凌斌輝，汪順民，楊需帥

長沙有色冶金設計研究院有限公司 湖南長沙 410019

近 年來，由于長距離越野帶式輸送機具有適應地形能力較強、運輸效率較高、投資成本較低、易于實現全系統(tǒng)自動控制等優(yōu)點，已被廣泛應用于礦山、港口和化工等領域[1-3]。相較于中小型帶式輸送機，長距離越野帶式輸送機具有高驅動力、黏彈性變形、運輸線路復雜等特點。

國內外學者在高驅動力、黏彈性方面做了大量的研究，研究認為：長距離帶式輸送機大多采用頭尾多滾筒驅動[4-5]、中間多點驅動等布置方式[6]，多點驅動可有效降低各驅動站單點驅動力；但驅動站的布置形式、輸送帶彈性伸長、各驅動滾筒直徑不同以及電動機轉差率等因素會導致各驅動滾筒的牽引力不等，造成功率不平衡等現象[7]；高潤東等人[8]采用轉矩控制原理及主從控制策略有效解決了功率不平衡現象。

輸送帶屬于黏彈性體，帶式輸送機啟動時，過大的加速度會使帶式輸送機處于不穩(wěn)定狀態(tài)，產生較大的動張力，對設備和電網造成沖擊[9]，因此有必要采用軟啟動控制方式。通過查閱文獻，目前比較常用的啟動方式有液力黏性調速、液力耦合器調整、直流調速及變頻調速等，各啟動方式各有優(yōu)缺點，需根據工藝要求及經濟性等因素綜合考慮。

越野帶式輸送機運輸線路較長，沿線地形起伏，受建筑物或不利的工程地質條件所限，造成運輸線路垂直方向凹凸弧和水平轉彎較多，再加上帶式輸送機上物料分布不均勻，導致帶式輸送機處于多工況運行狀態(tài)。各工況下帶式輸送機的圓周驅動力、軸功率、張緊力、輸送帶強度、關鍵點張力和水平轉彎特性等差別較大，國內外學者對此少有關注，因此有必要對此展開研究。

筆者以幾內亞 Boffa 鋁土礦帶式輸送機工程為例，利用 Belt Analyst 仿真分析軟件[10-11]，建立帶式輸送機系統(tǒng)全程滿載、全程空載、僅尾部下運段有物料、僅尾部下運段無物料、尾部無物料 5 種工況模型，從靜態(tài)和動態(tài)兩個維度進行分析，詳細對比了不同工況下各參數的差異性，并對帶式輸送機啟動、停車、制動時期的運行狀態(tài)進行動態(tài)分析，以期對長距離越野帶式輸送機的設計提供一定的參考。

1 系統(tǒng)特點概述

幾內亞 Boffa 鋁土礦為露天開采，年最低氣溫約10 ℃，最高氣溫約 44 ℃。物料塊度≤150 mm，松散密度 1.45 t/m3，自然安息角 35°～38°，含水率 8%～10%。帶式輸送機設計運輸能力為 5 000 t/h，水平運輸距離約為 12.307 km，頭尾整體高差 -119 m。沿線區(qū)域被熱帶稀樹草原覆蓋，多為雜草和灌木，具體情況如圖 1 所示。帶式輸送機沿地形起伏布置，跨越Fatala 河、多個溝底以及人員和動物通道；輸送帶上運段最大傾角 4.0°，下運段最大傾角 -7.79°；中間設有 1 個水平轉彎，平面轉彎半徑 4 000 m；承載段與回程段有凹凸弧 64 處。帶式輸送機凹凸弧及水平轉彎位置如圖 2 所示。

圖1 帶式輸送機現場圖片Fig.1 On-site photo of belt conveyor

圖2 帶式輸送機輸送線路示意Fig.2 Sketch of delivery route of belt conveyor

初步選定帶式輸送機帶寬為 1 400 mm，帶速為5.6 m/s，采用頭尾多滾筒驅動。頭部配置 2 個φ1600驅動滾筒，4 臺變頻電動機 (4×1 000 kW)；尾部配置 1 個φ1600 驅動滾筒，2 臺變頻電動機 (2×1 000 kW)。帶式輸送機滾筒布置如圖 3 所示。頭部變頻絞車張緊，張緊行程 39 m，張緊力 240 kN；輸送帶型號 ST4000/10+8，物料填充率 87%；尾部盤式制動，制動力矩 300 kN·m。3×35°槽形承載托輥 (φ178×530)，間距 1.5 m；2×10°V 型回程托輥(φ178×800)，間距 3.0 m，托輥滾速 601 r/min。正常啟動時間 280 s、停車時間 180 s，自由制動時間 40.2 s，等效模擬摩擦因數 0.020 5。

