(青島華夏橡膠工業(yè)有限公司，山東 青島 266228)

隧道工程連續(xù)帶式輸送機節(jié)能設(shè)計及應(yīng)用

李明霞陳霖

(青島華夏橡膠工業(yè)有限公司，山東 青島 266228)

連續(xù)帶式輸送機是隧道工程出渣系統(tǒng)中重要的運渣、排渣設(shè)備，影響著整個系統(tǒng)的運行效率和成本。其中輸送帶是帶式輸送機最關(guān)鍵的部件。本文對傳統(tǒng)輸送帶的關(guān)鍵參數(shù)主要阻力進行理論分析，給出降低主要阻力的解決方法。針對傳統(tǒng)輸送帶的結(jié)構(gòu)和材料進行改進，得到一種新型節(jié)能HHE輸送帶。該新型輸送帶技術(shù)已成功應(yīng)用于實際項目中。

連續(xù)帶式輸送機；HHE輸送帶；壓陷阻力；節(jié)能設(shè)計

1 引 言

連續(xù)帶式輸送機是全斷面硬巖掘進機TBM施工的重要出渣設(shè)備，具有輸送距離長、連續(xù)作業(yè)等優(yōu)點，已在國內(nèi)外的鐵路、地鐵、水利等全斷面硬巖掘進機施工現(xiàn)場得到廣泛應(yīng)用。在歐美國家，接近80%的隧道采用連續(xù)帶式輸送機出渣[1-2]，而隨著中國經(jīng)濟的發(fā)展，對連續(xù)帶式輸送機的工程需求不斷增大。連續(xù)帶式輸送機從應(yīng)用的角度看，有必要進一步研究開發(fā)降低設(shè)備成本、減少能量消耗的連續(xù)帶式輸送機系統(tǒng)。目前國內(nèi)外針對煤礦用帶式輸送機主要采用節(jié)能控制技術(shù)來降低能耗[3-4]。

輸送帶作為連續(xù)帶式輸送機的核心關(guān)鍵部件，是完成出渣工作的必不可少的部分，同時對帶式輸送機系統(tǒng)整體的成本與耗能具有較大的影響，因此，開展新型輸送帶結(jié)構(gòu)設(shè)計并采取一定的節(jié)能措施，對于降低連續(xù)帶式輸送機的成本與能耗具有重要的研究意義。

本文針對TBM連續(xù)帶式輸送機，分析其能耗特點及耗能影響因素，通過與傳統(tǒng)輸送帶對比，設(shè)計HHE輕型高強力鋼絲繩芯輸送帶，對HHE輸送帶的性能進行理論分析和測試研究，分析HHE輸送帶的節(jié)能效果和特點，最后分別以兩個隧道連續(xù)帶式輸送機的設(shè)計案例，驗證該輸送帶的節(jié)能效果。

2 連續(xù)帶式輸送機特點及節(jié)能設(shè)計的途徑分析

隧道工程連續(xù)帶式輸送機與其他場合用帶式輸送機相比，其特點主要體現(xiàn)在隨工作面的推進延伸，延伸的過程不停機，在延伸過程中進行中間架和托輥組的安裝、輸送距離長、布置空間小、輸送帶寬度小、儲帶長度大、物料輸送量較小，導(dǎo)致物料單位長度質(zhì)量與輸送帶單位長度比較小等。

帶式輸送機的設(shè)計計算通常采用ISO5048、DIN22101、GB 50431—2008以及CEMA計算方法[5-9]。DIN22101將帶式輸送機的運行阻力劃分為主要阻力、附加阻力、特種阻力和提升阻力等4種。其中后3種阻力取決于帶式輸送機的結(jié)構(gòu)與功能設(shè)計，以及線路布置情況。附加阻力和特種阻力在總阻力中所占比例較小。主要阻力中輸送帶的壓陷阻力占60%～70%。

主要阻力可按式(1)計算：

FH=fL[qRO+qRU+(2qB+qG)cosδ]g

(1)

式中FH—— 主要阻力，N；

f——模擬摩擦系數(shù)；

L——帶式輸送機長度(頭尾滾筒的中心距)，m；

qRO——帶式輸送機承載分支每米機長托輥旋轉(zhuǎn)部分質(zhì)量，kg/m；

qRU——帶式輸送機回程分支每米機長托輥旋轉(zhuǎn)部分質(zhì)量，kg/m；

qB——每米輸送帶的質(zhì)量，kg/m；

qG——輸送帶上每米物料的質(zhì)量，kg/m；

g——重力加速度，9.81m/s2；

δ——輸送傾角。

長距離水平重載帶式輸送機(長度1000m)的各部分阻力的比例關(guān)系[4]已經(jīng)研究確定。根據(jù)隧道工程用連續(xù)帶式輸送機的特點，連續(xù)帶式輸送機的節(jié)能途徑主要有：

a. 改善輸送帶覆蓋橡膠的配方，降低輸送帶的壓陷阻力。

b. 降低輸送帶的單位長度質(zhì)量，以減小由輸送帶運動所產(chǎn)生的阻力(見圖1)。

圖1 帶式輸送機阻力的構(gòu)成

3 連續(xù)帶式輸送機用HHE鋼繩芯輸送帶的開發(fā)

