劉立波，周 啟

（中煤科工集團沈陽設(shè)計研究院有限公司，遼寧 沈陽 110015）

帶式輸送機是散狀物料輸送中最重要的連續(xù)輸送設(shè)備，廣泛應(yīng)用于礦山、冶金、電力、建材、化工、糧食及港口等行業(yè)[1]。與其他運輸設(shè)備相比，具有輸送距離長、運量大、效率高、能耗低、運營成本低、易于實現(xiàn)自動化和集中控制等諸多優(yōu)點[2]。隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，帶式輸送機上帶面和下帶面同時帶料已經(jīng)在工程中得到應(yīng)用。通常，為了防止長距離帶式輸送機在運輸過程中對環(huán)境產(chǎn)生污染，設(shè)計時采用防塵罩將物料遮蓋。然而，對于上下帶面同時帶料的帶式輸送機來說，防塵罩結(jié)構(gòu)和高度如何設(shè)置將對工程投資、運營維護、環(huán)境保護等產(chǎn)生重大影響[3-5]。如果防塵罩高度設(shè)置離地面過低，上下帶面運輸?shù)奈锪显诜缐m罩內(nèi)受到正反向運輸?shù)恼T導(dǎo)風作用下發(fā)生相互污染，而且防塵罩將帶式輸送機所有部件都包裹在其中不便于巡檢人員進行觀察和維護，對于處在大風地區(qū)的工程項目，帶式輸送機將受到較大的橫向風荷載，防塵罩需要有較強的剛度。如果防塵罩高度設(shè)置離地面過高，會使運輸過程中粉塵外溢，污染環(huán)境。為此，以錫林浩特勝利一號露天煤礦至電廠正向運煤、反向運灰的長距離平面轉(zhuǎn)彎帶式輸送機防塵罩為研究對象，主要針對電廠生產(chǎn)的副產(chǎn)品粉煤灰在運輸過程中產(chǎn)生的粉塵通過理論和試驗研究，確定雙向運輸帶式輸送機防塵罩的結(jié)構(gòu)形式和合適高度，為長距離雙向運輸帶式輸送機防塵罩設(shè)計提供理論基礎(chǔ)和實踐支撐。

1 試驗設(shè)計

常用帶式輸送機采用的防塵罩只對上帶面物料進行遮擋，其結(jié)構(gòu)已趨于標準化和規(guī)范化，設(shè)計時可以根據(jù)工程需要選擇不同厚度的產(chǎn)品[6]。對于雙向（煤/灰）運輸帶式輸送機，運輸過程中輸送帶在托輥上顛簸振動、物料與空氣摩擦以及風力作用會產(chǎn)生大量粉塵，會對輸送機沿線兩側(cè)的環(huán)境造成污染，特別是對于錫林浩特地區(qū)草原生態(tài)環(huán)境優(yōu)美，對環(huán)境保護提出了更高的要求。因此，對于上帶面和下帶面同時帶料，防塵罩不僅要同時遮擋上下帶面的物料，同時還要綜合考慮工程現(xiàn)場實際環(huán)境條件，運輸過程的粉塵處理，盡可能減少風載荷對結(jié)構(gòu)的影響。

試驗用主要材料及設(shè)備見表1。

表1 試驗用主要材料及設(shè)備

試驗利用現(xiàn)有正在運行生產(chǎn)的帶式輸送機系統(tǒng)，通過離心風機在防塵罩側(cè)面強制吹風，模擬新建系統(tǒng)運行時受到自然側(cè)向風，風速為10 m/s 和15 m/s。將防塵罩設(shè)置在高、中、低3 個不同的位置，測量帶式輸送機在空載、運煤、運灰3 種工況下遇側(cè)向風時防塵罩內(nèi)的流場、風速以及粉塵濃度，通過對測試數(shù)據(jù)分析結(jié)合軟件模擬，確定防塵罩最佳的結(jié)構(gòu)形式。試驗方案布置示意圖如圖1。

