中国水利水电第三工程局有限公司 陕西省西安市 710024
摘要：长大距离平面小转弯半径连续带式输送机可以减少带式输送机的搭接，减少地下洞室扩挖工作量，减少粉尘污染，降低初期投资与运转费用，简化供电系统，节约施工成本及运行维护成本提高经济效益。本文通过对长大距离平面小转弯半径连续带式输送机的模拟摩擦系数、输送带张力分析、驱动装置力的分析等进行综合理论计算，计算结果与实际运行参数进行分析对比，对实现平面小转弯半径连续皮带机出渣的关键技术进行了浅析。
关键词：小转弯半径；连续皮带机；出渣；关键技术
引言
新疆YE供水二期输水（代号GS）工程KS段Ⅱ标位于阿勒泰地区福海县境内，合同主体为隧洞工程，全长23.34km，包含TBM开挖掘进段20.69km，钻爆法开挖段2.5km。主洞采用1台由铁建重工生产制造的TBM施工，隧洞开挖直径7.03m，综合坡度为1/2583，隧洞整体埋深103～310m。为TBM开挖出渣配套两条带式输送机：固定带式输送机和连续带式输送机。其中固定带式输送机全长1959m，在隧洞进口外侧有一段长度181m，坡度12.3%的爬坡，提升高度23.28m。在桩号0+134.132至0+407.394，有一段转弯半径500m，弧长273.262m，角度31.310°的转弯段。连续带式输送机在桩号3+619.878至4+121.964，有一段转弯半径1000m，弧长502.086m，角度28.767°的转弯段。
1固定带式输送机设计理论计算
本次计算采用德国工业标准DIN22101-2002《输送散状物料的带式输送机计算及设计基础》及GB50431—2008《带式输送机工程设计规范》中的设计、计算方法。根据规范标准带式输送机各工况下的运行总阻力计算应包括：主要阻力。带式输送机在运行过程中主要工况包括：满载稳定运行、满载启制动、空载稳定运行、空载启动、满载自由停机、空载自由停机等几种情况。在根据规范中对带式输送机进行逐点张力计算时，还要注意带式输送机除了以上各阻力外，在启制动过程中还存在惯性力，该惯性力是由物料及胶带加速度引起的。固定带式输送机基本参数如下：为了方便与实际工况实测参数对比，根据平面小转弯半径连续带式输送机的平面布置，固定段带式输送机L1=1778m，L2=181m，角度
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2=7.33°，带宽914mm，带速2.4m/s，提升高度23.28m，水平转弯半径R=500m，承载分支托辊单个重7.6kg，布置间距2.25m，回程分支托辊单个重15.9kg，布置间距4.57m，曲线段承载分支托辊单个重7.6kg，布置间距2.25m，回程分支托辊单个重14.4kg，布置间距2.25m，曲线段长度L曲=273m。由于洞室直线段的坡比为1/2583，故角度
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1=0.022°，cos
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1=0.999≈1，可忽略不计，在此处直线段带式输送机以近似平坡计算。现场计时实测TBM开挖掘进参数为从刀盘接触掌子面掘进出渣开始计时，15min后TBM掘进0.86m，25min后TBM掘进1.5m，33min后TBM掘进一个循环1.8m，TBM开挖掘进速度基本控制在55mm/min。即TBM开挖掘进速度3.27m/h，石方出渣量为126.84m3/h。根据招标文件中的地质资料岩石的密度一般为2.5t/m3～2.8t/m3，因此TBM当时工况下的开挖出渣重量为：G=ρ×V=126.84m3×2.8t/m3=355.15t/h传动滚筒传递到输送带上的圆周力FTr与运行阻力FW相等即
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式中：FH——主要阻力，单位为N；FN——附加阻力，单位为N；FSt——提升阻力，单位为N；FS——特种阻力，单位为N。根据运行阻力的分段构成与分段计算。
2连续带式输送机设计理论计算
连续带式输送机基本参数如下：为了方便与实际工况实测参数对比，根据连续带式输送机的平面布置，实测参数时连续带式输送机L3=4002m，带宽914mm，带速2.4m/s，提升高度7m，水平转弯半径R=1000m，平均倾角
