李晨曦，周 啟

（中煤科工集團沈陽設計研究院有限公司，遼寧 沈陽 110015）

帶式輸送機作為重要的散狀物料連續(xù)輸送設備已廣泛地應用于煤礦、冶金、礦山、港口、糧食和化工等領域。隨著生產技術的不斷提高，帶式輸送機朝著長距離、超長距離的趨勢發(fā)展。托輥作為長距離帶式輸送機的主要部件之一，其作用是支撐輸送帶，減小運行阻力，并使輸送帶的垂度不超過一定限度，以保證輸送帶平穩(wěn)運行。托輥的總重約占整機質量的30%～40%。因此，作為長距離帶式輸送機“道床”的托輥對于輸送機的正常使用、維護、能耗以及整機價格等方面都起著重要作用[1-2]。如何對托輥間距進行合理設計和布置，減少托輥用量，降低整機價格、減少營運及維護費用、降低能耗帶來可觀的經濟效益是大家普遍關注的焦點。文獻[3]認為帶式輸送機總能耗中，輸送帶與托輥擠壓產生的能耗占總能耗的60%，托輥能耗占10%。文獻[4]則認為輸送機70%的功率消耗在輸送帶覆蓋膠與托輥的壓陷阻力上。托輥組沿輸送機縱向布置的問題就是托輥間距設計[5]。為此以新疆準東經濟技術開發(fā)區(qū)帶式輸送機輸煤廊道工程1條長為9.96 km的長距離、高帶速帶式輸送機為研究對象，針對不同托輥間距的設計，分析比較托輥數(shù)量、規(guī)格與性能、節(jié)能效果、所需功率的差別等，為我國長距離、高帶速帶式輸送機托輥間距設計提供參考依據(jù)。

1 輸送機托輥間距布置的影響因素

輸送散狀物料的槽型帶式輸送機托輥間距，無論國內帶式輸送機工程設計規(guī)范或DTII（A）型帶式輸送機設計手冊，還是德國DIN標準，均推薦槽型帶式輸送機承載托輥組間為1.0～1.5 m，回程托輥間距為3.0 m[6-8]。帶式輸送機整機功率計算及張力計算方法均按此間距進行設計計算。隨著帶式輸送機設計技術不斷發(fā)展，托輥間距也在不斷優(yōu)化，特別是對于長距離、高帶速帶式輸送機，國外托輥間距設計上托輥達3.0 m，下托輥達6.0 m。雖然增大托輥間距，可以減少托輥數(shù)量從而使托輥旋轉阻力及摩擦阻力減少，但是散料變形阻力和膠帶彎曲阻力增大，需要增大托輥的規(guī)格尺寸，降低了托輥的使用壽命，增加了后期的運營維護成本。因此，合理的托輥設計應該根據(jù)工程實際綜合考慮各種因素，使得工程經濟效益最大化。

1.1 影響帶式輸送機托輥間距的主要因素

主要因素為：①托輥間距與帶式輸送機的機長、運量和帶速相關；②托輥間距與托輥組承載能力、使用壽命、托輥組結構型式相關；③托輥間距與帶式輸送機縱向走線的起伏半徑、角度、平面轉彎的半徑及角度相關；④托輥間距與輸送帶類型及輸送帶的特性參數(shù)相關；⑤托輥間距與帶式輸送機軟啟動、制動方式相關。

上述各因素的作用最終影響的是輸送帶的張力、驅動功率及工程投資成本。因此，針對實際工程設計者要在托輥的承載能力與壽命、膠帶張力、設備運營維護成本、能耗成本、設備折舊和工程投資成本之間來綜合權衡。

1.2 增大托輥間距對帶式輸送機的影響

理論上，增大托輥間距對帶式輸送機既能帶來優(yōu)勢也能帶來劣勢，其主要影響有：

1）增大托輥間距，使得帶式輸送機整機的托輥數(shù)量減少，托輥旋轉阻力及摩擦阻力減少，設備運行能耗降低，但需要加大托輥的規(guī)格尺寸或降低托輥壽命。

2）增大托輥間距使得輸送帶縱向下垂度和橫向變形增大，運行時散裝物料變形阻力和膠帶彎曲阻力增大，設備運行能耗增加。

3）增大托輥間距使得輸送帶縱向下垂度增大，被迫提高輸送帶圓周張力，使輸送帶安全系數(shù)降低。

4）增大托輥間距使得輸送帶橫向變形增大，需要適當增大托輥組槽角及輸送帶剛性，特別是對于回程托輥需要由平行托輥或V形托輥改為槽形托輥，增大投資。

2 工程實例分析

新疆準東經濟技術開發(fā)區(qū)帶式輸送機輸煤廊道工程105帶式輸送機機長為9.96 km，其提升高度－81.8 m，帶寬1.2 m，運量1 600 t/h，帶速4.5 m/s，設有3處空間轉彎，是典型的長距離、高帶速、空間轉彎越野帶式輸送機。在設計之初，該帶式輸送機在平面直線段承載托輥間距按1.5 m、回程托輥間距3 m；在空間轉彎段承載托輥間距1.2 m，回程托輥間距3 m以確保在特殊工況下膠帶在該段不出現(xiàn)跑偏和灑料現(xiàn)象。為了進行設計優(yōu)化，對托輥間距進行了優(yōu)化分析，對托輥間距承載托輥1.5 m/回程托輥3.0 m、承載托輥2.0 m/回程托輥4.0 m和承載托輥3.0 m/回程托輥6.0 m 3種情況進行了對比分析，105帶式輸送機3種托輥間距布置對比見表1。