圖1 試驗方案布置示意圖

1）流場測試。利用燃香散發(fā)的煙霧隨空氣流動的流向來測定防塵罩內(nèi)部的流場流向。在試驗段帶式輸送機首尾位置的中間架上設(shè)置支架，將2 臺錄像儀分別固定在支架上，確保錄像儀畫面不受輸送帶振動影響。將防塵罩設(shè)置最低點，在空載狀態(tài)下開啟帶式輸送機，將離心風機分別開啟至10 m/s 和15 m/s，風速模擬自然橫風，點燃燃香并伸入防塵罩內(nèi)，通過攝像機的實時錄像功能檢測燃點位置，當燃點位置位于測點后固定燃香，并打開錄像機的錄像功能，記錄下燃香散發(fā)煙霧的流動情況，得到空載情況下的流場分布。采用同樣的方法得到運煤和運灰狀態(tài)下的流場分布。然后分別提升防塵罩高度得到防塵罩3 種不同高度下空載、運煤和運灰的流場分布。

2）風速測試。試驗方案共布置了1#～7#7 個測點，其中1#測點位于遠離風機側(cè)的最高位置，2#測點位于輸送帶上方低于1#測點的位置，3#測點位于槽型托輥組橫梁靠上的位置，4#、5#、6#測點位于靠近風機側(cè)與1#、2#、3#測點關(guān)于帶式輸送機中心線對稱布置，7#測點與1#、4#測點在同一水平線上位于靠近防塵罩中心位置。將熱膜風速儀的探頭分別固定在不同測點位置，通過數(shù)據(jù)線將數(shù)據(jù)導(dǎo)出至數(shù)據(jù)采集儀，將離心風機分別開啟至風速10 m/s 和15 m/s，風速模擬自然橫風，得到各測點的實時風速，然后進行帶式輸送機在空載、運煤、運灰3 種工況的風速測定。再通過調(diào)整防塵罩高度位置，采用同樣的方法得到防塵罩在低、中、高3 個高度位置下帶式輸送機空載、運煤和運灰3 種工況的風速測定。從而得到防塵罩不同高度對風速的影響，結(jié)合煙霧圖像得到的風流流場，從而可以得到防塵罩內(nèi)不同情況下的風流流場具體情況。

3）濃度測試。將涂抹硅油的沖擊板裝入采樣頭，向里撥動推桿，將裝有濾膜的濾膜夾插入直讀式粉塵濃度采樣儀中，開機采樣，將粉塵濃度儀分別放置在防塵罩底部進出風口處，測量呼吸性粉塵。測量風速10 m/s 和15 m/s 情況下帶式輸送機空載、運煤、運灰3 種工況下的的呼吸性粉塵濃度。取出采樣頭上的沖擊板，調(diào)整防塵罩的高度位置，重復(fù)上述操作得到防塵罩在不同高度的粉塵濃度。

2 試驗結(jié)果

2.1 風速值

采集了各測點在不同工況下的風速值，對其取平均值，不同工況下各測點風速平均值見表2。

表2 不同工況下各測點風速平均值

表2 中數(shù)據(jù)負值是測量出現(xiàn)錯誤忽略不計。由表2 中的數(shù)據(jù)防塵罩內(nèi)部測點1#、2#、4#測點的速度都比較小，基本上都小于0.5 m/s，與ANSYS 計算的流場結(jié)果相一致。5#測點處風速稍大，也和計算結(jié)果相一致。6#測點位置位于輸送帶下方，靠近風機出風口，速度可達9 m/s，與計算不大相符，主要因為計算數(shù)據(jù)顯示風速是要達到20～30 m/s 左右的結(jié)果，另外一個原因是由于試驗是在嚴冬季節(jié)，現(xiàn)場溫度最低可達-35 ℃，試驗條件受限，風機出風口大小有限，只能吹到防塵罩表面的局部位置，輸送帶下方的風量相對較小，風速也比模擬數(shù)值小。

