林仁章，史嘉耿

相較于汽車運輸?shù)牡洼斔土?、高運營成本以及大量揚塵，皮帶機具有環(huán)保、輸送能力大、能耗低、維護成本低等優(yōu)勢，采用長距離皮帶機輸送石灰石已成為當下水泥廠輸送石灰石的首選方案。隨著長距離皮帶機設計理念和制造技術的成熟，長度為幾公里、十幾公里甚至幾十公里的皮帶機在水泥廠中的應用越來越多。

在由中材國際海外總承包的DANGOTE集團水泥廠項目中，長皮帶機的設計采用中材國際、四川自貢和美國CDI組成的合作體方式聯(lián)合設計。為實現(xiàn)節(jié)約用鋼量、簡化施工工序、縮短施工周期的目標，長皮帶機多采用一體化設計（皮帶機的中間架和支腿與桁架一體化），包括三角形桁架和矩形桁架兩種結(jié)構。本文初步總結(jié)中材國際DANGOTE項目中的一體化礦山長皮帶機的設計和理論分析方法，著重介紹這兩種結(jié)構的一體化礦山長皮帶機。表1為中材國際DANGOTE集團各項目長皮帶機結(jié)構形式。

1　一體化礦山長皮帶機的設計和理論分析方法

1.1　確定長皮帶機總體走向

長距離皮帶機設計首先要對礦山到廠區(qū)的地形和輸送環(huán)境進行查勘，了解布置區(qū)域內(nèi)的地質(zhì)條件，盡可能選取地質(zhì)條件好、輸送距離短、地勢起伏不大的路線。布置區(qū)域內(nèi)應盡量避開高壓線、輸油管線、居民密集居住區(qū)、高速公路、鐵路、河流、湖泊等；皮帶機盡可能貼附地勢布置，廊道的高度滿足凈空要求即可，盡量避免高支架以減少投資成本和運行成本；距離居民區(qū)較近時，皮帶機廊道需采用封閉設計以減少皮帶機運行噪聲對敏感區(qū)域環(huán)境的影響；跨越河流時需考慮河流水位變化，尤其汛期歷史最高水位；長皮帶機的設計還需考慮施工及巡檢道路，驅(qū)動裝置、翻帶裝置和張緊裝置等主要部件的布置，既要保證設備正常運行，又要兼顧供配電、維修的需要。

表1　中材國際DANGOTE集團各項目長皮帶機結(jié)構形式

在充分研究沿途地形的基礎上合理選取輸送路線，利用平面轉(zhuǎn)彎技術優(yōu)化輸送路線，并根據(jù)輸送能力初步計算膠帶的帶強，選取合理的帶速，對于帶強過大的皮帶機需進行必要的分段以有效降低膠帶選型帶強。

1.2　長皮帶機整體的靜態(tài)分析和動態(tài)分析

長皮帶機設計需對皮帶機整體進行靜態(tài)和動態(tài)分析。通過全面的靜態(tài)和動態(tài)分析，確定輸送系統(tǒng)各項技術控制參數(shù)，保證長皮帶在各種惡劣工況條件下均能平穩(wěn)可靠運行。

靜態(tài)分析包括：（1）帶寬帶速計算；（2）功率計算；（3）膠帶張力-帶強計算；（4）滾筒張力、拉緊力計算；（5）起弧半徑、水平轉(zhuǎn)彎半徑計算；（6）滾筒布置與選擇；（7）托輥布置與選擇；（8）翻帶計算；（9）啟動、制動時間計算等。通過靜態(tài)分析，可基本確定長皮帶機的各種選型參數(shù)。

圖1　輸送干料時的離散元分析　

動態(tài)分析包括：（1）各種工況下正常制動時，各點帶速、張力、驅(qū)動電機扭矩、拉緊位移等數(shù)值變化；（2）各種工況下緊急制動時，各點帶速、張力、驅(qū)動電機扭矩、拉緊位移等數(shù)值變化；（3）各種工況下正常啟動時，各點帶速、張力、驅(qū)動電機扭矩、拉緊位移等數(shù)值變化。通過動態(tài)分析可模擬皮帶機運行狀態(tài)，核驗靜態(tài)分析結(jié)果并調(diào)整相關選型參數(shù)。

