高廣恒 李 醒 張 京

1 中交機電工程局有限公司 2 滄州黃驊港礦石港務有限公司

1 引言

優(yōu)化設計是在一定的約束條件下對目標值求極值的過程，而在具體工程應用中，優(yōu)化設計是一個尋求相對合理解決方案的過程。對于一個具體工程的優(yōu)化設計，可以分為系統(tǒng)方案的優(yōu)化設計、系統(tǒng)設備的優(yōu)化設計和單機部件的優(yōu)化設計。其中，系統(tǒng)方案的優(yōu)化設計是3類優(yōu)化設計的核心和前提，系統(tǒng)設備的優(yōu)化設計和單機部件的優(yōu)化設計作為系統(tǒng)方案的優(yōu)化設計的細化和補充。

在裝車系統(tǒng)的優(yōu)化設計方面，劉海濱[1]通過延長管帶機的作業(yè)時間(即降低管帶機的額定輸送能力)來減小管徑，從而達到降低管帶機投資的目的；周明峰[2]通過運用ANSYS優(yōu)化工具箱對管帶機桁架的角鋼截面尺寸進行優(yōu)化，減小了鋼材用量從而減小單機投資；朱立平等[3]通過給帶式輸送機設置中部驅(qū)動的方式，降低了輸送帶的選型。這些研究主要集中在系統(tǒng)設備的優(yōu)化設計和單機部件的優(yōu)化設計，并未對系統(tǒng)方案的優(yōu)化設計作深入研究。故以唐山港鐵路疏港裝車系統(tǒng)的方案設計為例，探索工程的系統(tǒng)方案優(yōu)化設計。

2 工程概況

唐山港位于唐山市東南80 km處的唐山海港開發(fā)區(qū)境內(nèi)，位于環(huán)渤海經(jīng)濟圈中心地帶，是大北京戰(zhàn)略的重要組成部分，是國家確定的沿海重要港口。港口后方交通便利，京山、京秦、大秦三大鐵路干線橫貫唐山市，并有唐遵、漢張、卑水、遵潘4條鐵路相輔。依托豐富的鐵路網(wǎng)絡，鐵路運輸成為主要的大宗散貨疏港運輸方式。為解決本港進口鐵礦石的疏港內(nèi)運問題，擬新建鐵路裝車系統(tǒng)，包括4座火車裝車樓，單座火車裝車樓額定裝車能力為3 600 t/h，年裝車能力2 000萬t。本工程起點位于礦石堆場西北角的轉接機房S，擬建裝車樓分別位于Z1、Z2、Z3和Z4位置(見圖1、2)。

圖1 裝車樓布局方案一

圖2 裝車樓布局方案二

建設方的功能需求為系統(tǒng)優(yōu)化提供了方向和約束條件。本系統(tǒng)功能需求是實現(xiàn)轉接機房S內(nèi)的4條現(xiàn)有帶式輸送機(S1～S4)可分別向4個裝車樓(Z1～Z4)供料，共可實現(xiàn)16種工藝流程；并且要求輸送機棧橋廊道跨越公路處最小凈空為4.5 m，跨越鐵路處距離軌頂最小凈空為6.55 m，單線鐵路橋隧建筑限界為鐵路中心線兩側2.40 m并滿足相應的國家規(guī)范[4]；同時要求礦石堆場以外的所有槽型帶式輸送機設置在封閉廊道內(nèi)。

3 輸送系統(tǒng)路由規(guī)劃設計

根據(jù)本工程的地理環(huán)境條件和建設方的功能需求，初步選定采用管帶機與槽型帶式輸送機組合的系統(tǒng)方案。要完成物料從礦石堆場運輸至各裝車樓需要跨越湖林河、濱海大道和港興大街以及規(guī)劃鐵路線。根據(jù)現(xiàn)場實地考察情況，濱海大道東側緊鄰湖林河，且湖林河作為重要的泄洪河，河床上或河邊坡上均不具備工程建設條件；濱海大道西南側與既有鐵路線之間的區(qū)域地勢平坦，地質(zhì)條件較好，且濱海大道可作為施工物資運輸?shù)缆罚?jié)省施工過程中材料二次倒運費用，具備較好的工程建設條件。

3.1 制定跨河跨路方案

規(guī)劃設置機房A1、機房A2和機房B 3處中轉點，制定了2種工藝流程方案。

方案一：加寬轉接機房S并在S1～S4帶式輸送機頭部各設置1臺四工位伸縮裝置，在轉接機房S以北跨越規(guī)劃鐵路后設置轉接機房A1及機房間連接輸送機X1～X4；然后依次垂直跨越湖林河、濱海大道后設置轉接機房A2及機房間連接輸送機Y1～Y4。轉接機房A2作為管帶機的起始點(見圖3)。