3.1 HHE鋼繩芯輸送帶的設(shè)計

針對隧道工程連續(xù)帶式輸送機的特點和節(jié)能途徑，開發(fā)了連續(xù)帶式輸送機用HHE鋼繩芯輸送帶，相對于傳統(tǒng)的鋼絲繩芯輸送帶，參考ISO-15236-1-2005[10]在以下方面進行了改進設(shè)計：

a. HHE鋼繩芯帶使用低壓陷阻力覆蓋膠，降低壓陷阻力：在覆蓋膠層設(shè)計中，采用低滯損失的彈性體作為主膠，低滯后損失的高分散性白炭黑和炭黑、橡膠/層狀硅酸鹽納米復(fù)合材料等作為補強材料，降低覆蓋層的壓陷阻力(發(fā)明專利ZL 2014 1 0245492.0)。

b. 采用高強度、小直徑的鋼絲繩，降低輸送帶的單位長度質(zhì)量：HHE鋼絲繩芯輸送帶通過鋼絲繩排布結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計，降低輸送帶單位長度質(zhì)量。

c. 采用高耐磨性的輸送帶覆蓋層降低覆蓋層厚度：HHE使用超高耐磨覆蓋膠，比傳統(tǒng)ST磨耗性能提高70%。

表1為HHE1600和傳統(tǒng)ST1600設(shè)計參數(shù)對比，圖2為HHE和傳統(tǒng)ST輸送帶斷面對比。

表1 HHE1600和傳統(tǒng)ST1600設(shè)計參數(shù)對比(帶寬1000mm)

圖2 HHE和傳統(tǒng)ST輸送帶斷面

3.2 HHE鋼繩芯輸送帶的測試與分析

a. 覆蓋層損耗因子的對比測試。常用的壓陷滾動阻力模型是由JONKERS[11]提出的。其計算式是JONKERS用水平力推導(dǎo)的，滾動壓陷阻力Fj為

(2)

式中Fj——壓陷滾動阻力，N/mm；

W——輸送帶和物料產(chǎn)生的單位寬度垂直載荷,N/mm；

E′——輸送帶覆蓋膠的儲能模量，Pa;

h——輸送帶下覆蓋層厚度,mm；

D——托輥直徑,mm；

δ——輸送帶覆蓋層的損耗角,rad。

以Jonkers模型為基礎(chǔ)，現(xiàn)已開發(fā)使用了更為準確的壓陷模型[12-16]；然而，因為能量損失和動態(tài)的材料特性，Jonkers方程仍然是最常用的模型，說明壓陷滾動阻力與tanδ/E′(1/3)成正比例關(guān)系。

具有黏彈性流變特性輸送帶的結(jié)構(gòu)參數(shù)隨溫度、加載頻率等參數(shù)改變，圖3為使用動態(tài)力學(xué)分析機(DMT)測試的覆蓋層的損耗因子tanδ。圖3中，1號為HHE低壓陷阻力覆蓋膠；2號為低滾動阻力胎面膠；3號為普通覆蓋膠，表2為損耗因子tanδ的測試結(jié)果?？梢?，HHE低壓陷阻力覆蓋膠層損耗因子tanδ比普通覆蓋膠下降25.45%。

圖3 不同覆蓋膠滯后損失測試結(jié)果

表2 損耗因子tanδ的測試結(jié)果

b. 輸送帶壓陷變形的計算機模擬[17]。利用有限元分析軟件ANSYS對托輥在輸送帶上滾動過程進行計算機仿真，如圖4和圖5所示。確定了托輥在輸送帶上的壓陷深度和堆膠厚度?？梢缘贸觯篐HE 型輸送帶壓陷深度1.1595mm，由此所引起的堆膠高度0.95388mm；ST型輸送帶壓陷深度2.6675mm，由此所引起的堆膠高度2.1263mm。由此可以看出，輸送帶在相同的輸送速度下，HHE型輸送帶的堆膠高度，要明顯小于ST型輸送帶的堆膠高度。HHE型輸送帶厚度越小，變形越小，阻力系數(shù)也越小。

圖4 ST型壓陷阻力變形量仿真分析

圖5 HHE型壓陷阻力變形量仿真分析

c. 壓陷阻力的測試對比。對HHE與ST壓陷阻力進行對比試驗研究，設(shè)計了壓陷阻力試驗架，并采用實驗室伺服控制拉力試驗機對數(shù)據(jù)進行自動記錄。 圖6為壓陷阻力試驗臺的設(shè)計原理，圖7為進行壓陷阻力的測試過程。圖8為HHE和傳統(tǒng)ST輸送帶的測試結(jié)果。

