圆管带式输送机设计要素探究

2024-01-03张广生常小林

机械工程与自动化 2023年6期

张广生，常小林

(太重集团向明智能装备股份有限公司，山西太原 030032)

0 引言

圆管带式输送机基于普通皮带机发展而来,作为一种环保散料输送设备越来越多地应于地面集运站、冶金、港口和矿山开采中,输送过程中胶带在头、尾过渡段打开,中间部分胶带包裹全程封闭,物料无扬尘、无洒落,实现了绿色输送。伴随圆管带式输送机技术的日益成熟,其未来发展趋势是:①无人自动巡检机器人的应用;②芳纶带接头强度问题若能突破,圆管带式输送机的驱动及钢结构设计上将发生质的变化。圆管带式输送机工作过程中会遭遇低温、雨雪、满载启停机、紧急制动停机等各种工况,设计时必须考虑这些工况的存在,以保证圆管带式输送机安全正常工作。为此,本文对圆管带式输送机的设计要素进行了探究。

1 圆管带式输送机的组成及特点

圆管带式输送机在尾部受料,经尾部过渡段逐渐将胶带卷成圆管状进行物料封闭输送,经过头部过渡段再逐步将胶带展开至卸料。圆管带式输送机由驱动滚筒、改向滚筒、机头过渡段、机身桁架及立柱、机尾过渡段、驱动装置、拉紧装置、六边型托辊、中部走道、翻带装置及胶带组成,如图1所示。

图1 圆管带式输送机组成

圆管带式输送机的主要特点是物料全封闭输送、运输线路可以沿地形水平及垂直面弯曲、可实现双向物料输送、运行过程无胶带跑偏。

2 圆管带式输送机设计要素

2.1 选择合适的线路地形

圆管带式输送机需要依据起点与终点之间的地形选择合适的线路进行设计,线路地形选择的合适与否直接影响圆管带式输送机的装机功率、胶带选型、钢结构用钢量和后期设备安装等。圆管带式输送机线路应避让沿线村庄、厂区、自然保护区和采矿坍陷区,尽量避免占用基本农田、跨越省级公路、高速公路、宽阔河流,山区内尽量避免开隧道。

北方工矿企业大多在山区,地形起伏蜿蜒,线路通常在平、立面起伏拐弯。线路小曲率半径必须满足设计要求,平面线路最小曲率半径根据胶带类型须满足表1规定要求,立面线路最小曲率半径根据胶带类型须满足表2规定要求[1]。聚酯和聚氨酯织物芯输送带水平转弯段对应的最大圆心角不宜超过100°,钢丝绳芯输送带水平转弯对应的最大圆心角不宜超过90°。

表1 平面线路最小曲率半径Rmin与输送带类型、管径及曲线段圆心角的关系

表2 立面线路最小曲率半径Rmin与输送带及曲线类型的关系

当凸弧与凹弧相邻布置时,两曲线段间应通过直线段连接,直线段的最小长度LS按以下公式计算:

(1) 聚酯织物芯和聚氨酯织物芯输送带:LS≥50dg。

(2) 钢丝绳芯输送带:LS≥100dg。

2.2 胶带特性的选取

胶带是圆管带式输送机的核心组成部分,占整机投资的30%～45%,胶带的特性选取对于圆管带式输送机至关重要。胶带的强度是输送带的主要技术指标,主要包括两部分:①纵向拉伸强度,即通常所说的带强;②横向刚性,由于测试方法和测试结果的复杂性,其横向刚度值一直没有在国家标准中提出,一般都是由胶带厂家根据自己实际生产工艺给定。目前关于胶带的横向刚性,只有石油化工行业内标准T/CPCIF 0022-2018《管状带式输送横向刚性和屈挠疲劳性能实验方法》规定的一种测试实验方法[2]。

圆管带式输送机胶带横向刚性是影响胶带成型的一个重要参数值,其刚性过大或过小都会对胶带的使用性能、功率消耗、使用寿命产生直接影响。胶带横向刚性值大小对圆管带式输送机的主要影响如下:

