隧道工程连续带式输送机节能设计及应用

(青岛华夏橡胶工业有限公司，山东 青岛 266228)

隧道工程连续带式输送机节能设计及应用

李明霞陈霖

(青岛华夏橡胶工业有限公司，山东 青岛 266228)

连续带式输送机是隧道工程出渣系统中重要的运渣、排渣设备，影响着整个系统的运行效率和成本。其中输送带是带式输送机最关键的部件。本文对传统输送带的关键参数主要阻力进行理论分析，给出降低主要阻力的解决方法。针对传统输送带的结构和材料进行改进，得到一种新型节能HHE输送带。该新型输送带技术已成功应用于实际项目中。

连续带式输送机；HHE输送带；压陷阻力；节能设计

1 引 言

连续带式输送机是全断面硬岩掘进机TBM施工的重要出渣设备，具有输送距离长、连续作业等优点，已在国内外的铁路、地铁、水利等全断面硬岩掘进机施工现场得到广泛应用。在欧美国家，接近80%的隧道采用连续带式输送机出渣[1-2]，而随着中国经济的发展，对连续带式输送机的工程需求不断增大。连续带式输送机从应用的角度看，有必要进一步研究开发降低设备成本、减少能量消耗的连续带式输送机系统。目前国内外针对煤矿用带式输送机主要采用节能控制技术来降低能耗[3-4]。

输送带作为连续带式输送机的核心关键部件，是完成出渣工作的必不可少的部分，同时对带式输送机系统整体的成本与耗能具有较大的影响，因此，开展新型输送带结构设计并采取一定的节能措施，对于降低连续带式输送机的成本与能耗具有重要的研究意义。

本文针对TBM连续带式输送机，分析其能耗特点及耗能影响因素，通过与传统输送带对比，设计HHE轻型高强力钢丝绳芯输送带，对HHE输送带的性能进行理论分析和测试研究，分析HHE输送带的节能效果和特点，最后分别以两个隧道连续带式输送机的设计案例，验证该输送带的节能效果。

2 连续带式输送机特点及节能设计的途径分析

隧道工程连续带式输送机与其他场合用带式输送机相比，其特点主要体现在随工作面的推进延伸，延伸的过程不停机，在延伸过程中进行中间架和托辊组的安装、输送距离长、布置空间小、输送带宽度小、储带长度大、物料输送量较小，导致物料单位长度质量与输送带单位长度比较小等。

带式输送机的设计计算通常采用ISO5048、DIN22101、GB 50431—2008以及CEMA计算方法[5-9]。DIN22101将带式输送机的运行阻力划分为主要阻力、附加阻力、特种阻力和提升阻力等4种。其中后3种阻力取决于带式输送机的结构与功能设计，以及线路布置情况。附加阻力和特种阻力在总阻力中所占比例较小。主要阻力中输送带的压陷阻力占60%～70%。

主要阻力可按式(1)计算：

FH=fL[qRO+qRU+(2qB+qG)cosδ]g

(1)

式中FH—— 主要阻力，N；

f——模拟摩擦系数；

L——带式输送机长度(头尾滚筒的中心距)，m；

qRO——带式输送机承载分支每米机长托辊旋转部分质量，kg/m；

qRU——带式输送机回程分支每米机长托辊旋转部分质量，kg/m；

qB——每米输送带的质量，kg/m；

qG——输送带上每米物料的质量，kg/m；

g——重力加速度，9.81m/s2；

δ——输送倾角。

长距离水平重载带式输送机(长度1000m)的各部分阻力的比例关系[4]已经研究确定。根据隧道工程用连续带式输送机的特点，连续带式输送机的节能途径主要有：

a. 改善输送带覆盖橡胶的配方，降低输送带的压陷阻力。

b. 降低输送带的单位长度质量，以减小由输送带运动所产生的阻力(见图1)。

图1 带式输送机阻力的构成

3 连续带式输送机用HHE钢绳芯输送带的开发

3.1 HHE钢绳芯输送带的设计

针对隧道工程连续带式输送机的特点和节能途径，开发了连续带式输送机用HHE钢绳芯输送带，相对于传统的钢丝绳芯输送带，参考ISO-15236-1-2005[10]在以下方面进行了改进设计：