圖3 工藝流程方案一

方案二：將現(xiàn)有S1～S4帶式輸送機延長，使其依次跨越湖林河、濱海大道，在港興大街以南和濱海大道西側區(qū)域設置轉接機房B并在輸送機頭部各設置1臺四工位伸縮裝置，轉接機房B作為管帶機的起始點(見圖4)。

圖4 工藝流程方案二

3.2 系統(tǒng)方案詳細設計

本工程轉接機房及棧橋廊道的工藝布置基于以下原則：

(1)封閉廊道內(nèi)并行帶式輸送機兩側檢修通道按1.5 m設計，空間受限處按不小于1.2 m設計。

(2)機房內(nèi)設備的周圍至少應有1.5 m通行與維修的空地。

(3)機房內(nèi)設備上方的凈空一般不小于2.5 m～3.0 m，須滿足設備維修時吊裝(吊裝越過設備)的要求。

(4)槽型帶式輸送機凹弧段的圓弧半徑需滿足在不設置壓帶裝置的情況下，設備在空載啟動、滿載啟動、空載運行、滿載運行等使用工況下均不發(fā)生“飄帶”。

(5)管帶機轉彎半徑應按理論計算最大允許值設計，即盡量選擇大半徑轉彎。

基于以上原則完成了2種方案下的工藝系統(tǒng)布置圖和輸送機工藝布置圖(見圖5～9)，并據(jù)此采用“逐點張力法”詳細計算了每種方案下的輸送帶強度值、驅(qū)動滾筒軸功率并選取了驅(qū)動電動機功率值(見表1)。

圖5 方案一工藝流程系統(tǒng)布置圖

圖6 方案一X1～X4工藝流程系統(tǒng)布置圖

圖7 方案一Y1～Y4工藝流程系統(tǒng)布置圖

圖8 方案二工藝流程系統(tǒng)布置圖

圖9 方案二S1～S4工藝布置圖

表1 不同方案下工藝設備主機主要技術參數(shù)匯總表

根據(jù)表1內(nèi)容可知：

(1)方案一中管帶機較方案二中管帶機長度縮短16.8%，總提升高度增加69.9%，但兩方案驅(qū)動功率僅相差1.7%，輸送帶最大張力相差0.8%，說明本工程中管帶機的功率受長度影響較大。

(2)方案一較方案二增加了1個中轉機房，屬于“多條布置”[5]形式，因此消耗了更多的功率。

(3)方案二中由于輸送機S1～S4總提升高度的增加導致既有的輸送帶強度不能滿足設計要求，需整機更換輸送帶。

(4)方案二中輸送機S1～S4改造后采用2∶1雙滾筒三電機驅(qū)動，目的是盡可能降低輸送帶強度和利用既有驅(qū)動單元，減少設備投資。

兩種方案的用鋼量統(tǒng)計見表2，通過對比表2中數(shù)據(jù)可知：

表2 不同方案下用鋼量統(tǒng)計匯總表

(1)兩種方案設備本體重量比較接近，約占系統(tǒng)用鋼量的17%～21%，(382/2192≈17.4%，374/1759≈21.3%)。

(2)方案二中封閉廊道和轉接機房的用鋼量均比方案一小，且方案二中設備本體重量占系統(tǒng)用鋼量比例較高，說明管帶機在節(jié)約系統(tǒng)用鋼量上比槽型帶式輸送機更有優(yōu)勢。

4 方案比選

通過以上數(shù)據(jù)可知，方案一中B1200-ST800輸送帶長度為：712.8×2+728×2=2 881.6 m，B1850-ST1600輸送帶長度為：1 320×2=2 640 m。

方案二中B1200-ST1600輸送帶長度為：4×(718+220)×2=7 504 m，B1850-ST1600輸送帶長度為：1 588×2=3 176 m。

依據(jù)輸送帶長度、裝機功率和用鋼量對2個方案進行成本對比，見表3。

表3 不同方案下綜合投資對比表

根據(jù)表3數(shù)據(jù)可得到以下結論：

(1)通過增加中間轉接點，可降低系統(tǒng)輸送帶強度級別，該方法可運用在長距離帶式輸送機系統(tǒng)中。

(2)增加中間轉接點必定會導致系統(tǒng)裝機功率的增加，不利于節(jié)約能源。

(3)輸送帶和用鋼量屬于一次性固定投資，而裝機功率直接影響生產(chǎn)單位的使用成本，對于長期型生產(chǎn)單位，選擇方案二更為有利。

5 結語

以唐山港某鐵路裝車帶式輸送機系統(tǒng)為研究對象，提出了2種解決方案，繪制了工藝系統(tǒng)布置圖和具體設備工藝布置圖，并對具體設備進行了系統(tǒng)選型，從輸送帶規(guī)格型號、系統(tǒng)裝機功率和鋼材用量3個方面詳細地研究了2種方案的優(yōu)缺點，本研究方法可以為類似工程提供參考。