掘进机后配套带式输送机小转弯技术研究

夏 茜

（中国铁建重工集团股份有限公司，长沙 410100）

0 引言

随着隧道工程的大力发展，采用掘进机进行隧道开挖已得到广泛的推广应用，伴随该工法而来的有效出渣问题被更多关注。掘进机后配套带式输送机一般为直线布置，可减小输送距离，避免跑偏。由于隧道施工工况越来越复杂，小转弯工程逐渐增多，现有技术遇到瓶颈，尤其是超小转弯时，输送带跑偏、撒料等问题的出现，直接影响设备运行，对掘进机施工形成了极大制约[1]。

1 带式输送机转弯方式

带式输送机的曲线布置一般通过串联搭接、强制改向和自然转弯三种方法来实现[2]。

（1）串联搭接。由多条直线输送机头尾搭接，完成物料输送，由于掘进机后配套带式输送机的安装空间有限，该方法明显不适用，且多次搭接增加了故障点。

（2）强制改向。即通过滚筒等转向装置，让输送带强行沿预设路线运行，但隧道施工路线复杂，掘进过程中可能存在多个不同半径的转弯，转弯方向也不一致，此时强制改向就不适用了。

（3）自然转弯。让输送带在没有安装强制措施的前提下自己能够转弯，这样的转弯不局限于固定半径，可大大减小输送带磨损，降低成本和维修费用，因此在目前工程上较受欢迎。

2 平面自然转弯理论计算与影响因素

在未采取任何措施的情况下，转弯段输送带单元两端的张力、托辊阻力以及托辊与输送带间横向摩擦力的合力将充当向心力，输送带在此作用下向内侧偏移，所以要实现平面转弯，需施加一个力与向心力平衡[3

]。

当存在水平转弯时，应先计算出理论最小转弯半径，在计算转弯半径时须分别依照受力平衡条件、侧边应力条件及侧边位置条件[4]。

（1）符合受力平衡条件

转弯段输送带在向心方向所受合力为零，即输送带受力平衡：

式中Sy为转弯段起点处张力；qt为承载托辊旋转部分单位质量；qb为输送带单位质量；ω′为运行阻力系数；θ为转弯角度；μ1为导来摩擦系数。

（2）符合侧边应力条件

转弯段输送带的侧边应力不应超过其许用值：

B为带宽；Se为输送带许用应力；S1为转弯段终点处张力；E0为输送带拉伸刚度。

（3）符合侧边位置条件

转弯段输送带外缘不得飘起：

式中Sm为转弯段张力峰值；λ为输送带外缘与水平面夹角。

带式输送机的理论转弯半径取上述三种结果的最大值。

依照平面转弯基本原理，调整转弯段托辊组以使输送带受到抵消向心力的离心推力，可采用以下措施：

（1）改变托辊安装支撑角。应用托辊组前倾原理，使输送带向转弯内曲线偏移时，产生向外的导向摩擦力。

（2）增大托辊成槽角。目前掘进机带式输送机选用的基本是三托辊形式，槽角一般为30°～ 45°。

（3）增大内曲线抬高角。使输送带和物料的重力产生离心分力，以平衡由输送带张力产生的向心力。

（4）回程输送带增设压辊，以增加托辊给予输送带的横向摩擦力。

（5）输送带内曲线侧加装立辊，能够有效限制输送带的跑偏。

3 某工程掘进机后配套带式输送机转弯分析

根据式1，为了减小转弯半径，可增大导来摩擦系数μ1。

式中K1、K2、K3为重力分配系数；μ为托辊与输送带之间的横摩擦系数。

图1 中列出了在不同内曲线抬高角和成槽角时的导来摩擦系数值。

图1 不同内曲线抬高角与槽角对应的导来系数

可以看出，导来系数基本随内曲线抬高角和槽角的增大而线性增加。针对某掘进机隧道施工项目，后配套带式输送机带宽800 mm，槽角45°，转弯时带速2 m/s，转弯段长60 m，目标半径40 m，根据三个条件计算其转弯半径（表1）。

表1 槽角45°时的计算转弯半径

当内曲线不变时，最小转弯半径取R=R1=90 m，当内曲线抬高至5°时，最小转弯半径取R=R1=57m，显然无法满足工程需求。

因此，在既有措施的基础上，需增加其他辅助措施，以顺利实现小转弯。本项研究中采用三项措施：

①继续加大内曲线抬高角，出于防撒料考虑，目前普遍认为抬高角不超过5°，在此将抬高角加大至8°，并通过实验验证其可行性。

②在曲线中段外侧增加上部挡边装置，通过增大上压力的方式增加摩擦，缓解输送带的翻边和跑偏。

③在充分考虑安装空间的前提下，增大内移距δ，即通过移动带式输送机支架，改变原始转弯半径，尽可能使半径加大。

④针对转弯时输送带内外两侧弧长的差值造成输送带的单侧浪涌，在内侧输送带处分段设置压带辊。

4 平面自然转弯实验验证

4.1 实验设备

带式输送机1套（长度60 m）、底部工装一套、不同粒径（≤ 200 mm）组成的渣石5方。

其中带式输送机技术参数如表2：

4.2 实验工况与结果

分析实验结果表3可知，各项转弯措施对实际转弯效果起到了不同的影响，其中，在确保不出现撒料的情况下，可以适当增加内曲线抬高角；在转弯中段的外侧增设挡边装置起到了很好的防翻带作用。

表3 后配套带式输送机试验结果

通过托辊支架在模拟拖车的工装上移动，一定程度上增大了原有的转弯半径；曲线内侧下压辊缓解了输送带的浪涌情况。该复合式调偏技术应用在模拟试验中图2，实现了最小曲率半径30m的突破。实际工程中，该项技术也已经应用在丰阳煤矿等项目，工程实际最小转弯半径为35m。

图2 30m转弯

5 结语

本文对掘进机后配套带式输送机的转弯影响因素进行分析，并通过实验加以验证，得到结论：适当增大内曲线抬高角、曲线外侧增加挡边装置、增大内移距、输送带内侧设置单侧压辊等措施能够实现掘进机后配套带式输送机的平面自然小转弯，有效解决了小转弯半径隧道的出渣问题，此外，对于隧道连续带式输送机的转弯设计也同样起到了指导作用。