大管径长距离管带机关键技术的应用探讨

陈鹏河

（福建龙净环保股份有限公司，福建 龙岩 364000）

随着我国国民经济的飞速发展，矿山、建材、化工、港口、粮食、电力、煤炭等部门对散状物料的输送提出了新的要求，要求管带机以长距离（单机输送长度）、大运量（高带速和大管径）和大倾角输送物料，但距离加长、管径加大导致了原先刚性结构及运动特性的改变，随之产生了一系列新的问题。

1 技术背景

1.1 圆管带式输送机介绍

管带机是在通用带式输送机的基础上逐渐发展起来的一种新型带式输送机，靠摩擦驱动使输送带及其输送的物料移动，并由按一定间距布置的正多边形（一般为正六边形）托辊组强制输送带卷成圆管形来运输物料，回程段根据现场需要可以设计成圆管形，也可以设计成一字形[1]。管带机主要由结构部件机架、头部漏斗、电动机、制动器、减速器、联轴器与液力耦合器等组成[2]。

1.2 长距离、大管径管带机研究现状

管带机是由日本JPC 公司于1964 年最先提出并成功投入使用的[3]。我国于20 世纪90 年代引进了管状带式输送机的设计和制造技术，最早研制圆管带式输送机的单位是太原重型机械学院，随后淮南煤矿机械厂、自贡运输机械总厂、华电重工、龙净环保先后与日本BRIDGESTONE 公司进行技术合作发展管带技术，而后北方重工、焦作科瑞森、山东力博、衡阳运机、科大重工等企业百花齐放。经过20 多年的发展，我国管带机的系统设计和设备制造已经实现了完全自主设计和国产化。

目前常见的大管径管带机管径为600mm、最长运距为15km，但是难以兼顾大管径和长距离的输送性能，一些关键技术尚需引起重视并加以深入研究和开发。

1.3 长距离、大管径管带机存在的主要问题

（1）管带机在长距离运输中，可能会引起胶带在头尾部翻面跑偏，或在滚筒上折叠，或在转弯区间扭转，导致设备无法运行或异常损坏。

（2）管径加大，导致管带机运动特性发生变化，传统的系统功率计算方法已不再适用，影响选型计算的准确性和投运后运行的稳定性。

（3）大管径管带机的管状结构对输送系统的通过量有严格要求，当系统流量超过最大通过能力时，将导致爆管现象，对输送机系统会造成严重损害[4]。

2 大管径管带机试验线

为了开展大管径管带机系统的试验及基础研究，福建某公司于龙州工业园某公司南侧设计并建造一条总长约80m 的大管径管带机试验线（见图1），取得了大管径管带输送机的生产许可证，证书编号为XK05-005-00895。

图1 大管径管带机试验线现场图

大管径管带机试验线考虑了适应多种试验研究的需要，以较高标准进行设计制造。该管带机为目前我国最大管径的Φ800mm 管带机，根据试验对象的不同，试验线经过简单拆装，就能改造为带宽2800mm的皮带机。通过试验线可以将理论计算、计算机仿真结果进行验证，预判大管径管带机在设计和工程中可能遇到的问题。

3 印度尼西亚爪哇工程项目管带机关键技术介绍

神华国华印度尼西亚爪哇2×1050MW 燃煤发电工程配套圆管带式输送机工程的示范项目是我国第一个海外百万千瓦级独立发电厂（IPP）火电项目。2019 年7 月，印度尼西亚爪哇示范工程项目完成并成功投运。图2 为项目管带示范工程现场，表1 为项目带式输送机基本参数。

3.1 管带输送机的系统参数选型

该项目从码头TH0 转运站至厂内1#转运站，进厂的BC3、BC4 管状带式输送机规格为管径600mm、带宽2250mm，属于标准规格的大管径管带机。该项目输送的物料为印度尼西亚当地供应的褐煤（平均密度为0.75t/m3、粒度为0—200mm）,单条管带机输送量约为3000t/h，综合计算单条管带机带速为5.6m/s。

该项目利用日本普利司通计算软件，并借鉴多年实践经验，针对大管径、长距离系统特性差异进行了调整。保证了管带输送机整体结构的合理稳定，实现了对超长距离、大运量管带输送机运行功率的精确计算。

3.2 提高输送机运行稳定性

（1）防过载。该项目采取从源头控制的理念，通过在上料胶带加装带导流板的限料装置，并在圆段入口安装安全挡板，以此形成双保险的防过载装置，从而限制物料被超流量输送，有效预防了圆管带式输送机的爆管现象。

表1 项目带式输送机基本参数

图2 项目管带示范工程现场图

（2）防叠带。管带机的折叠对胶带的横向弹性损伤很大，处理胶带的折叠也需要耗费大量时间和人力[5]。该项目在管带机过渡段采用了独特的“三点控制”技术来预防多种原因导致的胶带叠带现象。图3为该技术示意图。通过该项目的实际运行也验证了该控制技术可有效防止管带机过渡段叠带现象。

（3）防跑偏。管带机胶带的跑偏和扭曲是常见的故障，尤其在长距离运输中，可能会引起胶带在头尾部翻面或在滚筒上折叠，导致设备无法运行或异常损坏。如图4 所示，将容易发生扭曲的曲线段间隔布置成平底形和尖点形，并选用可调整PSK 托辊与胶带运行方向夹角的垫片，从而可有效防止胶带扭曲现象发生。