圖3 帶式輸送機滾筒布置Fig.3 Layout of drums of belt conveyor

綜合考慮帶式輸送機正常運行、啟動及停車過程中的物料分布情況，可分為如下 5 種運行工況：全程滿載(工況 1)、全程空載(工況 2)、僅尾部下運段有物料(工況 3)、僅尾部下運段無物料(工況 4) 及尾部無物料(工況 5)，如圖 4 所示。

圖4 帶式輸送機 5 種運行工況Fig.4 Five operation modes of belt conveyor

其中圖 4(a)、4(b)為正常運行工況，圖 4(c)～4(e)為帶式輸送機裝卸載過程中可能出現的瞬時工況。由于帶式輸送機前端設置有連續(xù)給料設備，可不考慮僅平行上運段有物料和僅下運段有物料這 2 種極端工況。

2 模型分析

2.1 靜態(tài)分析

2.1.1 圓周驅動力和軸功率對比

帶式輸送機不同工況下圓周驅動力、電動機軸功率計算結果如表 1 所列。根據表 1 數據可以發(fā)現，不同工況下，帶式輸送機圓周驅動力和電動機軸功率差別較大，其中工況 4 電動機總軸功率最大，為 5 841 kW，占總裝機功率的 97.4%；工況 3 電動機總軸功率最小，為 1 563 kW，占總裝機功率的 26.0%。

表1 不同工況下圓周驅動力和軸功率Tab.1 Circumferential driving force and shaft power in various operation modes

2.1.2 張緊力對比

輸送帶張力須滿足以下要求：在穩(wěn)定運行、啟動和制動工況下，輸送帶與傳動滾筒間不打滑。穩(wěn)定運行時，輸送帶在兩相鄰托輥組間的最大垂度取1%[12]，此時，帶式輸送機傳動滾筒繞出點的輸送帶張力

承載段垂度要求

式中：F2為傳動滾筒繞出點輸送帶張力，N；FTr為穩(wěn)定運行時傳動滾筒的圓周力，N；μ為傳動滾筒與輸送帶間的摩擦因數；φ為輸送帶在傳動滾筒上的圍包角，(°)；qG為輸送帶單位長度上的物料質量，kg/m；qB為輸送帶單位長度質量，kg/m；a0為上分支托輥組的間距，m；hrmax為輸送帶兩相鄰托輥組間的垂度，取 1%。

各工況下輸送帶最小張力要求如表 2 所列。由表2 可知，各工況點最小張力要求差別較大：工況 4 最小張力要求值最大，為 225.0 kN；工況 3 最小張力要求值最小，為 71.6 kN。

表2 不同工況下輸送帶最小張力要求Tab.2 Minimum tension requirements of belt in various operation modes

2.1.3 輸送帶安全系數對比

帶式輸送機滿載穩(wěn)定運行時輸送帶安全系數需大于 7.00，各工況下帶式輸送機啟制動時輸送帶安全系數需大于 5.00，不同工況下輸送帶安全系數如表 3 所列。

由表 3 可知，帶式輸送機滿載穩(wěn)定運行時 (工況1)，輸送帶安全系數為 7.50＞7.00；工況 4，輸送帶啟動安全系數最低為 6.34＞5.00，亦滿足設計要求。

表3 不同工況下輸送帶安全系數Tab.3 Safety coefficient of belt in various operation modes

2.1.4 平面轉彎分析

帶式輸送機運輸線路設置一處水平轉彎段，根據規(guī)范要求，水平轉彎段最小曲率半徑需同時滿足水平轉彎段力的平衡條件、輸送帶外緣許用應力限制條件、輸送帶不離開側面托輥的限制條件的要求[12]。調整水平轉彎段承載托輥組槽角為 45°，上下托輥內側抬升角為 5°，設定轉彎半徑為 4 000 m，平面轉角為 30.07°，計算各工況下輸送帶偏移量。計算結果顯示，除工況 4(見表 4)在運行時輸送帶偏移量稍大外(31.8 mm≤122.5 mm)，其余工況輸送帶偏移量很小，且各工況下水平轉彎段輸送帶張力都能滿足 1% 的垂度要求。

