夏 茜

（中國鐵建重工集團股份有限公司，長沙 410100）

0 引言

隨著隧道工程的大力發(fā)展，采用掘進機進行隧道開挖已得到廣泛的推廣應用，伴隨該工法而來的有效出渣問題被更多關(guān)注。掘進機后配套帶式輸送機一般為直線布置，可減小輸送距離，避免跑偏。由于隧道施工工況越來越復雜，小轉(zhuǎn)彎工程逐漸增多，現(xiàn)有技術(shù)遇到瓶頸，尤其是超小轉(zhuǎn)彎時，輸送帶跑偏、撒料等問題的出現(xiàn)，直接影響設備運行，對掘進機施工形成了極大制約[1]。

1 帶式輸送機轉(zhuǎn)彎方式

帶式輸送機的曲線布置一般通過串聯(lián)搭接、強制改向和自然轉(zhuǎn)彎三種方法來實現(xiàn)[2]。

（1）串聯(lián)搭接。由多條直線輸送機頭尾搭接，完成物料輸送，由于掘進機后配套帶式輸送機的安裝空間有限，該方法明顯不適用，且多次搭接增加了故障點。

（2）強制改向。即通過滾筒等轉(zhuǎn)向裝置，讓輸送帶強行沿預設路線運行，但隧道施工路線復雜，掘進過程中可能存在多個不同半徑的轉(zhuǎn)彎，轉(zhuǎn)彎方向也不一致，此時強制改向就不適用了。

（3）自然轉(zhuǎn)彎。讓輸送帶在沒有安裝強制措施的前提下自己能夠轉(zhuǎn)彎，這樣的轉(zhuǎn)彎不局限于固定半徑，可大大減小輸送帶磨損，降低成本和維修費用，因此在目前工程上較受歡迎。

2 平面自然轉(zhuǎn)彎理論計算與影響因素

在未采取任何措施的情況下，轉(zhuǎn)彎段輸送帶單元兩端的張力、托輥阻力以及托輥與輸送帶間橫向摩擦力的合力將充當向心力，輸送帶在此作用下向內(nèi)側(cè)偏移，所以要實現(xiàn)平面轉(zhuǎn)彎，需施加一個力與向心力平衡[3

]。

當存在水平轉(zhuǎn)彎時，應先計算出理論最小轉(zhuǎn)彎半徑，在計算轉(zhuǎn)彎半徑時須分別依照受力平衡條件、側(cè)邊應力條件及側(cè)邊位置條件[4]。

（1）符合受力平衡條件

轉(zhuǎn)彎段輸送帶在向心方向所受合力為零，即輸送帶受力平衡：

式中Sy為轉(zhuǎn)彎段起點處張力；qt為承載托輥旋轉(zhuǎn)部分單位質(zhì)量；qb為輸送帶單位質(zhì)量；ω′為運行阻力系數(shù)；θ為轉(zhuǎn)彎角度；μ1為導來摩擦系數(shù)。

