长距离胶带机及可控起动传输在龙滩水电站砂石料输送系统的应用

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摘要：长距离胶带机及可控起动传输装置应用于砂石料输送系统，具有其特有的优势，输送速度快且输送量较大，可以有效地解决因远距离汽车装载倒运等问题。龙滩水电站砂石料输送系统应用长距离胶带机及可控起动传输装置输送砂石料，不仅满足了大坝碾压混凝土所需砂石料输送任务，且对长距离胶带机及可控起动传输（CST）装置在水电工程中的应用进行大胆的探索与尝试。

关键词：长距离胶带机 可控起动传输 龙滩水电站 砂石料 输送系统 应用

1、工程概况

龙滩水电站是西部大开发战略和西电东送具有重大意义的标志性工程，是继三峡工程之后又一巨型水电站，是红水河梯级开发中的最大水电工程。该工程以发电为主，兼有防洪、航运等综合效益。地下厂房最终装机容量5400MW。蓄水位400m方案时最大坝高216.5m，大坝为碾压混凝土重力坝， 为目前世界上最高的碾压混凝土坝。坝体混凝土总量约740万m3。蓄水位375m方案时坝高192m，坝体及围堰混凝土总量约640万m3。混凝土所用砂石料为人工骨料，并由大法坪砂石加工系统供应。

大法坪砂石料加工系统到大坝混凝土生产系统（直线距离约4.5km）的成品砂石料主要由胶带机输送。运输线中部采用布置在隧洞内（含跨越龙滩沟、那边沟明段部分）的长距离胶带机，单机长度约4km，机头采用高压电机及可控起动传输（CST）装置驱动。

该长距离胶带机由沈阳矿山机械（集团）有限公司制作并安装，水电七局六分局负责运行，长峡龙滩工程建设监理部承担运行监理。 2、长距离胶带机应用简述

龙滩水电站大法坪砂石加工系统距大坝混凝土生产系统（?308m混凝土系统、?360m混凝土系统）交通里程约7.5km，且路况较差，12# 公路路面宽度局部路段不足6m，弯多坡陡，且经过麻村采石料场山脚下。采用汽车运输十分不便，且不能满足车流量要求，还存在较大安全隐患 ，极易出现成品砂石料堆场排队等料或堵车现象。在运输道路和汽车转运难以满足砂石料运输强度情况下，应用长距离胶带机及可控起动传输（CST）装置输送砂石料，能有效地解决了汽车运输存在的问题。为胶带机输送系统远距离输送砂石料的推广应用进行了大胆的尝试。

该长距离胶带机穿越三条隧洞和龙滩沟、那边沟两明段，设计输送能力3000t/h。从机尾部起下运，下运高差50m（水平距离1743m），中部为水平运行(距离724m)，然后为上运，上运高差为30m(水平距离1478m)，所用胶带机是以钢丝绳芯输送带作为牵引和承载构件的连续运输机械。见图1： 3、长距离胶带机输送设计 3、1设计要求

根据砂石料输送特点，对胶带机输送系统进行设计。大法坪砂石加工系统成品砂石料堆场下设双线廊道胶带机输送，用单线胶带机（E1~E3胶带机或E2~E4胶带机）向长距离胶带机供料，在单线胶带机供料不足情况下，也可双线同时向长距离胶带机供料。然后经?308m混凝土系统B1—B6胶带机至砂石料仓储备或经?360m混凝土系统A0—A4胶带机至砂石料仓储备，经二次筛分后进入骨料调节料仓（一次风冷料仓），供搅拌楼进行混凝土生产。

长距离胶带机的运转方式以工艺输送系统流程在中央控制室通过PLC和计算机控制系统实现自动运转操作。控制系统具备主要故障的检测和保护功能，可实现机旁无人操作。为此，长距离胶带机系统中设计了跑偏、打滑、堵塞、防撕裂及急停（拉绳）开关、除水装置等附属装置。在机头部设有落料挡板，以防止物料坠落或卡入胶带与滚筒中损坏胶带。在机尾部设有两个受料点，前面导料槽为提升导料槽，后面导料槽为固定导料槽，当后面导料槽受料时，前面导料槽升起。胶带的运行是靠传动滚筒与胶带之间的摩擦力带动的。胶带绕过传动滚筒和多个改向滚筒形成一个无级的环形带，胶带的上下分支分别由各种上、下托辊组支承，并由拉紧装置给胶带以需要的拉紧力，传动滚筒的动力来自驱动装置（电动机与可控起动传输CST装置）。物料经过导料槽不断地加于胶带上并随之一起运行从而完成运输任务。 3、2设计情况

