TBM连续皮带机设计原则及关键技术
发表时间：2020-11-12T11:08:19.347Z 来源：《当代电力文化》2020年第18期 作者： 于英涛[导读] 长距离隧洞TBM掘进施工目前普遍采取连续皮带机的出渣方案 于英涛
（中国水利水电第六工程局有限公司，辽宁 沈阳 110179） 1、TBM施工采用连续皮带机出渣的优势
长距离隧洞TBM掘进施工目前普遍采取连续皮带机的出渣方案，连续皮带机是长距离、大功率的大型可跟随TBM掘进不断延长的皮带输送设备，主要用于长大隧洞TBM的连续、不间断的快速出渣，具有出渣运输距长、运量大、速度快等特点。其主要工作原理是连续皮带机移动尾段安装在TBM后配套拖车上，随着TBM向前掘进，在移动尾段将连续皮带机支架被不断地安装在隧洞侧壁随着TBM后配套系统向前移动。而位于驱动头部的胶带储带仓储存的输送带随着TBM的掘进，在自动张紧装置的控制下，不断向外释放胶带，当储存的胶带释放完毕，可通过硫化新一卷胶带接入储带装置中。TBM施工中采取连续皮带机出渣保证TBM开挖掘进的连续性，同时提高了出渣效率和TBM利用率，实现TBM连续快速掘进要求。 2 连续皮带机整体结构和性能要求
2.1 TBM连续皮带机的构成
TBM连续皮带机主要由头部固定部分（驱动装置、卸载装置、储带仓、张紧装置、硫化平台等）、机身（机架、上下托辊组、壁挂或吊挂支架等）、机尾部分（机尾装置、安装窗口、缓冲床等）、胶带、电控系统（控制、通讯、保护等）、辅助部分（卷放带装置、硫化设备、清扫器、水清洗箱等）、转渣部分等组成。有时需要在中间增设助力驱动装置即中间驱动装置。 2.2 TBM连续皮带机构成特点
1、连续皮带机全程运行期间一般无走道，栏杆，机身机架采用斜撑安装在隧洞侧壁方式；隧洞及洞外固定皮带机中部机架采用落地安装方式。
2、皮带机设置跑偏开关（能识别沿线跑偏的具体位置，用两级跑偏开关，在一般情况下不动作跳闸，在跑偏到极限位置时才动作跳闸）、和急停拉线开关（能识别沿线急停闭锁的具体位置，紧急拉线开关的线路的电压损失≤15%）
3 连续皮带机需要配备速度监测装置（精确控制胶带速度及防胶带打滑）、溜槽堵塞保护等安全保护装置；电机、减速器设温度检测保护装置。。
4 连续皮带机在一般在头部驱动位置配置胶带储带仓及张紧装置。储带仓一次储带不小于600米，采用大容绳量变频和大拉紧力自动变频恒扭矩绞车或液压张紧装置保证皮带张紧；同时配备张紧力感应装置，保证设备张紧安全。 5 连续皮带机头部位置需要配置现场硫化机及胶带收放装置。
6皮带机身的延伸（移动尾段）：TBM的延伸由TBM后配套平台人工安装中间架和托辊组，移动尾段满足TBM后配套台车的安装要求。
3、TBM采用连续皮带机出渣的设计原则
1 连续皮带机功能完整，技术先进，并能满足人身及设备安全和劳动保护条件。
2 连续皮带机应满足长时间连续运行的要求，启动（包括满载等不利情况下的启动）、运行和制动停机平稳并安全可靠。
3 长距离皮带机驱动装置应采用变频驱动。连续皮带机托辊采用专用托棍（使用寿命不低于35000小时）。皮带机的整体设计能完全满足工艺的要求。
4 皮带机胶带的弹性和抗疲劳性能良好，皮带机满足各类工况变化的要求。启动、运行和停机平稳并安全可靠。 5皮带机的驱动单元充分考虑了空载、重载、紧急制动等最不利的情况下的频繁启动、制动。
6 凡与驱动力和胶带张力有关的皮带机钢结构和零部件均满足各种工况使用要求。胶带张力由六种工况的计算结果决定，即：满载启动、运行、制动和空载启动、运行、制动。
7 皮带机在满载启动和停机时，最大瞬时张力不超过正常工作张力的1.5倍。
8可靠性：系统性能稳定可靠，转动部件质量过硬，避免频繁停机以及长时间的设备大修，降低劳动强度，节约检修时间。
9易于磨损、腐蚀、老化或需要调整、检查或更换的部件应方便拆卸、更换和修理。所有重型部件均有便于安装和维修用的起吊或搬运的吊点（或条件）。
10简明方便：系统操作要简明，逻辑关系合理，互锁保护严密，维护方便，安全可靠；尽可能采用具有良好的互换性的零件或组件均。
11 安全性：合理设置安全防护和急停开关、速度传感器、跑偏开关、纵向撕裂传感器，并在所有的驱动电机上安装有力矩、功率监测仪器，电机启动到停止的所有工作状态中，实时将力矩、功率信息反馈给控制系统，连续皮带储带仓张紧采用变频控制的卷扬机+感应器式
张紧系统皮带机保证运行工况下不会出现过度应力、跑偏撒料等现象。
12 尽量采用较小的皮带机带宽，以减少占用的隧洞横向尺寸，保证隧洞的正常通行； 13应尽量减少皮带机中间驱动位置的数量，方便TBM施工与维护管理；
14胶带带强的高低应与带宽相适应，一般带宽越大，可采用较高的胶带带强，反之，则应采用较低的胶带带强。应充分保证胶带的成槽性，确保不会出现跑偏、撒料等现象；
15 由于隧洞皮带机提升高度很大，一旦出现断带，将会造成重大设备与人员安全事故，故应保证胶带有较高的安全系数，建议胶带的安全系数不低于6.0，同时采用先进的胶带接头硫化工艺，提高接头效率；并采取断带保护等措施；
