长距离隧道连续皮带机转弯特性的研究

2021-08-03王文超宋朋洋

建筑机械化 2021年7期

王文超，宋朋洋

（1.中铁隧道股份有限公司，河南郑州 450000；2.中铁工程装备集团有限公司，河南郑州 450016）

近年来，随着国内各种引水、铁路、公路隧道工程的快速推进，长距离连续皮带机在隧道领域的应用也得到了飞速发展，山西引黄、秦岭、高黎贡山、新疆引额等各个隧道项目中都采用了长距离皮带机作为出渣装置，大大提高了隧道的掘进效率。

长距离皮带机在煤炭、钢铁、港口、化工等行业已经有了较为长久的应用历史，理论基础已经较为成熟[1]，国内外都有相关设计的标准和参数，指导了大量项目的设计，但是小转弯半径对于皮带机来说一直是设计的一个难点。由于地质的多样化或者城市规划的特殊要求，出现了越来越多的小转弯半径隧道，有些隧道项目的转弯半径达到了300m 级别，甚至有项目提出了100m 以下转弯半径的需求，相应的对隧道连续皮带机的设计也提出了越来越严格的要求[2]。

1 隧道连续皮带机转弯的特点

1）空间狭小，不具备中间转载的条件。常规的地铁隧道一般直径为6m，引水隧道最低可达4m 级别，隧道内空间有限，施工不好组织，转载所需的滚筒、卸载支架等设备无法布置，因此，只能采用胶带弯曲的方式实现皮带机的转弯。

2）在使用周期内，皮带的张力不断变化，转弯处拉力也同样变化。由于隧道连续掘进需要皮带机不间断延伸，因此隧道皮带机都设置储带仓，皮带的长度是随着隧道掘进的深度不断延长，因此转弯处拉力也不断变化，这就导致了原本可能调整好的平衡状态下的转弯处，在运行了一段时间后，需要重新进行调整[3～4]。

3）运量波动较大。由于地质变化、掘进机换步等因素，隧道出渣量是在不断变化的，因此，隧道皮带机转弯处的设计不能仅考虑稳定满载的工况，还需要考虑其它负载状态下皮带能够平稳运行。

4）物料含水较多。由于水的流动性，在皮带高速运转过程中，在转角处极易容易撒料。

2 隧道连续皮带机转弯的设计原则

由于上述这些特点，相比较于常规皮带机，隧道连续皮带机转弯处的设计，需要着重考虑以下几点。

2.1 胶带抗拉强度足够保证不断带

当胶带正常直线段运行时，胶带的拉力是均匀分布的，如图1(a)所示；当存在图1(b)所示转弯半径为R的转角时，胶带内外侧被同时拉伸，且外侧拉伸长度大于内则，拉力大小沿胶带线性分布，最外侧胶带拉力为F2；如果继续缩小转弯半径至R1，如图1(c)所示，随着胶带最外侧伸长率不断增大至最大，最外侧张力增大至F3，胶带内侧拉力不断减小，甚至出现褶皱，中间某位置处胶带受拉力为零，此位置为胶带转弯处的中性层。假设胶带传递相同的拉力，则F3＞F2＞F1。因此，相同条件下，越小的转弯半径，所需的胶带的抗拉强度越高。

图1 不同情况下胶带拉力分布

取单位宽度胶带，假设胶带原长度为a，拉伸后伸长Δa，此时单位宽度胶带拉应力为f，定义胶带弹性模量E（单位：N/m），表示单位宽度的胶带伸长率与拉应力之间的关系，E的值取决于胶带的性质，是与胶带材料有关的比例常数。

设定胶带的抗拉强度为K（单位：N/m），胶带带宽为B（单位：m），转弯半径为R（转弯半径为胶带的内侧半径，单位：m），胶带弹性模量为E（单位：N/m），胶带在最大抗拉强度K下的伸长率为φ，取分析单元的弧度为θ，则有如下公式

