經(jīng)較為成熟[1]，國內(nèi)外都有相關(guān)設(shè)計的標(biāo)準(zhǔn)和參數(shù)，指導(dǎo)了大量項目的設(shè)計，但是小轉(zhuǎn)彎半徑對于皮帶機來說一直是設(shè)計的一個難點。由于地質(zhì)的多樣化或者城市規(guī)劃的特殊要求，出現(xiàn)了越來越多的小轉(zhuǎn)彎半徑隧道，有些隧道項目的轉(zhuǎn)彎半徑達(dá)到了300m 級別，甚至有項目提出了100m 以下轉(zhuǎn)彎半徑的需求，相應(yīng)的對隧道連續(xù)皮帶機的設(shè)計也提出了越來越嚴(yán)格的要求[2]。

1 隧道連續(xù)皮帶機轉(zhuǎn)彎的特點

1）空間狹小，不具備中間轉(zhuǎn)載的條件。常規(guī)的地鐵隧道一般直徑為6m，引水隧道最低可達(dá)4m 級別，隧道內(nèi)空間有限，施工不好組織，轉(zhuǎn)載所需的滾筒、卸載支架等設(shè)備無法布置，因此，只能采用膠帶彎曲的方式實現(xiàn)皮帶機的轉(zhuǎn)彎。

2）在使用周期內(nèi)，皮帶的張力不斷變化，轉(zhuǎn)彎處拉力也同樣變化。由于隧道連續(xù)掘進需要皮帶機不間斷延伸，因此隧道皮帶機都設(shè)置儲帶倉，皮帶的長度是隨著隧道掘進的深度不斷延長，因此轉(zhuǎn)彎處拉力也不斷變化，這就導(dǎo)致了原本可能調(diào)整好的平衡狀態(tài)下的轉(zhuǎn)彎處，在運行了一段時間后，需要重新進行調(diào)整[3～4]。

3）運量波動較大。由于地質(zhì)變化、掘進機換步等因素，隧道出渣量是在不斷變化的，因此，隧道皮帶機轉(zhuǎn)彎處的設(shè)計不能僅考慮穩(wěn)定滿載的工況，還需要考慮其它負(fù)載狀態(tài)下皮帶能夠平穩(wěn)運行。

4）物料含水較多。由于水的流動性，在皮帶高速運轉(zhuǎn)過程中，在轉(zhuǎn)角處極易容易撒料。

2 隧道連續(xù)皮帶機轉(zhuǎn)彎的設(shè)計原則

由于上述這些特點，相比較于常規(guī)皮帶機，隧道連續(xù)皮帶機轉(zhuǎn)彎處的設(shè)計，需要著重考慮以下幾點。

2.1 膠帶抗拉強度足夠保證不斷帶

當(dāng)膠帶正常直線段運行時，膠帶的拉力是均勻分布的，如圖1(a)所示；當(dāng)存在圖1(b)所示轉(zhuǎn)彎半徑為R的轉(zhuǎn)角時，膠帶內(nèi)外側(cè)被同時拉伸，且外側(cè)拉伸長度大于內(nèi)則，拉力大小沿膠帶線性分布，最外側(cè)膠帶拉力為F2；如果繼續(xù)縮小轉(zhuǎn)彎半徑至R1，如圖1(c)所示，隨著膠帶最外側(cè)伸長率不斷增大至最大，最外側(cè)張力增大至F3，膠帶內(nèi)側(cè)拉力不斷減小，甚至出現(xiàn)褶皺，中間某位置處膠帶受拉力為零，此位置為膠帶轉(zhuǎn)彎處的中性層。假設(shè)膠帶傳遞相同的拉力，則F3＞F2＞F1。因此，相同條件下，越小的轉(zhuǎn)彎半徑，所需的膠帶的抗拉強度越高。

圖1 不同情況下膠帶拉力分布

取單位寬度膠帶，假設(shè)膠帶原長度為a，拉伸后伸長Δa，此時單位寬度膠帶拉應(yīng)力為f，定義膠帶彈性模量E（單位：N/m），表示單位寬度的膠帶伸長率與拉應(yīng)力之間的關(guān)系，E的值取決于膠帶的性質(zhì)，是與膠帶材料有關(guān)的比例常數(shù)。