通過試驗數(shù)據(jù)表明，10 m/s 和15 m/s 的風速對防塵罩內(nèi)部風速的影響不大，對防塵罩外部的風速影響較大。通過試驗中利用燃香的煙霧在防塵罩內(nèi)的流動觀察罩內(nèi)的流場，以及利用錄像機拍攝的視頻進行流場觀察，與軟件模擬的流場分布類似。

2.2 粉塵濃度

防塵罩在不同低、中、高不同位置，風速在10 m/s 和15 m/s 2 種情況下，帶式輸送機旁粉塵濃度值見表3。

從表3 的數(shù)值可以看出，防塵罩的位置越高，粉塵濃度越大，風速越高，粉塵濃度越大。通過分析可知，在實際設(shè)計時防塵罩位置可以選擇在中間位置和低位置，粉塵都不會對環(huán)境產(chǎn)生影響。但是，防塵罩選擇在低位置時，會使防塵罩的迎風面積增大，所受的風荷載增大，從而需要防塵罩厚度增大來提高其剛度，會使工程投資增大；另一方面，防塵罩選擇在低位置，不便于運營維護人員觀察帶式輸送機內(nèi)部情況。因此，建議在實際設(shè)計時，防塵罩位置選擇在中間位置。

表3 粉塵濃度值（顆粒直徑≤10um，總塵）

3 工程實例應(yīng)用

通過現(xiàn)場對防塵罩內(nèi)風速和流場及帶式輸送機旁的粉塵濃度測試，結(jié)合數(shù)值模擬分析，充分優(yōu)化確定了防塵罩的最終結(jié)構(gòu)形式為“∩”型，防塵罩的最低遮擋高度為下層槽型托輥組邊輥的中間位置，對防塵罩進行加強設(shè)計[7]，提高其橫向剛度。防塵罩結(jié)構(gòu)如圖2。

圖2 防塵罩結(jié)構(gòu)

該防塵罩于2021 年2 月25 日成功地應(yīng)用于錫林浩特勝利一號露天煤礦至勝利電廠長距離雙向運輸系統(tǒng)中，系統(tǒng)帶式輸送機全長約13 km，輸煤和輸灰的起點與終點基本重合，上帶面正向?qū)⒙短斓V的煤運輸至電廠，輸送帶寬度1 600 mm，輸送能力3 000 t/h；下帶面反向?qū)㈦姀S的粉煤灰輸送至露天礦排土場，輸送能力為500 t/h[8]。目前，該系統(tǒng)運行穩(wěn)定，防塵罩滿足當?shù)卮箫L的氣候條件，帶式輸送機機沿線無粉塵污染現(xiàn)象，有效地保護了當?shù)氐牟菰鷳B(tài)環(huán)境。

4 結(jié)語

以錫林浩特勝利一號露天煤礦至電廠正向運煤、反向運灰的長距離平面轉(zhuǎn)彎帶式輸送機系統(tǒng)工程為依托，通過理論研究，數(shù)值模擬，現(xiàn)場試驗，反復(fù)優(yōu)化，確定防塵罩最終的結(jié)構(gòu)形式為“∩”型結(jié)構(gòu)，遮擋高度為下層槽型托輥組邊輥的中間位置，減少了自然風對上下帶面上物料的影響。通過加強機架和防塵罩的設(shè)計強度，滿足特殊氣候條件下防塵罩風載荷要求。目前，該系統(tǒng)工程已穩(wěn)定運行1 年多，實踐證明，該防塵罩結(jié)構(gòu)經(jīng)受了8 級以下自然側(cè)風的考驗，不會對防塵罩內(nèi)上下帶面的物料產(chǎn)生擾動，也不會對環(huán)境產(chǎn)生粉塵污染，綠色環(huán)保，為類似上下帶面同時帶料的帶式輸送機防塵罩結(jié)構(gòu)設(shè)計提供了理論基礎(chǔ)和實踐經(jīng)驗。