圖6 壓陷阻力試驗臺設(shè)計1-拉力試驗機； 2-試驗臺；3-改向滑輪；4-拉力傳感器

圖7 壓陷阻力測試

圖8 HHE和ST輸送帶壓陷阻力測試曲線

通過對比ST1600與HHE1600輸送帶試樣從靜止到移動的瞬時值，可以得到HHE1600試樣的瞬時值為21.8N， ST1600試樣的瞬時值為26.7N，對比此結(jié)果，能夠得到，在同一輸送系統(tǒng)中，采用HHE型輸送帶將比采用ST型輸送帶，可以降低18%耗能。

通過對比ST1600與HHE1600輸送帶試樣單托輥壓陷阻力的值，可以看出HHE1600試樣的單托輥壓陷阻力值為10.5N，而ST1600試樣的單托輥壓陷阻力值為13.5N，對比此結(jié)果，可以得到，在同一輸送系統(tǒng)中，采用HHE型輸送帶將比采用ST型輸送帶，降低22.2%的阻力。

綜合上述兩條試驗結(jié)論，在空載狀態(tài)下，采用HHE型輸送帶比ST型輸送帶整體降低20.1%的能耗。

d. 輸送帶的成槽性測試。按照標準方法[18]對 HHE輸送帶和傳統(tǒng)鋼絲繩芯輸送帶進行測試。HHE1600成槽度可達到0.38，并且自由成槽，側(cè)托輥槽角度可達70°，而傳統(tǒng)ST輸送帶成槽度僅為0.25，側(cè)托輥槽角度為55°。

成槽度決定了輸送機帶側(cè)托輥槽形最大角度的選擇，側(cè)托輥槽形角度增大，輸送機的輸送能力增大，轉(zhuǎn)彎半徑減小。

e. 接頭強度測試。傳統(tǒng)ST1600采用二階接頭方式，接頭強力可達到額定強度的90%以上；而HHE采用15級以上的鋼絲繩布置方式(專利申請?zhí)枺?016 2 0914909.2、2016 1 0703467.1)，接頭強度可達到額定強度的95%以上，從檢測后斷面分析，鋼絲繩并不是從接頭處抽出，而是拉斷。圖9為接頭強度測試。

圖9 接頭強度測試

3.3 采用HHE鋼繩芯輸送帶的連續(xù)帶式輸送機系統(tǒng)的技術(shù)優(yōu)勢

a. HHE鋼繩芯輸送帶降低了輸送機運行過程的壓陷阻力和輸送帶質(zhì)量，具有明顯的節(jié)能效果。

b. 提高單卷長度，減少接頭停機接頭次數(shù)，提高整機運行效率。

c. 提高接頭強度，增加了輸送帶的安全性，提高輸送帶使用壽命。

d. 提高了輸送帶縱向柔性，輸送帶厚度降低和鋼絲繩直徑減小，減小帶式輸送機的滾筒直徑。不僅降低了設(shè)備的投資，還可以降低對布置空間的要求。

4 HHE型輸送帶節(jié)能應(yīng)用案例

以下通過兩個隧道連續(xù)帶式輸送機的設(shè)計應(yīng)用實例，對HHE節(jié)能輸送帶的選用及節(jié)能效果進行對比分析。

4.1 山西中部引黃水利工程

山西中部引黃水利工程連續(xù)帶式輸送機參數(shù)：帶寬650mm；機長16000m；最小轉(zhuǎn)彎半徑800m；帶速2.8m/s；提升高度200m。與傳統(tǒng)輸送帶相比，節(jié)能輸送系統(tǒng)設(shè)計結(jié)果對比見表3。

表3 山西中部引黃水利工程節(jié)能輸送系統(tǒng)設(shè)計結(jié)果對比

4.2 蘭州新水源地隧洞工程

蘭州新水源地隧洞工程的連續(xù)帶式輸送機參數(shù)為：帶寬710mm；機長14000m；最小轉(zhuǎn)彎半徑500m；帶速3.15m/s；提升高度80m。與傳統(tǒng)輸送帶相比，節(jié)能輸送系統(tǒng)設(shè)計結(jié)果對比見表4。

表4 蘭州新水源地隧洞工程節(jié)能輸送系統(tǒng)設(shè)計結(jié)果對比

從上述案例中可見，不同的輸送帶類型，對帶式輸送機的功率消耗和輸送帶的強度有較大影響，采用HHE輸送帶可降低電動機功率20%以上(如考慮壓陷阻力減小的因素，其節(jié)能效果會更大)。同時，降低了所選型驅(qū)動單元(電動機、減速機、控制器等)的規(guī)格，節(jié)省了投資。