横向刚性太大,难以成管,直接导致前期圆管带式输送机的安装穿带过程比较困难。穿带完成后,由于胶带反弹力使桁架上托辊受到的径向力增大,开机运行托辊与胶带摩擦阻力增大,导致托辊磨损严重、使用寿命降低、电机运行功率增大。横向刚性太小,则容易出现塌管现象,如图2所示。塌管后六边形托辊无法全部有效支撑胶带,导致胶带在运行过程中扭转。当胶带扭转严重出现胶带反包,引起胶带搭接处出现缝隙造成圆管带式输送机沿线撒料。

图2 胶带成管后出现塌管现象

设计圆管带式输送机时,选择合适的胶带是非常重要的,如果胶带的特性已确定,则圆管带式输送机的可靠性也就确定了。所以设计选定胶带后,必须让胶带厂家提供选定胶带的横向刚性值实验数据,以便于进行复核计算。

2.3 环境气候对圆管带式输送机的影响

圆管带式输送机在设计前期必须考虑设备所属地区环境气候,如多雨雪、温差、常年多风等因素的影响。

(1) 圆管带式输送机在运行过程遭遇雨雪时,当胶带面被雨雪水打湿后,雨水在胶带与托辊之间形成水膜,导致胶带与托辊摩擦力变小,在线路转弯段由于胶带内物料离心力易造成胶带滑移扭转,影响圆管带式输送机运行安全。因此,在多雨雪的地区必须考虑在桁架上加装防雨罩,覆盖桁架及行人走道两侧,以减少雨雪对圆管带式输送机运行过程的影响。

(2) 圆管带式输送机在设计过程中选择胶带应考虑地区温度因素。当工作环境温度低于-25 ℃时,宜选择耐寒胶带;当输送物料温度高于60 ℃时,宜选用耐热胶带。圆管带式输送机主要用于地面输送系统,工作地区冬季昼夜温差对运行功率的影响较大[3],温度修正系数见表3。

表3 温度修正系数

圆管带式输送机主要阻力计算模拟摩擦因数f为:

f=f0f1f2f3.

其中:f0为基准模拟摩擦因数;f1为管径修正系数;f2为胶带拉伸强度修正系数;f3为温度修正系数。

例如:某工程案例DG300圆管带式输送机选用钢丝绳芯胶带,线路长度为1 921.3 m,运量为500 t/h,带速为3.15 m/s,设计时选取电机功率为710 kW,工作环境温度分别在-10 ℃和-20 ℃时的计算结果如图3、图4所示。

图3 -10 ℃计算结果

图4 -20 ℃计算结果

由图3和图4可以看出:满载工况下,当工作环境温度为-10 ℃时,启动功率为613 kW(见图3),工作环境温度为-20 ℃时启动功率为732 kW,设计功率不满足使用要求,张紧力也不满足,必须增加13 kN张紧力(见图4),否则驱动滚筒处易打滑;胶带启动安全系数随温度的变化由-10 ℃时的10.01变为-20 ℃时的9.07。由此可见,温度对圆管带式输送机的影响远远不止是运行功率,所以在圆管带式输送机设计时温度是一个重要的设计参照要素。

(3) 圆管带式输送机安装后桁架、立柱构成一个整体,当风载作用于整体钢结构上,钢结构的刚度和强度须满足设计要求。在风载动态环境下,即脉动风压作用下,圆管带式输送机整体钢结构易产生失稳。

作用于钢结构上的风载荷计算公式为:

Pf=CKhqA.

其中:C为风压系数;Kh为风压高度变化系数;q为计算风压;A为钢结构垂直于风向的迎风面积。

在多风环境下尽量减小钢结构迎风面积,可有效减小对桁架的作用载荷。设计时通常在最大风载工况下对桁架与立柱进行整体受力加载分析。在满足钢结构刚度和强度的要求下,应尽量优化杆件选型,减少用钢量。