解得

当R＞B/φ时，胶带内部拉紧力线性分布在整个胶带内如图1(b)，中心层位于在半径为R0处，且有

解得

此时胶带所传递的拉力F为

解得

整理得

可以看出，当R越大时，越趋近于1，F的值越大。当R趋近于无限大时

当R=B/φ时，胶带内侧边缘的拉力为0，伸长率为0，R0=R，则胶带所能传递的拉力F为

解得

若在已知胶带带宽，弹性模量E，胶带所承受的最大拉力F的前提下，此种工况的转弯半径R为

当R＜B/φ时，胶带内侧出现褶皱，距离内侧胶带边缘b 处出现中性层，此位置拉力为0，伸长率为0，则有

解得

若已知胶带参数与转弯半径，则胶带承受的拉力F为

其中，R0=R+b

解得

将b代入得

若已知拉力F与胶带参数，则最大转弯半径为

上述的理论分析是基于平面胶带，在实际中，下回程胶带常为平皮带，上部承载皮带往往带有一定的槽角β，如图2 所示，这时，需要将皮带分段考虑计算，同样利用上述计算结果进行叠加，这里不再详细描述。

平皮带的强度校核可作为槽型胶带校核的估算，若平皮带校核可满足带强和转弯半径的需求，则带有槽角的皮带一定也满足其要求，这是因为，胶带折成一定的槽角后，原本胶带内应力的分布变得更加平均，如图2 中区间Ⅲ比区间Ⅱ中应力的分布更加的平缓，同样的长度可以承受更大的拉力。如果槽角增加到90°，那么胶带成为竖直状态，此时转弯处胶带的强度校核就与直线胶带相同，然后90°垂直胶带不具备承载物料的能力，并不具备工程意义。

图2 槽型胶带应力分布

2.2 保证胶带的平稳运行

胶带应满足力的平衡条件，不会脱离托辊组。在上述的分析中，我们得出了已知胶带转弯时拉力的分布情况，通过计算得出胶带参数和转弯半径，从而选择合适带强的胶带。在转弯处，除了带强满足要求，同时还要满足胶带在托辊上能够平稳运行，即胶带不仅不会出现撕裂，也不会脱出托辊组。由图1 可了解到，转弯处胶带两侧拉力的合力，将使得胶带承受一个指向转弯弧段中心的合力，该合力可以使得胶带向弧段中心移动，为了抵抗该作用力，普遍使用抬高内曲线的方式，防止胶带脱出，如图3 所示。

图3 转弯段托辊内曲线抬高

外侧胶带应不会翻带。在转弯段由于胶带的外侧拉力较大，且胶带本身就立起来一定的角度，当拉力与倾角达到一定值得时候，有可能出现翻带现象，因此，在较为小的转弯半径和较大的拉力工况下，都会采用一些辅助措施，例如增加挡辊来保证胶带不会翻带。

2.3 物料运输稳定不撒料

转弯处松边垂度不能过大，避免撒料。由之前的分析可知，转弯处胶带内曲线拉力变小甚至会出现褶皱，可能会导致内侧胶带垂度过大，物料从内侧洒落，在满足转弯半径与带强的需求前提下，尽量采用图1(b)所示工况进行转弯，或者采用增密托辊组的方式，避免胶带垂度过大导致的撒料现象。

内曲线抬高会导致胶带上部可堆积的横截面积变小，大大降低了输送量。因此，包含有转弯段时，要适当的增大胶带的带宽，保证能满足最大的输送量。

3 目前国内主流设计

在实际的运行过程中，很难保证上述3 点同时满足。内曲线抬高可以增大抵御胶带向弧线段中心的力，但是抬高过多又会导致胶带输送横截面积减少，输送效率降低。同时，由于胶带张力、输送量等不断变化的参数，需要转弯处的设计能够适应较为广泛的工况，所以，目前长距离连续皮带机转弯采用主动自适应调偏+强制纠偏相结合的措施[5～6]，如图4 所示。通过适当抬高内曲线可以抵抗部分胶带向弧段中心运动的力，由内侧的挡辊来承担剩余的力，外侧设置挡辊，用力防止外侧胶带翻带。