5 結(jié) 論

輸送帶作為連續(xù)皮帶機的核心關(guān)鍵部件，通過分析輸送帶的能耗特點和耗能因素，實現(xiàn)輸送帶關(guān)鍵參數(shù)的節(jié)能設(shè)計，針對連續(xù)帶式輸送機的技術(shù)需求，成功開發(fā)出HHE輸送帶，實現(xiàn)了設(shè)備投資成本和運行維護費用降低，節(jié)約電耗20%以上。通過山西中部引黃水利工程和蘭州新水源地隧洞工程的實際應(yīng)用，表明新型HHE型輸送帶可降低電機功率20%以上。

[1] 曹曉平，宋文學(xué)，李偉偉. TBM施工連續(xù)皮帶機出渣關(guān)鍵技術(shù)[J]. 水利水電施工, 2014(5): 38-42.

[2] 杜彥良，杜立杰. 全斷面巖石隧道掘進機——系統(tǒng)原理與集成設(shè)計[M]. 武漢：華中科技大學(xué)出版社, 2011: 215-231.

[3] H. Lauhoff. Speed control and energy saving of belt conveyor[J]. Bulk Solids Handling, 2005, 25(6): 368-77.

[4] M. Hager, A. Hintz. The Energy-Saving Design of Belts for Long Conveyor Systems[J]. Bulk Solids Handling, 1993, 13(4): 749-758.

[5] DIN 22101—2011 Continuous conveyor——Belt conveyors for loose bulk materials——Basis for calculation and dimensioning[S]. Berlin: Beuth Verlag, 2011.

[6] ISO 5048—1989 Continuous mechanical handling equipment—Belt conveyors with carrying idlers — Calculation of operating power and tensile forces[S]. Geneva: International Organization for Standardization, 2000.

[7] 中國煤炭建設(shè)協(xié)會. GB 50431—2008帶式輸送機工程設(shè)計規(guī)范[S]. 北京: 中國計劃出版社，2008.

[8] CEMA. Belt Conveyors for Bulk Materials(Seventh Edition)[M]. Florida: The Conveyor Manufacturers Assciation, 2014.

[9] 宋偉剛. 通用帶式輸送機設(shè)計[M]. 北京： 機械工業(yè)出版社, 2006.

[10] ISO 15236-1:2005 Steel cord conveyor belts-Part 1: Design, dimensions and mechanical requirements for conveyor belts for general use[S]. Geneva: International Organization for Standardization, 2005.

[11] JONKERS C. O. The indentation rolling resistance of belt conveyors: A theoretical approach[J]. F?rdern und Heben, 1980, 30(4)：312-317.

[12] SPAANS C. The Calculation of the Main Resistance of Belt Conveyors[J]. Bulk Solids Handling, 1991, 11(4): 809-826.

[13] LODEWIJKS G. The rolling resistance of conveyor belts[J]. Bulk Solids Handling, 1995,15(1)：15-22.

[14] RUDOLPHI T, REICKS A. Viscoelastic Indentation and Resistance to Motion of Conveyor Belts using a Generalized Maxwell Model of the Backing Material[J]. Rubber Chemistry and Technology, 2006, 79(2): 307-319.

[15] QIU X., CHAI C. Estimation of Energy Loss in Conveyor Systems due to Idler Indentation[J]. J. Energy Eng, 2011(137): 36-43.

[16] WHEELER C. Analysis of the Main Resistances of Belt Conveyors[D]. Newcastle: University of Newcastle, 2003.

[17] 陳霖，馬培瑜，李利，等. 新型鋼絲繩芯輸送帶(HHE)壓陷變形的有限元分析[J]. 露天開采技術(shù), 2014(11): 84-87.

[18] GB/T 7983-2013輸送帶橫向柔性(成槽性) 試驗方法[S]. 北京：中國標準出版社， 2013.

Energysavingdesignandapplicationofcontinuousbeltconveyorfortunnelproject

LI Mingxia, CHEN Lin

(QingdaoHuaxiaRubberIndustryCo.,Ltd.,Qingdao266228,China)

Continuous belt conveyor is important slag transportation and slag discharge equipment in the slag output system of tunnel engineering, which affects the operation efficiency and cost of the whole system. Wherein, the conveyor belt is the most critical component of belt conveyors. In the paper, main resistance of key parameters in traditional conveyor belts is analyzed theoretically. The solution to reduce the main resistance is given. The structure and material of traditional conveyor belts are improved to obtain a novel energy-saving HHE conveyor belt. The novel conveyor belt technology has been successfully applied in practical projects.

continuous belt conveyor; HHE conveyor belt; sag resistance; energy-saving design

10.16616/j.cnki.11- 4446/TV.2017.011.003

TV222

B

1005-4774(2017)011-0011-06