表1 105帶式輸送機3種托輥間距布置對比

由表1可知：①托輥間距由1.5 m（承載）/3 m（回程）變?yōu)? m（承載）/4 m（回程）和3 m（承載）/6 m（回程），托輥組數(shù)量分別減少1 576（組）/762（組）和3 250（組）/1 508（組），即托輥質量分別減少約141.3 t和288 t，使得帶式輸送機投資成本降低；②托輥間距由1.5 m（承載）/3 m（回程）變?yōu)? m（承載）/4 m（回程），承載托輥軸承規(guī)格加大，投資成本會略增；回程托輥組結構不變；托輥壽命減低32%／47%；③托輥間距由1.5 m（承載）/3 m（回程）變?yōu)? m（承載）/6 m（回程），承載托輥軸承規(guī)格加大，投資成本增大，回程托輥組V型（二節(jié)輥）變?yōu)椴坌停ㄈ?jié)輥），投資成本增大，托輥壽命減低68 %/88 %，托輥壽命呈急劇下降；④托輥間距由1.5 m（承載）/3 m（回程）變?yōu)? m（承載）/4 m（回程）和3 m（承載）/6 m（回程），托輥運行阻力能耗分別降低69～87 kW和145～181.4 kW，散料彎曲阻力能耗由阻力分析可知，能耗略增，但是隨著托輥間距的增大，輸送帶的壓陷阻力會大幅度增加。

2.1 帶式輸送機阻力分析

帶式輸送機阻力成分比例的比較如圖1。圖1來源于德國DIN 22101輸送散料的帶式輸送機計算與設計基礎標準，圖示了長距離散狀物料帶式輸送機的水平運輸（左側）和5%傾斜運輸（右側）的阻力分布情況。105帶式輸送機更接近圖1左側近于水平運輸?shù)膸捷斔蜋C。其中，散狀物料的彎曲阻力和膠帶彎曲阻力所占比例遠大于托輥運行阻力，所以散狀物料和膠帶的彎曲阻力不可小覷。據(jù)國內外使用現(xiàn)場實際測試資料顯示，加大托輥間距對減小輸送機運行能耗效果不明顯。

圖1 帶式輸送機阻力成分比例的比較

2.2 托輥間距對輸送帶的性能與制造精度的影響

1）輸送帶橫向剛性。當托輥間距拉大后，輸送帶縱向下垂和橫向變形量將增大，運行時散料彎曲阻力和膠帶彎曲阻力相應增大。為了避免產生過大的二次附加阻力，需要減小輸送帶的變形量。對與該105條帶式輸送機來說，由于帶式輸送機尾部高于頭部81.8 m的特殊性，在額定負荷條件下運行時，輸送帶縱向下垂變形量是容易克服的，而輸送帶的橫向變形（即橫向剛性）需要由輸送帶制造商增加措施來控制。

2）輸送帶覆蓋膠厚度。為了降低輸送帶的彎曲阻力，降低能耗。需要調整輸送帶的上、下覆蓋膠厚度，上蓋膠厚度由8 mm減少至7 mm，下蓋膠厚度由6 mm減少至5 mm，同時提高覆蓋膠的剛度特性和耐磨性能，以達到減小運行阻力、降低能耗的效果。但輸送帶的節(jié)能效果受環(huán)境溫度、帶速和運量等多種因素影響，當環(huán)境溫度降低到10 ℃以下后，效果呈現(xiàn)出非線性大幅度降低狀態(tài)，而項目現(xiàn)場晝夜溫差極大，不會有明顯效果。

3）輸送帶的覆蓋膠制造精度。當托輥間距拉大后，托輥與輸送帶的下覆蓋膠的擠壓應力增大，下覆蓋膠原料的配制和成品的加工需要更高的精度，避免覆蓋膠中存有空氣，以避免托輥與下蓋膠擠壓時覆蓋膠起泡或脫層，以保證輸送帶的使用壽命。

隨著托輥間距增大能減少帶式輸送機整機的托輥數(shù)量，降低托輥運行阻力，但是物料彎曲阻力，輸送帶彎曲阻力和壓陷阻力都將增大；與此同時帶式輸送機的托輥軸承壽命大幅降低，從而增加了帶式輸送機的運營維護成本。托輥間距越大，輸送帶的覆蓋膠制造精度要求越高。該工程現(xiàn)場具有極寒、極熱的氣候特點，而且晝夜溫差大。綜合對比分析，最終105帶式輸送機托輥間距在不增加托輥規(guī)格尺寸的前提下?。撼休d段2.0 m/回程段4.0 m時工程經濟效益最佳，較承載段1.5 m/回程段3.0 m托輥投資有所降低，避免了采用承載段3.0 m/回程段6.0 m而回程段托輥改為槽形托輥的形式。

3 結語

合理的托輥間距對帶式輸送機設計尤為重要，特別是對于長距離、高帶速帶式輸送機，設計不應根據(jù)設計手冊推薦的等托輥間距布置，應根據(jù)工程實際，綜合考慮各種因素的影響，通過對比分析，權衡利弊，確定出最合理的托輥間距。以新疆準東經濟技術開發(fā)區(qū)帶式輸送機輸煤廊道工程1條長為9.96 km的長距離、高帶速帶式輸送機為工程實例，對不同托輥間距布置從托輥數(shù)量、托輥規(guī)格型號、托輥組結構形式、托輥軸承壽命、功率消耗、阻力分析等進行對比分析，確定了最佳的托輥間距。