根据以上要求，在长距离胶带机设计时，考虑该胶带机所输送的物料为成品砂石料，琢磨性高，而且输送量大，输送距离长，需选用深槽高速胶带作为砂石料输送皮带，因此采用了耐磨、耐冲击的优质橡胶钢丝绳芯输送带。 技术参数： 计算参数： 输送物料：成品砂石料（石灰石） 物料重量： q=208kg/m 粒 径：0~5，5~20，20~40，40~80，80~150mm 胶带重量： qo=40.8kg/m 散积容重：γ=1500kg/m3 上托辊间距： L1=1.2m 输送能力：Q=3000t/h 下托辊间距： L2=3.0m 输送带宽：B=1200mm 驱动功率：3×（10KV+560KW）带 速：V=4m/s 起动时间：40~300s可调 倾 角：-1.64º~oº~1.16º 停止时间： 5-60s 可调 高 差：-50+0+30m 距 离：L=1743+724+1478=3945m 主要结构：

长距离胶带机是单向运行输送机械。主要有驱动装置、传动滚筒组、改向滚筒组、（上、下）托辊组、拉紧装置、输送胶带、提升导料槽、固定导料槽、清扫器、各种保护装置及机头架、机尾架、高架支腿和中间架等主要部件组成。

驱动装置主要由高压电动机、联轴器、可控起动传输CST装置、传动滚筒组等组成。其连接方式为电动机与CST、CST与传动滚筒联接，联轴器采用CL型齿式联轴器。该型齿式联轴器具有一定补偿两轴相对偏移的性能。见图2：

可控起动传输（CST）是由湿式离合器装置和液压控制系统组成的一个多级齿轮减速器，它是专门为以逐渐加速的加速度平滑起动运送大惯性载荷长距离皮带运输机而设计的。CST装置的输出轴扭矩是由液压控制系统控制的，它随着离合器上所加的液压压力而变化。本长距离胶带机驱动装置是由3台电动机及3台CST装置组成。驱动功率为（3×560kw）。

CST的工作特点：驱动电机在负载（皮带机）起动之前启动，此时CST输出轴保持不动。当驱动电机达到满转速时，控制系统逐渐增加到每台CST离合器上的液压压力，起动皮带机并逐渐加速到满速度。这使得皮带机在达到满速度之前有一个缓慢的预拉伸过程。加速阶段的持续时间可以在规定的时间范围内进行调整。由于系统启动时驱动电机可以按顺序空载启动，所以电机的冲击电流非常小。同时CST系统也可以象控制皮带机的起动那样控制皮带机的停车，适当延长停车时间可以最大限度地降低对胶带的动态冲击力。皮带机正常运行时，根据系统中负载的分配要求，每台CST装置的离合器或保持少量打滑状态或保持为最大压力（无打滑）以输出所要求的扭矩，但系统中任何负载的增加都将引起离合器打滑，这种情况被称为“软锁定”。当离合器被软锁定时，任何瞬间的过载或冲击载荷都将引起离合器的打滑，这样驱动系统的所有部件，包括联轴器、轴承和齿轮都将在冲击或过载时受到保护，从而延长其使用寿命。由于驱动电机可以根据运行负载进行选择而不必根据起动负载选择，所以CST驱动系统可以选用功率较小的电机。

CST所带来的另外一个特点是主电机可以在空载状态起动，从而减小了起动冲击电流并缩短了起动时间。同时允许操作人员更灵活的对胶带机起停操作，而无需反复起停主电机，也提高了CST的可操作性。

CST可控驱动装置控制箱，配置有触摸屏控制面板和PLC可编程控制器；速度和功率PID闭环调节模块；DH485或DH+通讯接口等。可实现与中央集控计算机系统联网进行远程数据传输。