表4 工況 4 平面轉彎段計算結果Tab.4 Calculation results of plane turning segment in operation mode 4

2.2 動態(tài)分析

帶式輸送機靜態(tài)分析是將輸送帶視為剛體進行動力學分析，可滿足短距離、小運量的帶式輸送機的設計精度要求。而長距離越野帶式輸送機運輸距離長，運輸線路復雜，多點驅動功率平衡難，輸送帶的黏彈性體特性對輸送機影響較大，因此有必要在靜態(tài)分析的基礎上，對帶式輸送機的啟動、停車、制動過程進行動態(tài)分析。

以頭部驅動滾筒為主控制，其余驅動滾筒為從控制，從動電動機轉矩跟蹤主電動機。

(1)關鍵點張力 滾筒、承載段、回程段等關鍵點張力如表 5 所列。帶式輸送機啟動瞬間，頭部驅動滾筒處輸送帶張力最大，為 830.90 kN，此時輸送帶安全系數為 6.73＞5.00。制動停車過程約 12 s 時，承載段 4 195.06 m 處輸送帶張力最小，為 50.60 kN，此時輸送帶垂度為 1.15%＜2.00%。

表5 啟、停、制動時關鍵點張力Tab.5 Tension at key points at time of start-up,halting and braking

(2)張緊小車位移和速度 滿載停機過程中，張緊小車最大位移為 -1.81 m (往張緊滾筒收縮方向移動)，張緊小車最大速度為 -0.04 m/s；滿載啟動過程中，張緊小車最大位移為 2.98 m (往張緊滾筒張緊方向移動)，最大速度為 0.13 m/s；滿載制動停機過程中，變頻絞車由于自身制動器處于制動狀態(tài)，變頻絞車不動作，對應張緊小車也不動作，即斷電滿載停機過程中張緊小車速度和位移均為 0。

(3)緊松邊張力比 計算帶式輸送機啟動、停車、制動時，各驅動滾筒緊松邊張力比最大值如表 6所列。3 個驅動滾筒緊松邊張力比均小于系統(tǒng)允許值4.04，其中驅動滾筒 3(尾部驅動滾筒)緊松邊張力比最大為 2.43，說明 3 個驅動滾筒在啟動、停車、制動時均不會打滑。

表6 啟、停、制動時各驅動滾筒緊松邊張力比最大值Tab.6 Maximum ratio of tension at tight and loose side of each driving drum at time of start-up,halting and braking

(4)滾筒合力 帶式輸送機啟動、停車、制動時，各滾筒最大合力與正常運行時各滾筒最大合力的比值如表 7 所列?？梢园l(fā)現，在啟動、停車、制動時大部分滾筒合力比正常運行時大。例如改向滾筒 3在制動時的最大合力是滿載穩(wěn)定運行時滾筒合力的2.115 倍。因此在提供設備采購技術要求時，需根據動態(tài)分析結果做出相應調整。

表7 啟、停、制動時各滾筒合力與正常運行時各滾筒合力比Tab.7 Ratio of resultant force of each drum at time of startup,halting and braking to resultant force of each drum during normal operation

3 結論

(1)通過對帶式輸送機進行靜態(tài)分析可以發(fā)現：不同工況下帶式輸送機關鍵點張力、圓周驅動力、電動機軸功率、張緊力、輸送帶安全系數、凹凸弧半徑、水平轉彎特性等參數均有明顯差別，從本案例的工藝條件來看，工況 4(僅尾部下運段無物料運行)為系統(tǒng)運行最惡劣工況。

(2)通過對帶式輸送機啟動、停車、制動過程進行動態(tài)分析檢驗，各關鍵點張力、輸送帶強度、張緊力、驅動滾筒緊松邊張力比等參數均滿足設計要求，但各滾筒合力均較穩(wěn)定運行時增大，需調整最終滾筒的合力參數。

(3)Boffa 鋁土礦長距離越野帶式輸送機自 2019年建成以來，經過一年多時間的運行檢驗，運輸能力達到設計要求(5 000 t/h)，系統(tǒng)各項參數均穩(wěn)定在允許范圍內，為企業(yè)創(chuàng)造了良好的經濟效益。