高海拔地区长距离下运曲线带式输送机设计

张海军，付永高

四川省自贡运输机械集团股份有限公司 四川自贡 643000

西 藏巨龙铜业公司西藏知不拉铜矿位于西藏墨竹工卡县和达孜县交界处，距离拉萨市 70 km，处于冈底斯山脉与念青唐古拉山脉结合部位，平均海拔在 5 000 m 以上，地势险峻，切割强烈，环境非常恶劣，空气密度及气压低、气温低、昼夜温差大、年降水量较少，但暴雨较多，大风日多，湿度低，太阳辐射强，且具有较长的冻土期[1]。将 260万t/a 铜矿石从采矿区经破碎站运输到选矿厂是矿区建设的关键工程之一。矿山破碎站距离选矿厂水平距离约 11.5 km，公路全长约 17 km，垂直下运高度达 560 m。采用汽车运输，按照每辆车运输 50 t 计算，每天8 000 t 的输送量需要 160 车次的汽车运输，按照当地1.5 元/(t·km) 的运费计算，年运费需要 6 630万元；采用汽车运输还存在噪声大、粉尘污染严重等问题，而且对原本脆弱的植被造成损害；暴雨季节时，道路冲毁严重，道路维护成本也大大增加。

采用带式输送机运输，沿路没有粉尘污染，对道路依赖也大大减少；而且在大的下运高度下，可将铜矿石的势能转为电能反馈回电网。因此，采用带式输送机运输是此项目最佳的运输方案。

1 输送方案分析

1.1 输送方案

根据前期的可行性研究，带式输送机系统的原始参数为：输送物料为铜矿石，块度≤ 300 mm，松散密度为 2.11 t/m3，额定输送量为 800 t/h。最初设计院推荐了 2 种运输方案。

（1) 方案 1 1 条长距离曲线带式输送机，起点标高 5 010 m，终点标高 4 445 m，水平长度 11 386 m，提升高度 -565 m，如图 1 所示。

图1 方案 1 带式输送机立面布置示意Fig.1 Layout of vertical plane of belt conveyor in scheme 1

（2) 方案 2 2 条带式输送机搭接，中间设转运站，转载点标高 4 390 m。其中 1 号带式输送机是一条曲线带式输送机，起点标高 5 010 m，终点标高 4 395 m，水平长度 7 486 m，提升高度 -615 m；2 号带式输送机是一条长距离直线带式输送机，起点标高 4 390 m，终点标高 4 445 m，水平长度 3 984 m，提升高度55 m。1、2 号带式输送机总长度 11 507 m，立面布置如图 2 所示。

图2 方案 2 带式输送机立面布置示意Fig.2 Layout of vertical plane of belt conveyor in scheme 2

根据输送系统基本参数和线路布置，通过带式输送机设计计算软件分析后，给出了 2 种方案的技术参数对比，如表 1 所列。

表1 2 种方案带式输送机技术参数对比Tab.1 Comparison of two schemes in parameters of belt conveyor

1.2 2 种方案优缺点对比

1.2.1 方案 1

（1) 优点 由于没有经过中间转载带式输送机，紧急停机时物料不会堆积；只需要一种规格的输送带，输送带备品占用库存小。

（2) 缺点 带式输送机从尾部开始长达 8 990 m的下运距离，下运高度 -719 m，后半段 2 396 m 整体上运，上运高度 154 m，输送线路和运行工况复杂，存在全程空载和满载、下运段有料和上运段无料、下运段无料和上运段有料等工况；在不同的工况下各个水平转弯点的输送带张力变化大，输送带在托辊上的横向移动范围大，需进一步抬高内侧安装角度和托辊槽角；输送带为 ST4000，带宽只有 1 000 mm，输送带的成槽性难以保证；带式输送机隧道比方案 2 长约200 m，土建工程费用相对较高。

1.2.2 方案 2

（1) 优点 1 号曲线带式输送机全线下运，2 号带式输送机直线布置，输送线路和运行工况相对简单；1 号带式输送机尾部双滚筒驱动，2 号带式输送机头部双滚筒驱动，控制相对简单；带式输送机隧道比方案 1 短约 200 m，土建工程费用相对较低。

（2) 缺点 由于存在中间转载环节，1、2 号带式输送机需要连锁控制，且需采取措施以防止转载处物料堆积。

综合以上分析，最终业主决定采用方案 2，即 2条带式输送机方案，中间设转载站，在中间转载站内设置一个容量为 50 t 的缓冲仓，缓冲仓下设置 1 台给料机。

2 带式输送机的关键技术

2.1 空间转弯带式输送机的托辊布置结构

在高原低温环境下，高强度钢丝绳芯输送带的成槽性差，成槽困难，而且橡胶与钢的摩擦因数降低，导致槽型托辊与输送带的摩擦因数降低，单纯靠摩擦力不能抵抗输送带张力在水平转弯产生的向心力，需要进一步抬高转弯段托辊内侧角[2]，利用输送带和物料的重力在抬高面方向的分力来平衡输送带的向心力。输送线路上有 3 个水平转弯，其中一个水平转弯转角 31°，转弯半径 2 000 m。为了保证水平转弯空载时输送带不产生过度偏移，满载时不撒料，以及紧急停机时物料不冲出输送带 (1 号带式输送机全程下运，带速较高)，在水平转弯位置的上带面布置了5 个托辊组成的 65°深槽角托辊组，抬高 8°的内侧角，如图 3 所示。