胶带自动液压拉紧装置是由液压泵站、拉紧油缸、蓄能器、慢速绞车、电气控制箱及符件等六大部分组成。油缸通过动滑轮、钢丝绳与胶带输送机上的拉紧小车相连。电气控制箱为壁挂式结构。该装置具有以下特点：（1）起动拉紧力和正常运行拉紧力可根据胶带机张力的需要任意调节。系统一旦调定后，拉紧装置即按预定程序自动工作，保证胶带在理想状态下运行，从而减小胶带厚度。（2）响应快。胶带机起动时，胶带会突然松弛伸长，该装置中的油缸活塞杆能立刻缩回，及时补偿胶带的伸长，使其紧边的冲击减小，从而使起动平稳可靠，避免断带事故的发生。（3）具有断带时自动停止胶带机运转和打滑时自动增加拉紧力等保护。（4）结构紧凑，安装空间小。（5）可参与集中控制装置，在集中控制台上，实现对该液压拉紧装置的远距离监控。

长距离胶带机机尾装有盘式制动器，安装在尾部改向滚筒处，通过PLC控制，并配备手动释放装置。在大法坪砂石加工系统成品砂石料堆场廊道下设双线胶带机（E3、E4胶带机）机头落料斗处装有导料槽。E3胶带机为提升导料槽，该导料槽有升降装置，工作时降下，不工作时升起。E4胶带机为固定导料槽。胶带机中部装有除水装置，安装在那边沟明段部分。当成槽胶带里有积水时，可先启动该除水装置，使该区域段的槽形胶带面变成平面，然后启动长胶带机，由除水装置将胶面上的积水排除。

为了使长距离胶带机系统安全生产运行，预防机械部分的损坏，保护操作人员的安全，便于集中控制和提高自动化水平，设置了电气控制及综合安全保护装置。电气控制及综合安全保护装置能对该长距离胶带机整个运行过程中进行控制、并能对出现的故障进行自动监测、报警。除具有一般的顺序启动、顺序停车，断路、矩路、过载、过流、欠电压、缺相、接地和拉紧、制动信号等保护以外，还配备以下安全保护装置：（1）防跑偏；跑偏开关安装在胶带机沿线两侧并成对安装，使开关的触辊与胶带接触部位位于触辊高度的1/3处。每隔100m左右装一组（沿线共39组），当胶带机发生跑偏时发出跑偏报警信号，实现胶带跑偏自动报警和停机功能，以防止胶带机因过量跑偏而发生事故。该开关具有两级动作功能，一级动作用于轻度跑偏量达5%带宽时发出信号报警，二级动作用于重度跑偏量达10%带宽时延时动作，报警并停机。（2）紧急事故开关（双向拉绳开关）；紧急停机用拉绳开关，安装在胶带机沿线机架的两侧并成对安装，每隔50m左右安装一组（沿线共76组），当胶带机出现故障时，操作人员可在胶带机的任何部位拉动拉绳开关，动作后，自锁并发出报警信号，使本胶带机及其上游的设备停机。此外，当发出开车信号后，如现场不允许开车时，也可以拉动开关，禁止胶带机启动，以避免发生设备和人身事故。（3）溜槽堵塞装置；用于检测胶带机头部和尾部的漏斗和溜槽内是否发生堵塞。当漏斗和溜槽内发生堵塞时，立即发出报警和停机信号，立即停机，以防事故发生。溜槽堵塞装置安装在溜槽相对的两个侧壁不受物料冲击的适当位置上，一般安装在距溜槽底部以上1/3溜槽高度为宜。（4）纵向撕裂开关；安装于胶带机尾部受料点承载胶带下面，能随时检测出胶带纵向撕裂故障，并及时发出停机信号，防止故障扩大，减少损失。这些装置都通过电气控制系统联接到控制室进行集中控制。