a. HHE钢绳芯带使用低压陷阻力覆盖胶，降低压陷阻力：在覆盖胶层设计中，采用低滞损失的弹性体作为主胶，低滞后损失的高分散性白炭黑和炭黑、橡胶/层状硅酸盐纳米复合材料等作为补强材料，降低覆盖层的压陷阻力(发明专利ZL 2014 1 0245492.0)。

b. 采用高强度、小直径的钢丝绳，降低输送带的单位长度质量：HHE钢丝绳芯输送带通过钢丝绳排布结构的优化设计，降低输送带单位长度质量。

c. 采用高耐磨性的输送带覆盖层降低覆盖层厚度：HHE使用超高耐磨覆盖胶，比传统ST磨耗性能提高70%。

表1为HHE1600和传统ST1600设计参数对比，图2为HHE和传统ST输送带断面对比。

表1 HHE1600和传统ST1600设计参数对比(带宽1000mm)

图2 HHE和传统ST输送带断面

3.2 HHE钢绳芯输送带的测试与分析

a. 覆盖层损耗因子的对比测试。常用的压陷滚动阻力模型是由JONKERS[11]提出的。其计算式是JONKERS用水平力推导的，滚动压陷阻力Fj为

(2)

式中Fj——压陷滚动阻力，N/mm；

W——输送带和物料产生的单位宽度垂直载荷,N/mm；

E′——输送带覆盖胶的储能模量，Pa;

h——输送带下覆盖层厚度,mm；

D——托辊直径,mm；

δ——输送带覆盖层的损耗角,rad。

以Jonkers模型为基础，现已开发使用了更为准确的压陷模型[12-16]；然而，因为能量损失和动态的材料特性，Jonkers方程仍然是最常用的模型，说明压陷滚动阻力与tanδ/E′(1/3)成正比例关系。

具有黏弹性流变特性输送带的结构参数随温度、加载频率等参数改变，图3为使用动态力学分析机(DMT)测试的覆盖层的损耗因子tanδ。图3中，1号为HHE低压陷阻力覆盖胶；2号为低滚动阻力胎面胶；3号为普通覆盖胶，表2为损耗因子tanδ的测试结果。可见，HHE低压陷阻力覆盖胶层损耗因子tanδ比普通覆盖胶下降25.45%。

图3 不同覆盖胶滞后损失测试结果

表2 损耗因子tanδ的测试结果

b. 输送带压陷变形的计算机模拟[17]。利用有限元分析软件ANSYS对托辊在输送带上滚动过程进行计算机仿真，如图4和图5所示。确定了托辊在输送带上的压陷深度和堆胶厚度。可以得出：HHE 型输送带压陷深度1.1595mm，由此所引起的堆胶高度0.95388mm；ST型输送带压陷深度2.6675mm，由此所引起的堆胶高度2.1263mm。由此可以看出，输送带在相同的输送速度下，HHE型输送带的堆胶高度，要明显小于ST型输送带的堆胶高度。HHE型输送带厚度越小，变形越小，阻力系数也越小。

图4 ST型压陷阻力变形量仿真分析

图5 HHE型压陷阻力变形量仿真分析

c. 压陷阻力的测试对比。对HHE与ST压陷阻力进行对比试验研究，设计了压陷阻力试验架，并采用实验室伺服控制拉力试验机对数据进行自动记录。 图6为压陷阻力试验台的设计原理，图7为进行压陷阻力的测试过程。图8为HHE和传统ST输送带的测试结果。

图6 压陷阻力试验台设计1-拉力试验机； 2-试验台；3-改向滑轮；4-拉力传感器

图7 压陷阻力测试

图8 HHE和ST输送带压陷阻力测试曲线

通过对比ST1600与HHE1600输送带试样从静止到移动的瞬时值，可以得到HHE1600试样的瞬时值为21.8N， ST1600试样的瞬时值为26.7N，对比此结果，能够得到，在同一输送系统中，采用HHE型输送带将比采用ST型输送带，可以降低18%耗能。

通过对比ST1600与HHE1600输送带试样单托辊压陷阻力的值，可以看出HHE1600试样的单托辊压陷阻力值为10.5N，而ST1600试样的单托辊压陷阻力值为13.5N，对比此结果，可以得到，在同一输送系统中，采用HHE型输送带将比采用ST型输送带，降低22.2%的阻力。