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2=0.1°，承载分支托辊单个重7.6kg，布置间距2.25m，回程分支托辊单个重15.9kg，布置间距4.57m，曲线段承载分支托辊单个重7.6kg，布置间距2.25m，回程分支托辊单个重14.4kg，布置间距2.25m，曲线段长度L曲=402m。现场计时实测TBM开挖掘进参数为从刀盘接触掌子面掘进出渣开始计时，15min后TBM掘进0.86m，25min后TBM掘进1.5m，33min后TBM掘进一个循环1.8m，TBM开挖掘进速度基本控制在55mm/min。即TBM开挖掘进速度3.27m/h，石方出渣量为126.84m3/h。根据招标文件中的地质资料岩石的密度一般为2.5t/m3～2.8t/m3，因此TBM当时工况下的开挖出渣重量为：G=ρ×V=126.84m3×2.8t/m3=355.15t/h传动滚筒传递到输送带上的圆周力FTr与运行阻力FW相等即
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式中：FH——主要阻力，单位为N；FN——附加阻力，单位为N；FSt——提升阻力，单位为N；FS——特种阻力，单位为N。
3实际运行参数
在2018年1月17日及2019年2月20日，小半径转弯连续带式输送机初运行及运行一年后两次对其运行参数观察实测并采集记录。实测方法是选取TBM开挖掘进稳定的时间段，在保证出渣量稳定且不会中途停机的情况下，保证带式输送机均布载荷及稳定运行。通过调取带式输送机驱动电机变频器中的功率参数，获得带式输送机实际运行工况的输出功率、输出带速等数值。2018年1月17日，小半径平面转弯连续带式输送机运行初期，TBM掘进参数为：掘进速度45mm/min，贯入度平均7.8mm/r，刀盘转速5.5r/min，刀盘推进力8000kN。获得带式输送机实际运行工况的输出功率、输出带速等数值如下（建议删除）。
连续带式输送机的理论计算功率与实测功率，在满载及空载的工况下，均相差不大，说明理论计算方法是无误的。但是固定带式输送机的理论计算功率与实测功率，满载及空载的工况下相差值很大且相近。说明在小半径转弯带式输送机的理论计算上，输送带的向心力将输送带压向曲线中心一侧，该向心力将输送带在托辊上的压辊阻力和托辊的滚动阻力放大，以及挡边辊的旋转阻力，致使该段运行阻力与整段带式输送机的运行阻力相当。
根据实测数据不难发现，固定带式输送机在运行时，驱动装置的驱动力是不断变化的，开机运行初期运行阻力较大，主要与输送带空载在向心力作用下，输送带在托辊上的压辊阻力和托辊的滚动阻力放大，以及挡边辊的旋转阻力较大。运行半小时稳定后，驱动装置的驱动功率减少21kW，即圆周驱动力减少8750N，主要与输送带空载在离心力作用下以及托辊自动调整接触面稳定后减少了部分运行阻力。输送带带载后，离心力大于向心力，将转弯段渣料输送整体运行偏向外侧，离心力将输送带在托辊上的压辊阻力和托辊的滚动阻力放大。因此，固定带式输送机运行阻力主要受转弯段托辊组的不断调整、离心力与向心力综合作用及侧立挡边辊的压力变化有关。（这是实测数据对比结论）
4理论分析证明实例
固定段带式输送机联机调试期间，驱动滚筒持续打滑，驱动装置无法提供足够的圆周力启动输送机。即使调节固定尾端液压油缸张紧力至最大，驱动滚筒仍打滑，无法运行。带式输送机设备厂商在设计计算时，使用常规理论计算方法获得带式输送机运行满载时最大功率为210kW，单台驱动电机（额定功率350kW）足以满足运行要求，但在实际调试运行时，单台驱动电机空载时滚筒摩擦力提供的圆周力不足以驱动带式输送机运行。将单台驱动电机增加至两台电机同时驱动后，固定段带式输送机稳定运行。因此在设计小半径转弯带式输送机时，必须认真考虑小半径转弯带式输送机运行的各种工况，转弯段的各种受力情况，以及长时间运行后转弯段托辊及侧立挡边辊因缺少油脂润滑而摩擦力增大的环境因素。不同时间段，带式输送机的运行阻力变化主要为托辊组的长时间运行，摩擦力增大的原因。
结语
通过对平面小转弯半径连续带式输送机的稳定工况运行阻力和功率消耗的理论分析与实际运行数据做对比，得出了小转弯半径连续带式输送机的运行阻力与功率消耗比理论计算值偏大，以及分析了比理论计算值偏大的原因。在设计小半径转弯带式输送机时，必须认真考虑小半径转弯带式输送机运行的各种工况，转弯段的各种受力情况，以及长时间运行后转弯段托辊及侧立挡边辊因缺少油脂润滑而摩擦力增大的环境因素。不同时间段，带式输送机的运行阻力变化主要为托辊组的长时间运行，摩擦力增大的原因。
参考文献：
[1]DIN22101-ICS53.040.10-2002.8德国工业标准.连续搬运设备.输送散状物料的带式输送机计算机设计基础.
[2]GB50431—2008《带式输送机工程设计规范》.