双向运输带式输送机防尘罩结构形式的试验研究

刘立波，周 啟

（中煤科工集团沈阳设计研究院有限公司，辽宁 沈阳 110015）

带式输送机是散状物料输送中最重要的连续输送设备，广泛应用于矿山、冶金、电力、建材、化工、粮食及港口等行业[1]。与其他运输设备相比，具有输送距离长、运量大、效率高、能耗低、运营成本低、易于实现自动化和集中控制等诸多优点[2]。随着科学技术的飞速发展，带式输送机上带面和下带面同时带料已经在工程中得到应用。通常，为了防止长距离带式输送机在运输过程中对环境产生污染，设计时采用防尘罩将物料遮盖。然而，对于上下带面同时带料的带式输送机来说，防尘罩结构和高度如何设置将对工程投资、运营维护、环境保护等产生重大影响[3-5]。如果防尘罩高度设置离地面过低，上下带面运输的物料在防尘罩内受到正反向运输的诱导风作用下发生相互污染，而且防尘罩将带式输送机所有部件都包裹在其中不便于巡检人员进行观察和维护，对于处在大风地区的工程项目，带式输送机将受到较大的横向风荷载，防尘罩需要有较强的刚度。如果防尘罩高度设置离地面过高，会使运输过程中粉尘外溢，污染环境。为此，以锡林浩特胜利一号露天煤矿至电厂正向运煤、反向运灰的长距离平面转弯带式输送机防尘罩为研究对象，主要针对电厂生产的副产品粉煤灰在运输过程中产生的粉尘通过理论和试验研究，确定双向运输带式输送机防尘罩的结构形式和合适高度，为长距离双向运输带式输送机防尘罩设计提供理论基础和实践支撑。

1 试验设计

常用带式输送机采用的防尘罩只对上带面物料进行遮挡，其结构已趋于标准化和规范化，设计时可以根据工程需要选择不同厚度的产品[6]。对于双向（煤/灰）运输带式输送机，运输过程中输送带在托辊上颠簸振动、物料与空气摩擦以及风力作用会产生大量粉尘，会对输送机沿线两侧的环境造成污染，特别是对于锡林浩特地区草原生态环境优美，对环境保护提出了更高的要求。因此，对于上带面和下带面同时带料，防尘罩不仅要同时遮挡上下带面的物料，同时还要综合考虑工程现场实际环境条件，运输过程的粉尘处理，尽可能减少风载荷对结构的影响。

试验用主要材料及设备见表1。

表1 试验用主要材料及设备

试验利用现有正在运行生产的带式输送机系统，通过离心风机在防尘罩侧面强制吹风，模拟新建系统运行时受到自然侧向风，风速为10 m/s 和15 m/s。将防尘罩设置在高、中、低3 个不同的位置，测量带式输送机在空载、运煤、运灰3 种工况下遇侧向风时防尘罩内的流场、风速以及粉尘浓度，通过对测试数据分析结合软件模拟，确定防尘罩最佳的结构形式。试验方案布置示意图如图1。

图1 试验方案布置示意图

1）流场测试。利用燃香散发的烟雾随空气流动的流向来测定防尘罩内部的流场流向。在试验段带式输送机首尾位置的中间架上设置支架，将2 台录像仪分别固定在支架上，确保录像仪画面不受输送带振动影响。将防尘罩设置最低点，在空载状态下开启带式输送机，将离心风机分别开启至10 m/s 和15 m/s，风速模拟自然横风，点燃燃香并伸入防尘罩内，通过摄像机的实时录像功能检测燃点位置，当燃点位置位于测点后固定燃香，并打开录像机的录像功能，记录下燃香散发烟雾的流动情况，得到空载情况下的流场分布。采用同样的方法得到运煤和运灰状态下的流场分布。然后分别提升防尘罩高度得到防尘罩3 种不同高度下空载、运煤和运灰的流场分布。

2）风速测试。试验方案共布置了1#～7#7 个测点，其中1#测点位于远离风机侧的最高位置，2#测点位于输送带上方低于1#测点的位置，3#测点位于槽型托辊组横梁靠上的位置，4#、5#、6#测点位于靠近风机侧与1#、2#、3#测点关于带式输送机中心线对称布置，7#测点与1#、4#测点在同一水平线上位于靠近防尘罩中心位置。将热膜风速仪的探头分别固定在不同测点位置，通过数据线将数据导出至数据采集仪，将离心风机分别开启至风速10 m/s 和15 m/s，风速模拟自然横风，得到各测点的实时风速，然后进行带式输送机在空载、运煤、运灰3 种工况的风速测定。再通过调整防尘罩高度位置，采用同样的方法得到防尘罩在低、中、高3 个高度位置下带式输送机空载、运煤和运灰3 种工况的风速测定。从而得到防尘罩不同高度对风速的影响，结合烟雾图像得到的风流流场，从而可以得到防尘罩内不同情况下的风流流场具体情况。