1.3　頭部漏斗和溜子的離散元分析

采用離散元分析技術模擬物料的卸料軌跡，結(jié)合皮帶機布置形式設計流線型的卸料頭部漏斗和溜槽，不但可有效減少溜子磨損情況，降低物料對下游皮帶機的沖擊，而且可降低輸送干物料時帶來的揚塵，避免輸送濕物料產(chǎn)生的溜子堵塞問題。

輸送干料時的離散元分析見圖1，輸送濕料時的離散元分析見圖2。

1.4　桁架和立柱的有限元分析、3D3S鋼結(jié)構-空間結(jié)構設計分析

通過建立三維模型進行內(nèi)力線性與非線性分析、動力、模態(tài)等分析，模擬恒載和活載對桁架和立柱最不利的情況，以分析結(jié)構安全性。

桁架的有限元分析見圖3。

桁架的3D3S鋼結(jié)構-空間結(jié)構設計分析見圖4。

圖2　輸送濕料時的離散元分析

圖3　桁架的有限元分析　

圖4　桁架的3D3S鋼結(jié)構-空間結(jié)構設計分析

立柱的有限元分析見圖5。

立柱的3D3S鋼結(jié)構-空間結(jié)構設計分析見圖6。

1.5　輸送帶的有限元分析

輸送帶是長皮帶機最關鍵的組成部分之一，其性能和質(zhì)量對長皮帶機的整機性能、能耗和運行成本至關重要，正確選擇輸送帶是長皮帶機設計和制造中的關鍵。近二十年來的理論研究和現(xiàn)場實踐表明，對于一個水平無曲線的輸送機，去除物料提升或下坡運行等幾何因素，其空載運行時75%的能量消耗在輸送帶上。通過對輸送帶進行有限元分析，可獲得膠帶上下蓋膠配方、芯膠成分、鋼絲繩直徑強度及分布排列方式和邊緣狀態(tài)等的最優(yōu)解決方案。

圖5　立柱的有限元分析

圖6　立柱的3D3S鋼結(jié)構-空間結(jié)構設計分析

平直輸送機的空載功率消耗見圖7。

圖7　平直輸送機的空載功率消耗

圖8　輸送帶下蓋膠在托輥上滾動接觸變形的有限元數(shù)值模擬

輸送帶下蓋膠在托輥上滾動接觸變形的有限元數(shù)值模擬見圖8。

2　三角形桁架結(jié)構皮帶機

以Nigeria Obajana 3&4項目中的三角形桁架結(jié)構皮帶機為例，該項目長皮帶機帶速5m/s，最大能力1 800t/h，輸送距離總長度約10 070m，中間無轉(zhuǎn)運，整體呈下降趨勢，下降高度約80m，傾角在4°～6°之間，沿途穿越道路、現(xiàn)有皮帶機廊道、沖溝、小溪和河流等，多處地形均有大面積的開挖。長皮帶機水平轉(zhuǎn)彎共5處，最大水平轉(zhuǎn)彎半徑5.35km，最小水平轉(zhuǎn)彎半徑2km。

項目采用的三角形桁架長度分為24m、30m和36m。桁架各桿件均為標準件，并按相同桿件集中包裝發(fā)貨，桁架現(xiàn)場裝配。托輥支架安裝在下弦桿的桿件上，托輥安裝在托輥架上。三角形桁架結(jié)構（見圖9）無需設置檢修廊道，皮帶機的日常巡檢采用檢修小車（見圖10）。檢修小車自帶小型柴油發(fā)電機和制動系統(tǒng)，可以在桁架上勻速前進。需要注意的是，三角形桁架皮帶機僅適用于傾角＜7°的皮帶機，否則小車的爬升有困難。

3　矩形桁架結(jié)構皮帶機

圖9　三角形桁架

圖10　檢修小車

以Ethiopia項目的矩形桁架結(jié)構皮帶機為例，Ethiopia項目地處約2 600m高海拔高原環(huán)境，長皮帶機輸送距離總長度～3 880m，整體呈不斷爬升趨勢，采用兩段皮帶機接力輸送，提升總高度達到～540m，沿線地形復雜，沿途穿越山嶺、沖溝、道路、村莊和峽谷（峽谷跨度＞120m，深度近40m）等，山體坡度起伏變化較大，且沒有現(xiàn)成道路及供電，設計及施工難度特別大。長皮帶機最大能力1 600t/h，帶速5.6m/s，傾角在0°～15°之間，帶有2處水平轉(zhuǎn)彎，水平轉(zhuǎn)彎半徑3km。