图3 管带机“三点控制”技术示意图

图4 管带机防跑偏技术图

（4）防腐蚀。该项目基于临海建设，其设备防腐问题显得非常重要。若不采取相应措施，严重时可能会出现设备材料本体穿孔现象，从而影响管带机安全运行。该项目选用符合国际通用标准的高等级防腐材料。设备外表面要求防腐工艺至少为2 层底漆和3 层面漆。具体防腐措施为：所有钢构均为工厂下料或焊接后整体镀锌，要求镀锌厚度不小于100μm；镀锌前要进行锈预处理，达到Sa2.5 级以及SSPC-SP10 的清洁度，表面粗糙度为中等粗糙度。热浸镀锌后不钝化，涂刷一道环氧底漆F60（5CJ），干膜厚度不小于30μm，一道丙烯酸聚氨酯面漆（OL4），干膜厚度不小于30μm。

（5）启动控制。由于输送距离长、带速高、运量大，因此配置了头尾2 套驱动装置。本管带采用先进的启动、停止过程控制技术，通过建立输送机的精确数学模型，对多驱动启动过程中速度和力传递进行了分析，得到了多驱动工况下不同电机的最佳启动延时和输出扭矩分配，并基于模糊逻辑控制理论设计了启动控制器，依据项目特点规划“时间—速度”曲线，有效控制输送机启动、制动过程中产生的电流冲击以及重载惯性带来的输送带行波冲击，减少了对配电网络的干扰和对机械结构的损害，实现了多驱动平衡技术和带速功率匹配技术。

3.3 计算机仿真技术的运用

该项目管带采用基于计算机辅助工程（CAE）的管带机力学仿真技术，模拟管带机的动态运行过程，得到输送带及各钢构件受力情况。该技术已获得国家专利授权《一种圆管带式输送机的运行仿真方法及装置》（CN 107239639 B）。

该项目在运行方向上有一个水平弧段，转弯半径为800m，转弯角度为20°，弧段的布置见图5。长距离、大管径圆管带式输送机在大角度转弯过程中，由于输送带的受力情况会发生较大变化，容易产生扭转等问题。

图5 项目弧段布置图

该项目技术团队采用上述仿真方法，通过建立输送带、托辊的三维实体模型，使用Lamina 的材料属性定义输送带，利用集中力载荷模拟输送带远端传递的张力及位移载荷模拟输送带的运行速度（见图6），实现了对胶带扭转的有效预防，实现了计算结果可视化、分析操作快速化、材料优化便捷化。

图6 项目输送带、托辊仿真模型图

3.4 抗高强度紫外线胶带选型

胶带是管带机的曳引机构和承载构件，是管带机最重要的部件，其选择恰当与否是管带机设计是否成功的决定性因素[6]。该项目地处赤道附近的沿海，年平均温度近26.9℃，BC3、BC4 管状带式输送机的布置环境为露天。故为确保设备的最佳性能，防紫外线工作尤为重要。

该项目选择国内某品牌专用钢丝绳芯阻燃型胶带，型号为ST1400-2250。此钢丝绳芯阻燃型胶带结构为抗拉体，选用低延伸镀锌钢丝绳，在纵向钢丝绳上面及下面均增设横向增强体作为防撕裂层，配以高强度、耐热和耐老化覆盖胶。该胶带覆盖胶具有较高的耐热、耐臭氧、耐紫外线、耐屈挠龟裂等性能，可适用于该项目中长距离、大管径的煤料输送。胶带具体基本技术参数见表2。

3.5 沉降地区结构优化设计

该项目的管带机输送线路经过引堤段易沉降地区，将改变管带机钢结构高度，从而大大影响输送机运行的稳定性。

为解决这一问题采取了以下措施：

（1）减小整体设备对易沉降地区的地基压强。该项目创新设计了贴地式桁架布置来代替传统的“桁架+立柱”结构，即采用将集中载荷均匀分散于局部的设计理念。该结构的三维建模方式如图7 所示，这种分散式基础可有效减小整体设备对易沉降地区的地基压强，进而减少沉降位移量。除此之外，该新式结构降低了桁架的钢结构制造成本，也大大减少了搭建桁架的工作量。

图7 分散式基础三维图

表2 输送带的基本技术要求

（2）优化管带机支撑结构，补偿地基沉降位移量。该项目配套设计了可调节高度的全托架结构,如图8 所示。当地基发生沉降时，可以调节全托架支腿高度，实现对沉降距离的补偿。即使遇到非均匀沉降状况，也可以进行局部精确的高度调节，从而维持管带机的最佳运行状态。

图8 全托架支腿调节示意图

4 项目安装过程分析

该项目涉及大量交叉作业，工期较紧且施工场地较为狭窄，不利于设备吊装。考虑到现场地形复杂，施工团队在陆域部分先安排地面组合，成型后再以吊装的方式安装到位，尽可能减少高空作业量；海域部分考虑到吊装难度大，采用小型自卸车单件吊装、现场组合的方式。由于该项目圆管带式输送机长达3.9km，距离太长，而且海域施工全部为独立支腿布置，为了给PSK 板安装奠定基础，要求的安装精度很高。总之，在如此复杂环境下，施工团队严格按设计执行，将误差控制在许可范围内，全程安全状况良好，为管带机稳定、安全运行提供了充分条件。

5 结语

各领域对散状物料的输送提出了新的要求，管带机向长距离、大管径的方向发展。印度尼西亚爪哇管带项目的管带输送机，采用了一系列关键技术，基本解决了长距离、大管径管带输送机设计过程中存在的问题，充分发挥了管带机大倾角输送、空间曲线布置、节能环保、资源消耗少等多方面的优势，对继续深入发展超大型管带输送机具有十分重要的借鉴意义。