综合上述两条试验结论，在空载状态下，采用HHE型输送带比ST型输送带整体降低20.1%的能耗。

d. 输送带的成槽性测试。按照标准方法[18]对 HHE输送带和传统钢丝绳芯输送带进行测试。HHE1600成槽度可达到0.38，并且自由成槽，侧托辊槽角度可达70°，而传统ST输送带成槽度仅为0.25，侧托辊槽角度为55°。

成槽度决定了输送机带侧托辊槽形最大角度的选择，侧托辊槽形角度增大，输送机的输送能力增大，转弯半径减小。

e. 接头强度测试。传统ST1600采用二阶接头方式，接头强力可达到额定强度的90%以上；而HHE采用15级以上的钢丝绳布置方式(专利申请号：2016 2 0914909.2、2016 1 0703467.1)，接头强度可达到额定强度的95%以上，从检测后断面分析，钢丝绳并不是从接头处抽出，而是拉断。图9为接头强度测试。

图9 接头强度测试

3.3 采用HHE钢绳芯输送带的连续带式输送机系统的技术优势

a. HHE钢绳芯输送带降低了输送机运行过程的压陷阻力和输送带质量，具有明显的节能效果。

b. 提高单卷长度，减少接头停机接头次数，提高整机运行效率。

c. 提高接头强度，增加了输送带的安全性，提高输送带使用寿命。

d. 提高了输送带纵向柔性，输送带厚度降低和钢丝绳直径减小，减小带式输送机的滚筒直径。不仅降低了设备的投资，还可以降低对布置空间的要求。

4 HHE型输送带节能应用案例

以下通过两个隧道连续带式输送机的设计应用实例，对HHE节能输送带的选用及节能效果进行对比分析。

4.1 山西中部引黄水利工程

山西中部引黄水利工程连续带式输送机参数：带宽650mm；机长16000m；最小转弯半径800m；带速2.8m/s；提升高度200m。与传统输送带相比，节能输送系统设计结果对比见表3。

表3 山西中部引黄水利工程节能输送系统设计结果对比

4.2 兰州新水源地隧洞工程

兰州新水源地隧洞工程的连续带式输送机参数为：带宽710mm；机长14000m；最小转弯半径500m；带速3.15m/s；提升高度80m。与传统输送带相比，节能输送系统设计结果对比见表4。

表4 兰州新水源地隧洞工程节能输送系统设计结果对比

从上述案例中可见，不同的输送带类型，对带式输送机的功率消耗和输送带的强度有较大影响，采用HHE输送带可降低电动机功率20%以上(如考虑压陷阻力减小的因素，其节能效果会更大)。同时，降低了所选型驱动单元(电动机、减速机、控制器等)的规格，节省了投资。

5 结 论

输送带作为连续皮带机的核心关键部件，通过分析输送带的能耗特点和耗能因素，实现输送带关键参数的节能设计，针对连续带式输送机的技术需求，成功开发出HHE输送带，实现了设备投资成本和运行维护费用降低，节约电耗20%以上。通过山西中部引黄水利工程和兰州新水源地隧洞工程的实际应用，表明新型HHE型输送带可降低电机功率20%以上。

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Energysavingdesignandapplicationofcontinuousbeltconveyorfortunnelproject

LI Mingxia, CHEN Lin

(QingdaoHuaxiaRubberIndustryCo.,Ltd.,Qingdao266228,China)

Continuous belt conveyor is important slag transportation and slag discharge equipment in the slag output system of tunnel engineering, which affects the operation efficiency and cost of the whole system. Wherein, the conveyor belt is the most critical component of belt conveyors. In the paper, main resistance of key parameters in traditional conveyor belts is analyzed theoretically. The solution to reduce the main resistance is given. The structure and material of traditional conveyor belts are improved to obtain a novel energy-saving HHE conveyor belt. The novel conveyor belt technology has been successfully applied in practical projects.

continuous belt conveyor; HHE conveyor belt; sag resistance; energy-saving design

10.16616/j.cnki.11- 4446/TV.2017.011.003

TV222

B

1005-4774(2017)011-0011-06