中材国际DANGOTE项目一体化长皮带机介绍

林仁章，史嘉耿

相较于汽车运输的低输送量、高运营成本以及大量扬尘，皮带机具有环保、输送能力大、能耗低、维护成本低等优势，采用长距离皮带机输送石灰石已成为当下水泥厂输送石灰石的首选方案。随着长距离皮带机设计理念和制造技术的成熟，长度为几公里、十几公里甚至几十公里的皮带机在水泥厂中的应用越来越多。

在由中材国际海外总承包的DANGOTE集团水泥厂项目中，长皮带机的设计采用中材国际、四川自贡和美国CDI组成的合作体方式联合设计。为实现节约用钢量、简化施工工序、缩短施工周期的目标，长皮带机多采用一体化设计（皮带机的中间架和支腿与桁架一体化），包括三角形桁架和矩形桁架两种结构。本文初步总结中材国际DANGOTE项目中的一体化矿山长皮带机的设计和理论分析方法，着重介绍这两种结构的一体化矿山长皮带机。表1为中材国际DANGOTE集团各项目长皮带机结构形式。

1　一体化矿山长皮带机的设计和理论分析方法

1.1　确定长皮带机总体走向

长距离皮带机设计首先要对矿山到厂区的地形和输送环境进行查勘，了解布置区域内的地质条件，尽可能选取地质条件好、输送距离短、地势起伏不大的路线。布置区域内应尽量避开高压线、输油管线、居民密集居住区、高速公路、铁路、河流、湖泊等；皮带机尽可能贴附地势布置，廊道的高度满足净空要求即可，尽量避免高支架以减少投资成本和运行成本；距离居民区较近时，皮带机廊道需采用封闭设计以减少皮带机运行噪声对敏感区域环境的影响；跨越河流时需考虑河流水位变化，尤其汛期历史最高水位；长皮带机的设计还需考虑施工及巡检道路，驱动装置、翻带装置和张紧装置等主要部件的布置，既要保证设备正常运行，又要兼顾供配电、维修的需要。

表1　中材国际DANGOTE集团各项目长皮带机结构形式

在充分研究沿途地形的基础上合理选取输送路线，利用平面转弯技术优化输送路线，并根据输送能力初步计算胶带的带强，选取合理的带速，对于带强过大的皮带机需进行必要的分段以有效降低胶带选型带强。

1.2　长皮带机整体的静态分析和动态分析

长皮带机设计需对皮带机整体进行静态和动态分析。通过全面的静态和动态分析，确定输送系统各项技术控制参数，保证长皮带在各种恶劣工况条件下均能平稳可靠运行。

静态分析包括：（1）带宽带速计算；（2）功率计算；（3）胶带张力-带强计算；（4）滚筒张力、拉紧力计算；（5）起弧半径、水平转弯半径计算；（6）滚筒布置与选择；（7）托辊布置与选择；（8）翻带计算；（9）启动、制动时间计算等。通过静态分析，可基本确定长皮带机的各种选型参数。

图1　输送干料时的离散元分析　

动态分析包括：（1）各种工况下正常制动时，各点带速、张力、驱动电机扭矩、拉紧位移等数值变化；（2）各种工况下紧急制动时，各点带速、张力、驱动电机扭矩、拉紧位移等数值变化；（3）各种工况下正常启动时，各点带速、张力、驱动电机扭矩、拉紧位移等数值变化。通过动态分析可模拟皮带机运行状态，核验静态分析结果并调整相关选型参数。

1.3　头部漏斗和溜子的离散元分析

采用离散元分析技术模拟物料的卸料轨迹，结合皮带机布置形式设计流线型的卸料头部漏斗和溜槽，不但可有效减少溜子磨损情况，降低物料对下游皮带机的冲击，而且可降低输送干物料时带来的扬尘，避免输送湿物料产生的溜子堵塞问题。

输送干料时的离散元分析见图1，输送湿料时的离散元分析见图2。

1.4　桁架和立柱的有限元分析、3D3S钢结构-空间结构设计分析

通过建立三维模型进行内力线性与非线性分析、动力、模态等分析，模拟恒载和活载对桁架和立柱最不利的情况，以分析结构安全性。

桁架的有限元分析见图3。

桁架的3D3S钢结构-空间结构设计分析见图4。

图2　输送湿料时的离散元分析

图3　桁架的有限元分析　

图4　桁架的3D3S钢结构-空间结构设计分析

立柱的有限元分析见图5。

立柱的3D3S钢结构-空间结构设计分析见图6。

1.5　输送带的有限元分析

输送带是长皮带机最关键的组成部分之一，其性能和质量对长皮带机的整机性能、能耗和运行成本至关重要，正确选择输送带是长皮带机设计和制造中的关键。近二十年来的理论研究和现场实践表明，对于一个水平无曲线的输送机，去除物料提升或下坡运行等几何因素，其空载运行时75%的能量消耗在输送带上。通过对输送带进行有限元分析，可获得胶带上下盖胶配方、芯胶成分、钢丝绳直径强度及分布排列方式和边缘状态等的最优解决方案。

