高海拔地區長距離下運曲線帶式輸送機設計

張海軍，付永高

四川省自貢運輸機械集團股份有限公司 四川自貢 643000

西 藏巨龍銅業公司西藏知不拉銅礦位于西藏墨竹工卡縣和達孜縣交界處，距離拉薩市 70 km，處于岡底斯山脈與念青唐古拉山脈結合部位，平均海拔在 5 000 m 以上，地勢險峻，切割強烈，環境非常惡劣，空氣密度及氣壓低、氣溫低、晝夜溫差大、年降水量較少，但暴雨較多，大風日多，濕度低，太陽輻射強，且具有較長的凍土期[1]。將 260萬t/a 銅礦石從采礦區經破碎站運輸到選礦廠是礦區建設的關鍵工程之一。礦山破碎站距離選礦廠水平距離約 11.5 km，公路全長約 17 km，垂直下運高度達 560 m。采用汽車運輸，按照每輛車運輸 50 t 計算，每天8 000 t 的輸送量需要 160 車次的汽車運輸，按照當地1.5 元/(t·km) 的運費計算，年運費需要 6 630萬元；采用汽車運輸還存在噪聲大、粉塵污染嚴重等問題，而且對原本脆弱的植被造成損害；暴雨季節時，道路沖毀嚴重，道路維護成本也大大增加。

采用帶式輸送機運輸，沿路沒有粉塵污染，對道路依賴也大大減少；而且在大的下運高度下，可將銅礦石的勢能轉為電能反饋回電網。因此，采用帶式輸送機運輸是此項目最佳的運輸方案。

1 輸送方案分析

1.1 輸送方案

根據前期的可行性研究，帶式輸送機系統的原始參數為：輸送物料為銅礦石，塊度≤ 300 mm，松散密度為 2.11 t/m3，額定輸送量為 800 t/h。最初設計院推薦了 2 種運輸方案。

（1) 方案 1 1 條長距離曲線帶式輸送機，起點標高 5 010 m，終點標高 4 445 m，水平長度 11 386 m，提升高度 -565 m，如圖 1 所示。

圖1 方案 1 帶式輸送機立面布置示意Fig.1 Layout of vertical plane of belt conveyor in scheme 1

（2) 方案 2 2 條帶式輸送機搭接，中間設轉運站，轉載點標高 4 390 m。其中 1 號帶式輸送機是一條曲線帶式輸送機，起點標高 5 010 m，終點標高 4 395 m，水平長度 7 486 m，提升高度 -615 m；2 號帶式輸送機是一條長距離直線帶式輸送機，起點標高 4 390 m，終點標高 4 445 m，水平長度 3 984 m，提升高度55 m。1、2 號帶式輸送機總長度 11 507 m，立面布置如圖 2 所示。

圖2 方案 2 帶式輸送機立面布置示意Fig.2 Layout of vertical plane of belt conveyor in scheme 2

根據輸送系統基本參數和線路布置，通過帶式輸送機設計計算軟件分析后，給出了 2 種方案的技術參數對比，如表 1 所列。

表1 2 種方案帶式輸送機技術參數對比Tab.1 Comparison of two schemes in parameters of belt conveyor

1.2 2 種方案優缺點對比

1.2.1 方案 1

（1) 優點 由于沒有經過中間轉載帶式輸送機，緊急停機時物料不會堆積；只需要一種規格的輸送帶，輸送帶備品占用庫存小。

（2) 缺點 帶式輸送機從尾部開始長達 8 990 m的下運距離，下運高度 -719 m，后半段 2 396 m 整體上運，上運高度 154 m，輸送線路和運行工況復雜，存在全程空載和滿載、下運段有料和上運段無料、下運段無料和上運段有料等工況；在不同的工況下各個水平轉彎點的輸送帶張力變化大，輸送帶在托輥上的橫向移動范圍大，需進一步抬高內側安裝角度和托輥槽角；輸送帶為 ST4000，帶寬只有 1 000 mm，輸送帶的成槽性難以保證；帶式輸送機隧道比方案 2 長約200 m，土建工程費用相對較高。

1.2.2 方案 2

（1) 優點 1 號曲線帶式輸送機全線下運，2 號帶式輸送機直線布置，輸送線路和運行工況相對簡單；1 號帶式輸送機尾部雙滾筒驅動，2 號帶式輸送機頭部雙滾筒驅動，控制相對簡單；帶式輸送機隧道比方案 1 短約 200 m，土建工程費用相對較低。

（2) 缺點 由于存在中間轉載環節，1、2 號帶式輸送機需要連鎖控制，且需采取措施以防止轉載處物料堆積。

綜合以上分析，最終業主決定采用方案 2，即 2條帶式輸送機方案，中間設轉載站，在中間轉載站內設置一個容量為 50 t 的緩沖倉，緩沖倉下設置 1 臺給料機。

2 帶式輸送機的關鍵技術

2.1 空間轉彎帶式輸送機的托輥布置結構

在高原低溫環境下，高強度鋼絲繩芯輸送帶的成槽性差，成槽困難，而且橡膠與鋼的摩擦因數降低，導致槽型托輥與輸送帶的摩擦因數降低，單純靠摩擦力不能抵抗輸送帶張力在水平轉彎產生的向心力，需要進一步抬高轉彎段托輥內側角[2]，利用輸送帶和物料的重力在抬高面方向的分力來平衡輸送帶的向心力。輸送線路上有 3 個水平轉彎，其中一個水平轉彎轉角 31°，轉彎半徑 2 000 m。為了保證水平轉彎空載時輸送帶不產生過度偏移，滿載時不撒料，以及緊急停機時物料不沖出輸送帶 (1 號帶式輸送機全程下運，帶速較高)，在水平轉彎位置的上帶面布置了5 個托輥組成的 65°深槽角托輥組，抬高 8°的內側角，如圖 3 所示。