16对于大角度顺坡掘进TBM施工，由于隧洞连续皮带机上运倾角很大，有很强的倒转趋势，应采取可靠的防止皮带机倒转飞车的逆止措施；
17对于处于严寒地区的TBM施工，外露的连续皮带机系统需采取必要的防寒措施。 4、TBM连续皮带机关键技术
对于超过15公里的长距离连续皮带机，受连续皮带带强的制约，采用单点驱动（指头部驱动或双滚筒三驱动等集中驱动型式）其最大输送距离有限。而采用头、尾驱动不适合TBM连续皮带机，主要原因：首先，尾部驱动对于降低胶带带强，延长单机输送长度效果有限；其次，TBM连续皮带机的尾部是安装在TBM后配套拖车上，TBM后配套拖车安装位置空间有限；第三，TBM连续皮带机的尾部随TBM一起向前移动，如果尾部设置驱动装置，则动力电缆、控制电缆等均需要移动并延长。尾部驱动装置的动力电源虽然可以从TBM上取电，但控制电缆的移动和延长就非常困难。因此，为降低胶带带强，降低施工成本，TBM连续皮带机的驱动点一般采取在连续皮带机设置中间驱动，以降低胶带带强。
在长大隧洞TBM施工过程中，采用多点驱动的连续皮带机如何保证长距离重载启动和在多点驱动条件下实现多机功率平衡是关键。 5 连续皮带机的重载启动
在TBM掘进施工过程中，TBM往往由于设备、地质等不确定因素造成连续皮带机在出渣过程中突然停机，造成整个皮带机胶带上分布着TBM的渣料，在问题原因得以解决后，连续皮带机系统往往需要在重载情况下重新启动运行。对于长距离、超长距离输送的连续皮带机，应采用变频启动方式以延长启动时间，减少启动加速度，最大限度地降低启动时胶带的张力，从而降低胶带带强，提高胶带安全系数，延长胶带的使用寿命。
变频控制允许皮带机带载启动,其低速满转矩特性是保证带式输送机重载启动时的转矩要求的一个根本，针对重载启动时的“缓启”要求，选择采用了无速度矢量控制技术的变频器无疑是解决这一问题的关键，因为静止状态下带式输送机上所承载的物料，会在重力作用下使皮带各部位承受的张力不同，在这种状态下启动带式输送机，就要求传动设备能在低速状态下控制电机产生较大的启动转矩，这样电机在低速状态下使皮带各部位的张力分配均匀后，再拖动负载达到预定的速度。变频器的低速满转矩特性以及0~1800s 的加/减速时间是实现重载启动的保证，另外，低速“缓启动”也可以使带式输送机系统的各个机械部位齿轮以较低的速度咬合，避免了高速启动时产生的冲击。 6长距离皮带机的多驱动功率平衡
当TBM连续皮带机的输送距离超过了单点驱动的最大输送距离时，则必须采用多点驱动，即设置若干中间驱动，以降低胶带张力，延长输送长度。
6.1多点驱动的分段原则
1、在胶带满足带强且胶带安全系数不小于5.0的情况下，进行分段（即增加中间驱动）； 2、各段胶带最大张力接近一致；
3、各段胶带特性点最小张力不小于驱动滚筒不打滑张力、不小于承载段和回程段胶带最小垂度张力； 4、各段驱动功率接近一致；
5、尽量减少分段数量，减少TBM停机施工时间。 6.2多点驱动装置的要求：
1、驱动装置规格统一，便于管理，对单条TBM连续皮带机而言，所有驱动装置功率、规格均一致。
2、减速器采用空心轴连接。驱动装置单元型式为：变频电机+高速轴联轴器+减速器（高速轴带风扇，低速轴为空心轴）。减速器采用空心轴连接，浮点支撑，其目的在于减少驱动装置的横向尺寸，从而减少隧洞驱动处峒室尺寸。
3、采用多点驱动时，电气控制上一定要能保证多点驱动的功率平衡和速度平衡，避免出现部分点驱动超载现象。 6.3 计算分析
为了对TBM长距离连续皮带机的设计计算与动态分析，目前连续皮带机设计普遍采用美国Overland Conveyor Co., Inc的“Belt Analyst”、“Dynamic Analyst”，精确计算连续皮带机在各种运行工况下的驱动功率、胶带各特性点张力、以及胶带张力变化等。 6.4功率速度平衡
连续皮带机采用变频软启动、PLC等控制启（制）动时间及各驱动点的功率、速度平衡。目前TBM连续皮带的多台驱动变频器之间的速度同步和负荷分配控制由PLC实现，一般采取的思路是：主变频器和从变频器都工作于速度环控制，PLC通过通讯将速度给定发送至主变频器及从变频器，设定从变频器的速度补偿给定，使从变频器的速度超前于主变频器5%，进而使得从变频器的速度环趋于饱和。通过PLC读取主变频器速度调节器的输出，并将其发送至从变频器作为从变频器转矩限幅，从而使得主变频器和从变频器的输出转矩相等，最终达到功率平衡的目的。如果电机轴突然脱开，从变频器的速度只增加5%，此时由于从变频器的速度环退出饱和状态而按照大于主变频器给定的5%运行，避免飞车。 作者简介：
于英涛，1971年3月14日出生，男，高级工程师，主要从事TBM施工管理工作。曾参建过辽宁大伙房输水工程TBM3项目?、越南上昆嵩输水发电TBM引水隧洞项目，辽西北四段三标TBM项目，新疆KSTBM3勘探试验洞项目，新疆YE二期输水工程KSVII标项目等。
TBM连续皮带机设计原则及关键技术
