中国水利水电第三工程局有限公司 陕西省西安市 710024
摘要：近年来，随着TBM掘进机技术的发展，长大距离隧洞开挖对连续带式输送机技术要求不断提高。随着TBM开挖直径不断扩大、带式输送机运量不断增大、地形等限制条件更加苛刻，对带式输送机特别是长大距离平面转弯带式输送机的技术要求更加严格，提高长大距离平面小转弯半径带式输送机的设计制造技术水平成为必然趋势。本文结合平面小转弯半径连续皮带机出渣方式在新疆一引水隧道工程中的应用，对实现平面小转弯半径连续皮带机出渣的结构设计与布置进行了浅析。
关键词：小半径转弯；连续皮带机；出渣；结构设计；布置形式
引言
新疆YE供水二期输水（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转弯处托辊组的原理分析
小半径平面转弯带式输送机这种独特的设计方法和布置结构特点，是经过力学分析总结形成的，其原理如下：（a）抬高托辊组内曲线夹角将上托辊组支架在靠近曲线中心的一端抬高，使得托辊组及其承载输送带与水平面形成一个夹角。原理是通过输送带及其承载渣料的重力的分量产生离心推力来抵消向心力，且更重要的作用是输送带在强大的圆周力驱动下，转弯半径越小，向心分力越大，使得输送带的一侧与托辊摩擦受力加剧，磨损量增大。通过这种调节方式，使输送带与三组托辊更好的贴合，增大输送带受力面积，减少摩擦损耗。（b）托辊组槽角增大转弯处托辊组的槽角由直线段的30°改为40°，虽然带来部分运输能力的损失，但大大增加了小半径平面转弯带式输送机在转弯处的运行过程中的防跑偏能力，降低输送带在运行时的跑偏程度。同时托辊组槽角增大，可以防止渣料运行的过程中在转弯处出现撒料的问题，是转弯段带式输送机自动调节居中的重要措施。（c）托辊组内曲线侧增设侧立压辊在上托辊组内曲线侧增设的侧立压辊来限制转弯处输送带向内侧偏移，强制转弯。在工程实践中，这种措施加速了输送带边缘的磨损，使输送带的寿命大大降低，如果这种结构经常发生作用，带式输送机将失去自由导向转弯的意义，是一种备而不用的措施。
2小转弯半径连续皮带机托辊组结构设计与布置技术研究
2.1驱动形式
小半径平面转弯带式输送机的关键工作是确定驱动装置的形式及位置。如果带式输送机的驱动形式选择不当，在启动和停车时会对输送带产生较大冲击，造成带式输送机故障率升高、输送带寿命降低等不良后果。采用变频调速控制系统的驱动形式，通过整流（交流变直流）、滤波、逆变（直流变交流）等一系列方式改变电源频率，从而实现电机转速的可控变化，具有调速范围宽、精度高等特点，能够提供优越的启动、制动控制性能。变频调速控制系统可以实现交流变频电动机的启动系数在1.05～1.3之间，起动加速度在0～0.05m/s2之间，易于实现起制动速度曲线的自动跟踪及对供用电设备的保护。变频调速控制系统可以提供设备维护检查所需的低速运行状态。
长距离转弯带式输送机的装机长度长，驱动电机功率较大，同时要求具备多机驱动和负载启动等特点，采用变频调速控制系统的驱动形式具有如下优点：（a）良好启动性变频电动机根据输送带载荷的大小合理输出加速度，在不同的负载情况下能保持恒定加速度启动。在满载启动时亦能减小启动加速度，减小对电网的冲击，防止加速度过大致使输送带打滑及损坏张紧设备。（b）较大的启动及制动力矩满载情况下启动要求变频电动机提供较大的扭矩以实现带式输送机的满载启动，变频器控制允许变频电动机在短时间内超过其额定电流运行，输出其1.5倍正常扭矩值的扭矩。而在突发情况满载制动时，可以设置其及时停止转动，防止出现事故。（c）多机驱动采用多机驱动的形式，采用变频调速控制系统可以设置任意一台变频电动机为主机，另一台或多台变频电动机为辅机，辅机的各项参数跟随主机变化，保证各台电动机载荷均匀。通过设置各台电动机的启动时间，使每台电动机能够空载启动，满载启东时能够平均分担载荷，避免个别驱动装置及其部件过载情况发生。（d）速度可控变频调速控制系统具有良好的可控性和较高的传动效率，在带式输送机安装和检修时，带速可以通过修改程序设置控制其运转速度，满足低速安全运行的要求。
2.2启动与制动选择
通过驱动形式及驱动位置的选择得到了最小输送带张力，因此应该限制带式输送机的起动滚筒圆周力FTr，A。尤其对于长距离较大型带式输送机，起动滚筒圆周力形成启动力矩作用在输送带上，启动力矩过大将导致输送带的选型强度增大。同时为了可靠地控制起动过程，FTr，A不得低于一定的最小值。根据设计规范最大的起动滚筒圆周力FTr，A，max，应不超过设计输送机额定载荷范围所确定的力FW的1.7，即起动系数pA≤1.7。对于上运带式输送机，带式输送机的制动要求可通过程序设置为自由停机或变频器控制停机，每台电机均设置机械逆止器，防止带式输送机逆向运行造成不良后果。
2.3绞车自动拉紧装置
连续带式输送机因其输送带长度需要根据TBM向前掘进而延续增加而得名，需要提供复杂的张紧力，运行工况复杂，采用程序控制变频驱动恒转矩电机的方式提供拉紧力。该装置是一种拉紧力根据不同状况自动调节的拉紧装置，优点是可以增加带式输送机启动时的拉紧力，确保启动过程中滚筒不打滑，在带式输送机稳定运行时降低拉紧力，以降低带式输送机稳定运行时的附加功率。该拉紧装置通过钢丝绳卷筒及配套滑轮组（十组滑轮）将绞车的拉力以十倍形式放大作用在储带仓的输送带上，提供可变张紧力，在输送带张力突然变化时，能自动跟随调整减小对输送机其他部件的冲击。该装置与储带仓配合完成输送带的自动延续，是连续带式输送机不可或缺的装置。
结语
通过研究平面小转弯半径连续带式输送机实现平面转弯的措施，及其转弯处的结构与布置形式，获得切实可行的理论与实际运行数据。小半径平面转弯连续带式输送机取消了缓冲器、清扫器、导料槽等磨损件，无物料溢出或堵塞的风险，减少粉尘飞扬和噪声，使系统供电和控制系统更集中，有利于保护环境，取消了中间卸料高度与空间限制，减少不必要的能耗。同时降低施工运行及维护成本，节约了洞室扩挖的成本与工期，运行更加安全便捷。通过对平面小转弯半径连续带式输送机的设计理论分析，获得了其最大出渣运输量与体积输送量的量值，这一量值与TBM设备开挖直径相匹配，也是带宽选择的重要量值。
参考文献：
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