圖3 曲線段 5 輥托輥組布置結構Fig.3 Layout of five-idler group in curved segment

2.2 高強度、小帶寬鋼繩芯輸送帶

1 號帶式輸送機曲線段采用 ST3150 (9+7) 高強度輸送帶，為解決頭部低張力區翻帶裝置張力過小問題適當提高了初張力，導致輸送帶的安全系數不到7，不滿足設計規范[3]要求；在高海拔低溫環境下，輸送帶的成槽性差；輸送物料為銅礦石，其塊度大 (300 mm)、磨琢性強。綜合成槽性、使用壽命和節能效果等指標，采用了一種特殊結構的高強度、小直徑、密排布鋼繩芯輸送帶，可達到抗撕裂、耐磨、高強度和質量輕的目的。采用常規的鋼繩芯輸送帶單位長度質量為 41.1 kg/m，輸送帶總質量為 615 t；采用特殊輸送帶單位長度質量為 34.5 kg/m，輸送帶總質量為516 t，輸送帶質量降低 99 t，按帶式輸送機最大加速度 0.3 m/s2計算，將減少慣性力約 300 kN，提高了帶式輸送機啟制動的安全性。

2.3 一體化全封閉通廊結構

由于礦區地處高原，常年大風，太陽輻射強、植被非常脆弱，輸送線路周邊還有村民居住。為保護西藏脆弱的生態環境，避免人為或者動物損壞設備，也為了防止輸送帶因紫外線長時間照射快速老化，同時又要降低設備成本，首次采用了桁架式通廊全程封閉結構設計，如圖 4 所示。托輥直接安裝在桁架窗框上，桁架底部外挑安裝走道，走道外側安裝立桿，在兩側立桿頂部安裝骨架，四周采用檁條連接成整體，最后在四周安裝彩鋼板全密封。這樣的全封閉通廊結構簡潔、安裝方便，降低了結構的總質量。

圖4 全封閉通廊結構Fig.4 Structure of fully-enclosed corridor

2.4 垂直重錘與液壓張緊組合張緊技術

由于輸送系統地處高海拔地區，早晚溫差達到20 ℃，輸送帶因熱脹冷縮，移動距離較大。為了滿足即使在最惡劣工況下輸送帶不發生打皺和撒料情況，張緊力需要配置 300 kN。為了延長輸送帶、滾筒、托輥等部件的使用壽命，采用了垂直重錘與液壓張緊組合張緊技術。垂直重錘與液壓張緊配置的張緊力各為 150 kN。液壓張緊裝置配置了液壓缸、液壓自動絞車、就地控制箱和張力傳感器。張力傳感器檢查鋼絲繩的張力，當張力低于設計范圍時，需要張緊絞車；反之，需要松絞車。

2.5 高海拔環境的下運饋電、制動和控制技術

1 號帶式輸送機的起點標高 5 010 m (驅動所在的標高)，終點標高 4 395 m，水平長度 7 486 m，提升高度 -615 m，當滿載運行時，總饋電量達到 650 kW·h。采用尾部雙滾筒雙驅動，四象限變頻器控制，驅動功率為 2×450 kW。經與世界知名變頻器廠家溝通后，綜合考慮海拔高度、散熱和變頻器的擴容因素后，最終選用 4 160 V 的 S120-630 kW/690V 型變頻器，與450 kW 的 YPTQ450-4 型電動機匹配。

由于下運高差大，慣性力大，在滿載停機過程中既要保證輸送帶的安全系數，又要及時、安全地停機。如果制動器控制不好，會發生飛車等嚴重事故，因此制動器配置尤為重要。滿載緊急停機時，制動力矩需要 320 kN·m，經綜合考慮決定在尾部配置雙盤4 對制動頭，制動盤直徑為 1 800 mm，每個制動盤上配置 2 套制動頭，每個制動盤上的制動力矩為 386 kN·m，按照間隙 2 mm 考慮，每個制動盤上的制動力都能滿足最大制動力矩需求。對正常、故障、緊急停機 3 種工況，制動器的控制方式為：①正常停機時，總停機時間設置為 120 s，當電動機轉速降到 150 r/min 時，制動器柔性制動停機，制動器制動時間約為 15 s；② 故障停機時 (拉繩等保護裝置動作)，總停機時間設置為 15 s，當電動機轉速降到 150 r/min時，制動器立即制動；③緊急停機時 (停電情況)，制動器立即制動。

圖5 建成的帶式輸送機系統Fig.5 Finished belt conveyor system

3 結語

西藏巨龍銅業公司知不拉礦的銅礦石長距離輸送系統從 2016 年 6 月開始研制，到 2017 年 5 月完成安裝并投入重載運行，2018 年 5 月通過用戶驗收。目前系統運行平穩，約 7.5 km 全封閉空間轉彎曲線帶式輸送機實現了饋電發電功能，各項指標達到了設計要求，環保節能。運行 3 a 輸送銅礦石約 600萬 t，相同的輸送量，比采用汽車運輸節約了 4 800萬元，為用戶取得了顯著的經濟效益，可為其他類似條件下曲線帶式輸送機項目提供設計依據。