4、长距离胶带机实际运行情况

长距离胶带机于2003年10月20日—12月17日进行通电试运行和空载调试运行，并对胶带跑偏进行调整。因电气控制系统将跑偏及急停（拉绳）信号采集共用一组控制线，使PLC控制系统常出现错误报警且很难判断故障点和胶带跑偏造成停机。12月18日开始带负载运行调试并将沿线拉绳开关及跑偏开关全部断开，因上调心托辊组不能满足设计承载和连续运输要求，有些托辊从支架上掉下来，停机对该托辊支架进行加固。至2004年1月4日，为满足?308m混凝土搅拌系统1# 、2# 搅拌楼重载调试，共运送砂石料约20000t（在此期间断断续续运行，且经常停机处理，托辊支架加固效果不明显，且未能从根本上解决问题）。2004年1月6日，由业主组织各参建单位就长距离胶带机带负载运行及存在问题进行讨论并要求整改。要求电气控制系统设计、安装单位对胶带机沿线的跑偏开关和紧急（拉绳）开关重新放线、进行改造；要求调心托辊组厂家更换新的托辊支架（加强型），由运行单位配合将沿线上调心托辊组全部更换。并对沿线严重跑偏位置和可能对胶带跑偏造成磨损部位增加挡偏滚筒，以减少胶带跑偏造成磨损和停机事故，于1月15日整改结束。1月16日进行重载运行试验，从运行情况看，整改效果明显，可满足连续运输要求。因长距离胶带机系统与大法坪砂石加工系统、?308m混凝土系统、?360m混凝土系统未能实行电气联锁控制，且长距离胶带机为可控驱动装置传输（设计值：起动时间为120S、紧急停机时间为40S），常因?308m系统B1~B6胶带机或?360m系统A0~A4胶带机其中某一条胶带机故障或紧急停机和长距离胶带机系统故障停机而造成长距离胶带机机头或机尾堵料。

自2004年1月16日~3月30日输送量达50多万 吨 。从输送情况看，用高速深槽式长距离胶带机输送成品砂石料，具有其它输送工具（汽车）不可比拟的特点： 4、1 输送效率高；因深槽式高速胶带机输送速度达4m/s, 且输送强度较大，一般可达2800~3000t/h。与汽车转运输送相比，其输送效率明显提高，且运行成本大大降低，可满足大坝高强度混凝土浇筑用料要求。 4、2 结构简单；用型钢、板材在制造厂组焊成图纸要求的组件和部件，如机头架、尾架、高架支腿、中间架、落矿挡板、溜槽 、张紧台架等。然后在使用现场用螺栓连接或焊接成所需要的整体。采用可控起动传输装置，胶带自动液压拉紧装置。简化了输送系统的结构，安拆迅速、方便。操作简易且布置灵活。 4、3 运行安全可靠；采用CST的主要目的是为在起动过程加速阶段降低张力作用对胶带机带来不利影响，通过控制起动上升曲线，可减小胶带机空载或满载起动时带来的瞬时尖峰张力，从而得到一个满意的动态结果。除了满足张力与速率控制要求之外，还能防止瞬间负载冲击带来的不利影响。任何情况下，从驱将跟随主驱自动调整状态，在不同的负荷下均能保持一致的输出功率。 由于可控驱动装置CST在高压腔管道上安装闭锁阀，在突然停电时，能保持高压腔压力，使离合片保持结合，以保证主电机的动力传递。提供可控停车，从而避免系统突然停电以满负荷运行胶带机的动力学破坏。 4、4 布置灵活：胶带机系统可用于砂石料输送，也可用于混凝土输送。特别适用于因交通不畅且输送强度较大的施工场面。其占用场地小，临建工程量小，投资成本优于其它投资成本。 5、问题与意见