图3 曲线段 5 辊托辊组布置结构Fig.3 Layout of five-idler group in curved segment

2.2 高强度、小带宽钢绳芯输送带

1 号带式输送机曲线段采用 ST3150 (9+7) 高强度输送带，为解决头部低张力区翻带装置张力过小问题适当提高了初张力，导致输送带的安全系数不到7，不满足设计规范[3]要求；在高海拔低温环境下，输送带的成槽性差；输送物料为铜矿石，其块度大 (300 mm)、磨琢性强。综合成槽性、使用寿命和节能效果等指标，采用了一种特殊结构的高强度、小直径、密排布钢绳芯输送带，可达到抗撕裂、耐磨、高强度和质量轻的目的。采用常规的钢绳芯输送带单位长度质量为 41.1 kg/m，输送带总质量为 615 t；采用特殊输送带单位长度质量为 34.5 kg/m，输送带总质量为516 t，输送带质量降低 99 t，按带式输送机最大加速度 0.3 m/s2计算，将减少惯性力约 300 kN，提高了带式输送机启制动的安全性。

2.3 一体化全封闭通廊结构

由于矿区地处高原，常年大风，太阳辐射强、植被非常脆弱，输送线路周边还有村民居住。为保护西藏脆弱的生态环境，避免人为或者动物损坏设备，也为了防止输送带因紫外线长时间照射快速老化，同时又要降低设备成本，首次采用了桁架式通廊全程封闭结构设计，如图 4 所示。托辊直接安装在桁架窗框上，桁架底部外挑安装走道，走道外侧安装立杆，在两侧立杆顶部安装骨架，四周采用檩条连接成整体，最后在四周安装彩钢板全密封。这样的全封闭通廊结构简洁、安装方便，降低了结构的总质量。

图4 全封闭通廊结构Fig.4 Structure of fully-enclosed corridor

2.4 垂直重锤与液压张紧组合张紧技术

由于输送系统地处高海拔地区，早晚温差达到20 ℃，输送带因热胀冷缩，移动距离较大。为了满足即使在最恶劣工况下输送带不发生打皱和撒料情况，张紧力需要配置 300 kN。为了延长输送带、滚筒、托辊等部件的使用寿命，采用了垂直重锤与液压张紧组合张紧技术。垂直重锤与液压张紧配置的张紧力各为 150 kN。液压张紧装置配置了液压缸、液压自动绞车、就地控制箱和张力传感器。张力传感器检查钢丝绳的张力，当张力低于设计范围时，需要张紧绞车；反之，需要松绞车。

2.5 高海拔环境的下运馈电、制动和控制技术

1 号带式输送机的起点标高 5 010 m (驱动所在的标高)，终点标高 4 395 m，水平长度 7 486 m，提升高度 -615 m，当满载运行时，总馈电量达到 650 kW·h。采用尾部双滚筒双驱动，四象限变频器控制，驱动功率为 2×450 kW。经与世界知名变频器厂家沟通后，综合考虑海拔高度、散热和变频器的扩容因素后，最终选用 4 160 V 的 S120-630 kW/690V 型变频器，与450 kW 的 YPTQ450-4 型电动机匹配。

由于下运高差大，惯性力大，在满载停机过程中既要保证输送带的安全系数，又要及时、安全地停机。如果制动器控制不好，会发生飞车等严重事故，因此制动器配置尤为重要。满载紧急停机时，制动力矩需要 320 kN·m，经综合考虑决定在尾部配置双盘4 对制动头，制动盘直径为 1 800 mm，每个制动盘上配置 2 套制动头，每个制动盘上的制动力矩为 386 kN·m，按照间隙 2 mm 考虑，每个制动盘上的制动力都能满足最大制动力矩需求。对正常、故障、紧急停机 3 种工况，制动器的控制方式为：①正常停机时，总停机时间设置为 120 s，当电动机转速降到 150 r/min 时，制动器柔性制动停机，制动器制动时间约为 15 s；② 故障停机时 (拉绳等保护装置动作)，总停机时间设置为 15 s，当电动机转速降到 150 r/min时，制动器立即制动；③紧急停机时 (停电情况)，制动器立即制动。

图5 建成的带式输送机系统Fig.5 Finished belt conveyor system

3 结语

西藏巨龙铜业公司知不拉矿的铜矿石长距离输送系统从 2016 年 6 月开始研制，到 2017 年 5 月完成安装并投入重载运行，2018 年 5 月通过用户验收。目前系统运行平稳，约 7.5 km 全封闭空间转弯曲线带式输送机实现了馈电发电功能，各项指标达到了设计要求，环保节能。运行 3 a 输送铜矿石约 600万 t，相同的输送量，比采用汽车运输节约了 4 800万元，为用户取得了显著的经济效益，可为其他类似条件下曲线带式输送机项目提供设计依据。