一般矩形桁架（見圖11）長度分為18m、24m、30m和36m。桁架各桿件均為標準件，相同桿件集中包裝發(fā)貨，桁架現(xiàn)場裝配。托輥支架安裝在下弦桿的桿件上，托輥安裝在托輥架上。兩側(cè)的走道板（見圖11）從桁架的梁上挑出，用于日常的巡檢。矩形桁架的立柱及兩側(cè)走道板見圖12。

4　一體化長皮帶機的優(yōu)勢

圖11　矩形桁架

圖12　矩形桁架的立柱及兩側(cè)走道板

4.1　明顯節(jié)約了用鋼量

不同跨度的普通棧橋、三角形桁架以及矩形桁架的結(jié)構件用鋼量見表2。

以總長為1km、立柱高度為6m的B1000皮帶機為例，對30m跨度普通棧橋皮帶機、36m跨度三角形桁架皮帶機和24m跨度矩形桁架皮帶機總用鋼量對比如下：

30m跨度普通棧橋皮帶機：皮帶機支腿按照3m間隔設置，每對支腿的重量約為0.052t，中間架以每6m為一組，每組中間架的重量約為0.123t，故1km長的B1000普通桁架皮帶機的所有中間架和支腿重量之和為：W1=（1 000/6）×0.123+（1 000/3+1）×0.052=37.9t；所有立柱重量為：W2=（1 000/30）×0.6=20t；所有桁架重量為：W3=（1 000/30）×8.8=293.3t。同理，可計算得：

36m跨度三角形桁架皮帶機：

所有立柱重量W2=（1 000/36）×1.4=38.9t

所 有 桁 架 重 量 W3=（1 000/30）×8.8=244.4t。

24m跨度矩形桁架皮帶機：

所有立柱重量W2=（1 000/24）×1.4=58.3t

所 有 桁 架 重 量 W3=（1 000/24）×4.5=187.5t

所有走道重量W4=1 000×0.062=62t。

從表2、表3的數(shù)據(jù)可以看出，對于總長為1km、立柱高度為6m的B1000皮帶機，采用矩形桁架，桁架總重量比普通棧橋節(jié)約用鋼量43.4t，節(jié)約幅度約12.3%；采用三角形桁架，桁架總重量比普通棧橋節(jié)約用鋼量67.9t，節(jié)約幅度高達近1/5。一體化結(jié)構皮帶機總的用鋼量明顯小于普通棧橋結(jié)構皮帶機，而且無需中間架和支腿，節(jié)省了用鋼量和設備費用，節(jié)省了項目投資。

表2　三種結(jié)構形式結(jié)構件用鋼量

表3　三種結(jié)構形式總用鋼量對比

表4　三種結(jié)構形式施工工期對比*

4.2　大大縮短了施工工期（表4）

普通棧橋皮帶機在現(xiàn)場先施工支架的混凝土基礎，棧橋在現(xiàn)場加工后進行吊裝，最后再進行皮帶機中間架、支腿、托輥架、托輥和膠帶的安裝。普通棧橋皮帶機的土建施工和設備安裝周期長，現(xiàn)場制作的桁架精度較差，海外工程施工難度相對較大。而一體化桁架結(jié)構皮帶機，一方面由于所有的桿件和支架均為標準件，工廠制作加工精度高，桿件運輸?shù)浆F(xiàn)場后，大部分采用螺栓連接拼裝，之后進行整體吊裝，現(xiàn)場安裝非常方便；另一方面，由于中間架和支腿與桁架一體化，簡化了安裝工序，皮帶機的安裝只需安裝托輥架、托輥和膠帶，大大減少了現(xiàn)場的安裝時間，有效縮短了施工工期。

5　結(jié)語

總的來說，一體化桁架結(jié)構皮帶機整體效果比較好，皮帶機與桁架得到了很好的契合。一體化桁架可有效節(jié)省項目投資、縮短現(xiàn)場施工以及安裝時間，適應了目前海外總承包工程項目的需求。需要注意的是，海外項目的海運時間長，長皮帶又是關鍵設備，需要合理組織運輸，提前做好計劃，國內(nèi)的制造和發(fā)運需要滿足項目節(jié)點的要求。同時皮帶機的安裝與桁架一體化對現(xiàn)場的安裝技術提出了更高的要求。長皮帶結(jié)構形式的選擇，除了考慮投資和項目進度，還需結(jié)合業(yè)主的要求和現(xiàn)場的基礎條件，進行多方面綜合考慮?！?/p>