3）浓度测试。将涂抹硅油的冲击板装入采样头，向里拨动推杆，将装有滤膜的滤膜夹插入直读式粉尘浓度采样仪中，开机采样，将粉尘浓度仪分别放置在防尘罩底部进出风口处，测量呼吸性粉尘。测量风速10 m/s 和15 m/s 情况下带式输送机空载、运煤、运灰3 种工况下的的呼吸性粉尘浓度。取出采样头上的冲击板，调整防尘罩的高度位置，重复上述操作得到防尘罩在不同高度的粉尘浓度。

2 试验结果

2.1 风速值

采集了各测点在不同工况下的风速值，对其取平均值，不同工况下各测点风速平均值见表2。

表2 不同工况下各测点风速平均值

表2 中数据负值是测量出现错误忽略不计。由表2 中的数据防尘罩内部测点1#、2#、4#测点的速度都比较小，基本上都小于0.5 m/s，与ANSYS 计算的流场结果相一致。5#测点处风速稍大，也和计算结果相一致。6#测点位置位于输送带下方，靠近风机出风口，速度可达9 m/s，与计算不大相符，主要因为计算数据显示风速是要达到20～30 m/s 左右的结果，另外一个原因是由于试验是在严冬季节，现场温度最低可达-35 ℃，试验条件受限，风机出风口大小有限，只能吹到防尘罩表面的局部位置，输送带下方的风量相对较小，风速也比模拟数值小。

通过试验数据表明，10 m/s 和15 m/s 的风速对防尘罩内部风速的影响不大，对防尘罩外部的风速影响较大。通过试验中利用燃香的烟雾在防尘罩内的流动观察罩内的流场，以及利用录像机拍摄的视频进行流场观察，与软件模拟的流场分布类似。

2.2 粉尘浓度

防尘罩在不同低、中、高不同位置，风速在10 m/s 和15 m/s 2 种情况下，带式输送机旁粉尘浓度值见表3。

从表3 的数值可以看出，防尘罩的位置越高，粉尘浓度越大，风速越高，粉尘浓度越大。通过分析可知，在实际设计时防尘罩位置可以选择在中间位置和低位置，粉尘都不会对环境产生影响。但是，防尘罩选择在低位置时，会使防尘罩的迎风面积增大，所受的风荷载增大，从而需要防尘罩厚度增大来提高其刚度，会使工程投资增大；另一方面，防尘罩选择在低位置，不便于运营维护人员观察带式输送机内部情况。因此，建议在实际设计时，防尘罩位置选择在中间位置。

表3 粉尘浓度值（颗粒直径≤10um，总尘）

3 工程实例应用

通过现场对防尘罩内风速和流场及带式输送机旁的粉尘浓度测试，结合数值模拟分析，充分优化确定了防尘罩的最终结构形式为“∩”型，防尘罩的最低遮挡高度为下层槽型托辊组边辊的中间位置，对防尘罩进行加强设计[7]，提高其横向刚度。防尘罩结构如图2。

图2 防尘罩结构

该防尘罩于2021 年2 月25 日成功地应用于锡林浩特胜利一号露天煤矿至胜利电厂长距离双向运输系统中，系统带式输送机全长约13 km，输煤和输灰的起点与终点基本重合，上带面正向将露天矿的煤运输至电厂，输送带宽度1 600 mm，输送能力3 000 t/h；下带面反向将电厂的粉煤灰输送至露天矿排土场，输送能力为500 t/h[8]。目前，该系统运行稳定，防尘罩满足当地大风的气候条件，带式输送机机沿线无粉尘污染现象，有效地保护了当地的草原生态环境。

4 结语

以锡林浩特胜利一号露天煤矿至电厂正向运煤、反向运灰的长距离平面转弯带式输送机系统工程为依托，通过理论研究，数值模拟，现场试验，反复优化，确定防尘罩最终的结构形式为“∩”型结构，遮挡高度为下层槽型托辊组边辊的中间位置，减少了自然风对上下带面上物料的影响。通过加强机架和防尘罩的设计强度，满足特殊气候条件下防尘罩风载荷要求。目前，该系统工程已稳定运行1 年多，实践证明，该防尘罩结构经受了8 级以下自然侧风的考验，不会对防尘罩内上下带面的物料产生扰动，也不会对环境产生粉尘污染，绿色环保，为类似上下带面同时带料的带式输送机防尘罩结构设计提供了理论基础和实践经验。