設(shè)定膠帶的抗拉強度為K（單位：N/m），膠帶帶寬為B（單位：m），轉(zhuǎn)彎半徑為R（轉(zhuǎn)彎半徑為膠帶的內(nèi)側(cè)半徑，單位：m），膠帶彈性模量為E（單位：N/m），膠帶在最大抗拉強度K下的伸長率為φ，取分析單元的弧度為θ，則有如下公式

解得

當(dāng)R＞B/φ時，膠帶內(nèi)部拉緊力線性分布在整個膠帶內(nèi)如圖1(b)，中心層位于在半徑為R0處，且有

解得

此時膠帶所傳遞的拉力F為

解得

整理得

可以看出，當(dāng)R越大時，越趨近于1，F(xiàn)的值越大。當(dāng)R趨近于無限大時

當(dāng)R=B/φ時，膠帶內(nèi)側(cè)邊緣的拉力為0，伸長率為0，R0=R，則膠帶所能傳遞的拉力F為

解得

若在已知膠帶帶寬，彈性模量E，膠帶所承受的最大拉力F的前提下，此種工況的轉(zhuǎn)彎半徑R為

當(dāng)R＜B/φ時，膠帶內(nèi)側(cè)出現(xiàn)褶皺，距離內(nèi)側(cè)膠帶邊緣b 處出現(xiàn)中性層，此位置拉力為0，伸長率為0，則有

解得

若已知膠帶參數(shù)與轉(zhuǎn)彎半徑，則膠帶承受的拉力F為

其中，R0=R+b

解得

將b代入得

若已知拉力F與膠帶參數(shù)，則最大轉(zhuǎn)彎半徑為

上述的理論分析是基于平面膠帶，在實際中，下回程膠帶常為平皮帶，上部承載皮帶往往帶有一定的槽角β，如圖2 所示，這時，需要將皮帶分段考慮計算，同樣利用上述計算結(jié)果進行疊加，這里不再詳細(xì)描述。

平皮帶的強度校核可作為槽型膠帶校核的估算，若平皮帶校核可滿足帶強和轉(zhuǎn)彎半徑的需求，則帶有槽角的皮帶一定也滿足其要求，這是因為，膠帶折成一定的槽角后，原本膠帶內(nèi)應(yīng)力的分布變得更加平均，如圖2 中區(qū)間Ⅲ比區(qū)間Ⅱ中應(yīng)力的分布更加的平緩，同樣的長度可以承受更大的拉力。如果槽角增加到90°，那么膠帶成為豎直狀態(tài)，此時轉(zhuǎn)彎處膠帶的強度校核就與直線膠帶相同，然后90°垂直膠帶不具備承載物料的能力，并不具備工程意義。

圖2 槽型膠帶應(yīng)力分布

2.2 保證膠帶的平穩(wěn)運行

膠帶應(yīng)滿足力的平衡條件，不會脫離托輥組。在上述的分析中，我們得出了已知膠帶轉(zhuǎn)彎時拉力的分布情況，通過計算得出膠帶參數(shù)和轉(zhuǎn)彎半徑，從而選擇合適帶強的膠帶。在轉(zhuǎn)彎處，除了帶強滿足要求，同時還要滿足膠帶在托輥上能夠平穩(wěn)運行，即膠帶不僅不會出現(xiàn)撕裂，也不會脫出托輥組。由圖1 可了解到，轉(zhuǎn)彎處膠帶兩側(cè)拉力的合力，將使得膠帶承受一個指向轉(zhuǎn)彎弧段中心的合力，該合力可以使得膠帶向弧段中心移動，為了抵抗該作用力，普遍使用抬高內(nèi)曲線的方式，防止膠帶脫出，如圖3 所示。