图5　立柱的有限元分析

图6　立柱的3D3S钢结构-空间结构设计分析

平直输送机的空载功率消耗见图7。

图7　平直输送机的空载功率消耗

图8　输送带下盖胶在托辊上滚动接触变形的有限元数值模拟

输送带下盖胶在托辊上滚动接触变形的有限元数值模拟见图8。

2　三角形桁架结构皮带机

以Nigeria Obajana 3&4项目中的三角形桁架结构皮带机为例，该项目长皮带机带速5m/s，最大能力1 800t/h，输送距离总长度约10 070m，中间无转运，整体呈下降趋势，下降高度约80m，倾角在4°～6°之间，沿途穿越道路、现有皮带机廊道、冲沟、小溪和河流等，多处地形均有大面积的开挖。长皮带机水平转弯共5处，最大水平转弯半径5.35km，最小水平转弯半径2km。

项目采用的三角形桁架长度分为24m、30m和36m。桁架各杆件均为标准件，并按相同杆件集中包装发货，桁架现场装配。托辊支架安装在下弦杆的杆件上，托辊安装在托辊架上。三角形桁架结构（见图9）无需设置检修廊道，皮带机的日常巡检采用检修小车（见图10）。检修小车自带小型柴油发电机和制动系统，可以在桁架上匀速前进。需要注意的是，三角形桁架皮带机仅适用于倾角＜7°的皮带机，否则小车的爬升有困难。

3　矩形桁架结构皮带机

图9　三角形桁架

图10　检修小车

以Ethiopia项目的矩形桁架结构皮带机为例，Ethiopia项目地处约2 600m高海拔高原环境，长皮带机输送距离总长度～3 880m，整体呈不断爬升趋势，采用两段皮带机接力输送，提升总高度达到～540m，沿线地形复杂，沿途穿越山岭、冲沟、道路、村庄和峡谷（峡谷跨度＞120m，深度近40m）等，山体坡度起伏变化较大，且没有现成道路及供电，设计及施工难度特别大。长皮带机最大能力1 600t/h，带速5.6m/s，倾角在0°～15°之间，带有2处水平转弯，水平转弯半径3km。

一般矩形桁架（见图11）长度分为18m、24m、30m和36m。桁架各杆件均为标准件，相同杆件集中包装发货，桁架现场装配。托辊支架安装在下弦杆的杆件上，托辊安装在托辊架上。两侧的走道板（见图11）从桁架的梁上挑出，用于日常的巡检。矩形桁架的立柱及两侧走道板见图12。

4　一体化长皮带机的优势

图11　矩形桁架

图12　矩形桁架的立柱及两侧走道板

4.1　明显节约了用钢量

不同跨度的普通栈桥、三角形桁架以及矩形桁架的结构件用钢量见表2。

以总长为1km、立柱高度为6m的B1000皮带机为例，对30m跨度普通栈桥皮带机、36m跨度三角形桁架皮带机和24m跨度矩形桁架皮带机总用钢量对比如下：

30m跨度普通栈桥皮带机：皮带机支腿按照3m间隔设置，每对支腿的重量约为0.052t，中间架以每6m为一组，每组中间架的重量约为0.123t，故1km长的B1000普通桁架皮带机的所有中间架和支腿重量之和为：W1=（1 000/6）×0.123+（1 000/3+1）×0.052=37.9t；所有立柱重量为：W2=（1 000/30）×0.6=20t；所有桁架重量为：W3=（1 000/30）×8.8=293.3t。同理，可计算得：

36m跨度三角形桁架皮带机：

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跨度矩形桁架皮带机：

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。

从表2、表3的数据可以看出，对于总长为1km、立柱高度为6m的B1000皮带机，采用矩形桁架，桁架总重量比普通栈桥节约用钢量43.4t，节约幅度约12.3%；采用三角形桁架，桁架总重量比普通栈桥节约用钢量67.9t，节约幅度高达近1/5。一体化结构皮带机总的用钢量明显小于普通栈桥结构皮带机，而且无需中间架和支腿，节省了用钢量和设备费用，节省了项目投资。

表2　三种结构形式结构件用钢量

表3　三种结构形式总用钢量对比

表4　三种结构形式施工工期对比*

4.2　大大缩短了施工工期（表4）

普通栈桥皮带机在现场先施工支架的混凝土基础，栈桥在现场加工后进行吊装，最后再进行皮带机中间架、支腿、托辊架、托辊和胶带的安装。普通栈桥皮带机的土建施工和设备安装周期长，现场制作的桁架精度较差，海外工程施工难度相对较大。而一体化桁架结构皮带机，一方面由于所有的杆件和支架均为标准件，工厂制作加工精度高，杆件运输到现场后，大部分采用螺栓连接拼装，之后进行整体吊装，现场安装非常方便；另一方面，由于中间架和支腿与桁架一体化，简化了安装工序，皮带机的安装只需安装托辊架、托辊和胶带，大大减少了现场的安装时间，有效缩短了施工工期。

5　结语

总的来说，一体化桁架结构皮带机整体效果比较好，皮带机与桁架得到了很好的契合。一体化桁架可有效节省项目投资、缩短现场施工以及安装时间，适应了目前海外总承包工程项目的需求。需要注意的是，海外项目的海运时间长，长皮带又是关键设备，需要合理组织运输，提前做好计划，国内的制造和发运需要满足项目节点的要求。同时皮带机的安装与桁架一体化对现场的安装技术提出了更高的要求。长皮带结构形式的选择，除了考虑投资和项目进度，还需结合业主的要求和现场的基础条件，进行多方面综合考虑。■