长距离胶带机经过几个月的运行，证明该胶带机运行可靠，输送量可达到设计要求，因整个输送系统设计尚不尽人意，还有待进一步认识和改善。主要有以下几个问题急需解决。 （1）砂石料输送系统在设计阶段未能充分考虑各系统胶带机与长距离胶带机在电气控制部分的联接，胶带机启、停控制方式，长距离胶带机机头转载，系统通讯、监控等问题作较透彻了解。待各系统胶带机进行联动输送时，出现长距离胶带机遇故障或紧急停车时，大法坪砂石加工系统成品堆场下设廊道输送胶带机不能停机而导致长距离胶带机机尾堵料。或?308m系统、?360m系统某一条胶带机发生故障紧急停机时，导致长距离胶带机机头（?308m系统B1胶带机机尾或?360m系统A0胶带机机尾）堵料现象。因长距离胶带机为可控驱动装置，紧急停车时间一般为40s，而其它系统的胶带机为一般电机驱动，停车时间只有几秒钟。只要?308m系统或是?360m系统某一条胶带机发生故障紧急停机时，就会发生长距离胶带机因惯性（延时）停车而导致机头堵料（电气联锁控制也无法解决此延时停车问题）。建议在长距离胶带机机头卸料处增设一受料坑，亦可增设短皮带和调节料仓，料仓容量按正常停机时间80s计算，并结合考虑?308m系统、?360m系统的B1、A0胶带机出料改造。以解决机头堵料问题 。增设各系统胶带机之间的电气控制联锁并由计算机集中控制，以防止故障或紧急停机发生堵料造成对胶带机的损伤。 （2）长距离胶带机机头清扫器厂家配置安装的聚胺脂清扫器因刮板磨损较大，且对胶带损伤较大，更无法刮清胶带上沾附的泥砂浆。导致沾附在胶带上的泥砂浆随着皮带运行与下托辊组进行磨擦，使隧洞内充满灰尘。经业主和监理同意，要求厂家提供硬质合金清扫器，运行单位安装并配合水冲洗。改造后，隧洞内灰尘大大降低。又因水冲洗后使机头造成泥砂浆的污染，污水排放又成一难题。可增设沉砂池，以减少对环境造成污染，并考虑胶带在除水时，引至沉砂池排出。 （3）隧洞内的照明与通风问题，隧洞照明线路采用三相四线制供电系统。在胶带机沿线一侧约20m布置一组照明灯具，机头、机尾及明段处两侧设置固定检修照明灯具，洞内共设置10台小型轴流风机。电缆采用阻燃电缆。电源电压为~220V、~380V，存在较大安全隐患且照明亮度不足。现有部分照明灯具被防水棚遮盖（洞内渗漏水较为严重，已设置防水棚），使洞内照明亮度更加不足。由于设计原因，沿线未设检修电源，使胶带机沿线巡查和检修工作十分困难。建议按规范要求（特殊场合照明器应使用安全电压：隧道、人防工程，有高温、导电灰尘和灯具离地面高度低于2.4m等场所的照明，电源电压应不大于36V。在潮湿易触及带电体场所的照明电源电压不得大于24V。）在沿线另一侧增设一回36V或24V电压照明器具并增设检修电源。 （4）由于大法坪成品砂石料堆场廊道渗水经廊道出料胶带机流至长距离胶带机，使长距离胶带机在停止运行时胶带内存有大量积水，不利于长距离胶带机的安全运行，并影响胶带的使用寿命。建议在长距离胶带机5# 洞口龙滩沟段增设除水装将水排出或在机头沉砂池建成时将水引至沉砂池排出。为保证长距离胶带机安全运行和不影响输送砂石料的含水率，要求在廊道卸料口处设置活动水槽将水引至皮带外排出。 （5）由于设计原因，对胶带机输送系统认识不足，电气系统设计容量较小，并将配电系统分成机头和机尾两个部分控制。机头由高压控制系统及低压配电系统、控制系统组成。高压系统由双线路电源进线（一备一用）和7台高压控制柜组成（1# 柜、7# 柜为电源进线柜，2# 为变压器柜，3#~5# 为电机柜，6# 为互感器柜），低压配电系统由1台变压器容量为250KVA和1台低压配电柜组成，控制系统由1台PLC控制柜和1台控制操作台及1# 远程控制柜组成。电机柜未设备用柜，一旦电机柜发生故障，就得待电机柜修复后才能投入运行。机尾配电系统由1台变压器容量为100KVA和1台低压配电柜及1台2# 远程控制柜组成的低压配电控制系统。一旦机尾配电系统发生停电故障本胶带机系统则无法运行。另胶带机沿线未设检修电源。为了保证长距离胶带机系统的安全运行和胶带机维护、检修的需要，应将胶带机机尾电源改至机头集中控制。结合照明线路改造，沿线增设检修电源。保证隧洞内有足够的照明亮度，以满足运行维护人员日常巡查和检修、维护工作。 （6）由于人工砂易板结和成品堆场两条廊道的排料口间距较大，形成死容积较多，活库容较少。使人工砂和碎石放料困难，需辅助机械配合放料。堆场应至少配备2台以上反铲和1~2台装载机配合。 6、结语

在龙滩水电工程砂石料输送系统中，利用长距离胶带机及可控起动传输装置输送砂石料，能有效地解决了因交通不利于运输和砂石料问题。如能在设计阶段进行充分考虑和论证，在成品砂石料堆场廊道布置及给料设备选择、长距离胶带机机头下料装置中能有更好的创新，其应用前景将非常广阔，在其使用上的推广可作进一步的探讨。