圖3 轉(zhuǎn)彎段托輥內(nèi)曲線抬高

外側(cè)膠帶應(yīng)不會翻帶。在轉(zhuǎn)彎段由于膠帶的外側(cè)拉力較大，且膠帶本身就立起來一定的角度，當(dāng)拉力與傾角達(dá)到一定值得時候，有可能出現(xiàn)翻帶現(xiàn)象，因此，在較為小的轉(zhuǎn)彎半徑和較大的拉力工況下，都會采用一些輔助措施，例如增加擋輥來保證膠帶不會翻帶。

2.3 物料運輸穩(wěn)定不撒料

轉(zhuǎn)彎處松邊垂度不能過大，避免撒料。由之前的分析可知，轉(zhuǎn)彎處膠帶內(nèi)曲線拉力變小甚至?xí)霈F(xiàn)褶皺，可能會導(dǎo)致內(nèi)側(cè)膠帶垂度過大，物料從內(nèi)側(cè)灑落，在滿足轉(zhuǎn)彎半徑與帶強的需求前提下，盡量采用圖1(b)所示工況進行轉(zhuǎn)彎，或者采用增密托輥組的方式，避免膠帶垂度過大導(dǎo)致的撒料現(xiàn)象。

內(nèi)曲線抬高會導(dǎo)致膠帶上部可堆積的橫截面積變小，大大降低了輸送量。因此，包含有轉(zhuǎn)彎段時，要適當(dāng)?shù)脑龃竽z帶的帶寬，保證能滿足最大的輸送量。

3 目前國內(nèi)主流設(shè)計

在實際的運行過程中，很難保證上述3 點同時滿足。內(nèi)曲線抬高可以增大抵御膠帶向弧線段中心的力，但是抬高過多又會導(dǎo)致膠帶輸送橫截面積減少，輸送效率降低。同時，由于膠帶張力、輸送量等不斷變化的參數(shù)，需要轉(zhuǎn)彎處的設(shè)計能夠適應(yīng)較為廣泛的工況，所以，目前長距離連續(xù)皮帶機轉(zhuǎn)彎采用主動自適應(yīng)調(diào)偏+強制糾偏相結(jié)合的措施[5～6]，如圖4 所示。通過適當(dāng)抬高內(nèi)曲線可以抵抗部分膠帶向弧段中心運動的力，由內(nèi)側(cè)的擋輥來承擔(dān)剩余的力，外側(cè)設(shè)置擋輥，用力防止外側(cè)膠帶翻帶。

圖4 自適應(yīng)調(diào)偏+強制糾偏托輥架

這種結(jié)構(gòu)現(xiàn)場調(diào)節(jié)范圍較大，可適應(yīng)多種不同的工況，不需要進行很精確的受力分析，往往根據(jù)經(jīng)驗在現(xiàn)場進行調(diào)整。在國內(nèi)很多隧道工程中，都是采用這種調(diào)節(jié)方式。

4 國外的皮帶機轉(zhuǎn)彎設(shè)計

上述傳統(tǒng)的調(diào)偏托輥組現(xiàn)場調(diào)試工作量大，需要在運行過程中不斷調(diào)整。國外現(xiàn)在普遍采用圖5 所示的吊掛式轉(zhuǎn)彎托輥[7～8]，這種結(jié)構(gòu)上部支點為鉸接，可以自動調(diào)整工作位置，適應(yīng)不同的工況。這種結(jié)構(gòu)在國內(nèi)還無使用的先例，但是在歐美很受歡迎，在一些項目中，指定要求使用該種結(jié)構(gòu)。

圖5 吊掛式轉(zhuǎn)彎托輥

5 結(jié)論與討論

本文總結(jié)了隧道連續(xù)皮帶機轉(zhuǎn)彎設(shè)計時需要遵循的基本原則和設(shè)計的一些重點，同時，通過對膠帶的受力分析計算，得出了長距離皮帶機轉(zhuǎn)彎時，拉力F與轉(zhuǎn)彎半徑R、膠帶參數(shù)等之間的關(guān)系如下。

該結(jié)論可作為膠帶轉(zhuǎn)彎設(shè)計時受力校核的參考公式。同時，本文最后給出了隧道連續(xù)皮帶機國內(nèi)外的主流設(shè)計，為今后皮帶機轉(zhuǎn)彎設(shè)計作一些參考。