（2）符合側(cè)邊應力條件

轉(zhuǎn)彎段輸送帶的側(cè)邊應力不應超過其許用值：

B為帶寬；Se為輸送帶許用應力；S1為轉(zhuǎn)彎段終點處張力；E0為輸送帶拉伸剛度。

（3）符合側(cè)邊位置條件

轉(zhuǎn)彎段輸送帶外緣不得飄起：

式中Sm為轉(zhuǎn)彎段張力峰值；λ為輸送帶外緣與水平面夾角。

帶式輸送機的理論轉(zhuǎn)彎半徑取上述三種結(jié)果的最大值。

依照平面轉(zhuǎn)彎基本原理，調(diào)整轉(zhuǎn)彎段托輥組以使輸送帶受到抵消向心力的離心推力，可采用以下措施：

（1）改變托輥安裝支撐角。應用托輥組前傾原理，使輸送帶向轉(zhuǎn)彎內(nèi)曲線偏移時，產(chǎn)生向外的導向摩擦力。

（2）增大托輥成槽角。目前掘進機帶式輸送機選用的基本是三托輥形式，槽角一般為30°～ 45°。

（3）增大內(nèi)曲線抬高角。使輸送帶和物料的重力產(chǎn)生離心分力，以平衡由輸送帶張力產(chǎn)生的向心力。

（4）回程輸送帶增設壓輥，以增加托輥給予輸送帶的橫向摩擦力。

（5）輸送帶內(nèi)曲線側(cè)加裝立輥，能夠有效限制輸送帶的跑偏。

3 某工程掘進機后配套帶式輸送機轉(zhuǎn)彎分析

根據(jù)式1，為了減小轉(zhuǎn)彎半徑，可增大導來摩擦系數(shù)μ1。

式中K1、K2、K3為重力分配系數(shù)；μ為托輥與輸送帶之間的橫摩擦系數(shù)。

圖1 中列出了在不同內(nèi)曲線抬高角和成槽角時的導來摩擦系數(shù)值。

圖1 不同內(nèi)曲線抬高角與槽角對應的導來系數(shù)

可以看出，導來系數(shù)基本隨內(nèi)曲線抬高角和槽角的增大而線性增加。針對某掘進機隧道施工項目，后配套帶式輸送機帶寬800 mm，槽角45°，轉(zhuǎn)彎時帶速2 m/s，轉(zhuǎn)彎段長60 m，目標半徑40 m，根據(jù)三個條件計算其轉(zhuǎn)彎半徑（表1）。

表1 槽角45°時的計算轉(zhuǎn)彎半徑

當內(nèi)曲線不變時，最小轉(zhuǎn)彎半徑取R=R1=90 m，當內(nèi)曲線抬高至5°時，最小轉(zhuǎn)彎半徑取R=R1=57m，顯然無法滿足工程需求。

因此，在既有措施的基礎上，需增加其他輔助措施，以順利實現(xiàn)小轉(zhuǎn)彎。本項研究中采用三項措施：

①繼續(xù)加大內(nèi)曲線抬高角，出于防撒料考慮，目前普遍認為抬高角不超過5°，在此將抬高角加大至8°，并通過實驗驗證其可行性。

②在曲線中段外側(cè)增加上部擋邊裝置，通過增大上壓力的方式增加摩擦，緩解輸送帶的翻邊和跑偏。

③在充分考慮安裝空間的前提下，增大內(nèi)移距δ，即通過移動帶式輸送機支架，改變原始轉(zhuǎn)彎半徑，盡可能使半徑加大。

④針對轉(zhuǎn)彎時輸送帶內(nèi)外兩側(cè)弧長的差值造成輸送帶的單側(cè)浪涌，在內(nèi)側(cè)輸送帶處分段設置壓帶輥。

4 平面自然轉(zhuǎn)彎實驗驗證

4.1 實驗設備

帶式輸送機1套（長度60 m）、底部工裝一套、不同粒徑（≤ 200 mm）組成的渣石5方。

其中帶式輸送機技術(shù)參數(shù)如表2：

4.2 實驗工況與結(jié)果

分析實驗結(jié)果表3可知，各項轉(zhuǎn)彎措施對實際轉(zhuǎn)彎效果起到了不同的影響，其中，在確保不出現(xiàn)撒料的情況下，可以適當增加內(nèi)曲線抬高角；在轉(zhuǎn)彎中段的外側(cè)增設擋邊裝置起到了很好的防翻帶作用。

表3 后配套帶式輸送機試驗結(jié)果

通過托輥支架在模擬拖車的工裝上移動，一定程度上增大了原有的轉(zhuǎn)彎半徑；曲線內(nèi)側(cè)下壓輥緩解了輸送帶的浪涌情況。該復合式調(diào)偏技術(shù)應用在模擬試驗中圖2，實現(xiàn)了最小曲率半徑30m的突破。實際工程中，該項技術(shù)也已經(jīng)應用在豐陽煤礦等項目，工程實際最小轉(zhuǎn)彎半徑為35m。

圖2 30m轉(zhuǎn)彎

5 結(jié)語

本文對掘進機后配套帶式輸送機的轉(zhuǎn)彎影響因素進行分析，并通過實驗加以驗證，得到結(jié)論：適當增大內(nèi)曲線抬高角、曲線外側(cè)增加擋邊裝置、增大內(nèi)移距、輸送帶內(nèi)側(cè)設置單側(cè)壓輥等措施能夠?qū)崿F(xiàn)掘進機后配套帶式輸送機的平面自然小轉(zhuǎn)彎，有效解決了小轉(zhuǎn)彎半徑隧道的出渣問題，此外，對于隧道連續(xù)帶式輸送機的轉(zhuǎn)彎設計也同樣起到了指導作用。