基于MATLAB的帶式輸送機犁式卸料器的結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究

宋雷庭

（山西長平煤業(yè)有限責(zé)任公司， 山西 高平 048400）

引言

輸送機作為一種重要的物料輸送設(shè)備，是煤炭生產(chǎn)企業(yè)中煤炭運輸?shù)暮诵难b備，因此輸送機工作的穩(wěn)定性和可靠性直接決定了煤炭的運輸效率[1]。作為帶式輸送機上的一部分，犁式卸料器雖然結(jié)構(gòu)簡單、質(zhì)量小，但對提升輸送機的輸送效率具有十分巨大的作用，由于目前對犁式卸料器中導(dǎo)向板的設(shè)置無明確的規(guī)定，在實際應(yīng)用過程中主要是通過工人的工作經(jīng)驗進(jìn)行設(shè)置，因此造成其受載荷沖擊影響較大，嚴(yán)重影響了卸料器的使用壽命，因此本文利用MATLAB仿真分析軟件對不同工作夾角對卸料器工作特性的影響進(jìn)行研究，針對性地提出了導(dǎo)向板角度的設(shè)置建議，極大地提升了其工作時的穩(wěn)定性和可靠性。

1 帶式輸送機犁式卸料器的受力分析

由于輸送機的卸料器在工作時受到物料沖擊作用較大，因此首先對其工作時的受力狀態(tài)進(jìn)行分析，犁式卸料器工作時的受力簡圖如圖1所示。

設(shè)輸送機工作中犁式卸料器在物料的沖擊作用下的受力為F，其可分解為垂直于導(dǎo)向板的正壓力FZ及平行于導(dǎo)向板的力Fp。為了便于分析，將其劃分為n個小的受力單元，物料的運行速度v0和輸送機的運行方向一致。

圖1 犁式卸料器的受力簡圖

由圖1可知，卸料器工作時導(dǎo)向板所受的正應(yīng)力σ可表示為[2]：

其所受到的剪切應(yīng)力可表示為：

式中：l為輸送機卸料器的導(dǎo)向板長度，m；B為帶式輸送機輸送帶寬度，m；α為輸送機卸料器的導(dǎo)向板夾角，（°）；h為輸送機卸料器的導(dǎo)向板的高度，m；b為輸送機卸料器的導(dǎo)向板的厚度，m。物料在運行中與導(dǎo)向板相碰撞，在碰撞的時間微單元dt內(nèi)的傳遞的質(zhì)量m可表示為：

式中：qG為輸送帶上煤炭的線密度，kg/m；v0為輸送帶的運行速度，m/s。由能量守恒定律可得：

式中：v為輸送帶煤炭撞擊到導(dǎo)向板后在dt末端的速度。由此分析可得，當(dāng)煤炭在導(dǎo)向板作用下停止后，輸送機工作中犁式卸料器在物料的沖擊作用下的受力F可表示為：

2 不同導(dǎo)向板夾角下的卸料器受力特性

本文以某型輸送機犁式卸料器為對象，分別對兩組不同輸送機工作參數(shù)下的運行情況進(jìn)行對比分析，第一組輸送機的運行時的線速度為2.5 m/s，輸送帶的寬度為0.8 m，導(dǎo)向板的厚度為0.006 m，輸送帶上物料的線密度為63 kg/m。第二組輸送機的運行時的線速度為4.5 m/s，輸送帶的寬度為1.8 m，導(dǎo)向板的厚度為0.006 m，輸送帶上物料的線密度為183 kg/m，利用MATLAB仿真分析軟件[3]對輸送機的卸料器在不同工作角度情況下的夾角與所受應(yīng)力的關(guān)系進(jìn)行分析，其導(dǎo)向板的夾角和工作時導(dǎo)向板的切應(yīng)力的關(guān)系曲線如圖2所示。

圖2 導(dǎo)向板夾角與切應(yīng)力的關(guān)系曲線

由圖2可知，在輸送機的運行參數(shù)一致的情況下，犁式卸料器工作時所受的切應(yīng)力隨著導(dǎo)向板夾角的增加而增大，當(dāng)犁式卸料器的工作夾角不變的情況下，輸送機的帶寬越大其工作時卸料器所受到的切應(yīng)力越大。

卸料器工作時導(dǎo)向板的夾角和所受的正應(yīng)力的關(guān)系如圖3所示。

圖3 導(dǎo)向板夾角與正應(yīng)力的關(guān)系曲線

由仿真分析結(jié)果可知，兩組不同狀態(tài)下卸料器所受的最大正應(yīng)力約為4 000 Pa，其遠(yuǎn)小于輸送機卸料器導(dǎo)向板13 000 Pa的許用應(yīng)力，導(dǎo)向板夾角的變化雖然會導(dǎo)致其工作時所受的正應(yīng)力的增加，但增加幅度并不大，而且導(dǎo)向角的增加有利于增加煤炭散料的卸料速度。

輸送機導(dǎo)向板的夾角和導(dǎo)向板的長度之間的關(guān)系曲線如圖4所示。

圖4 導(dǎo)向角和導(dǎo)向板長度關(guān)系曲線

由圖4可知，輸送機工作時卸料器的導(dǎo)向板之間的角度越大，卸料器的導(dǎo)向板在工作時的有效的導(dǎo)向長度隨之降低，當(dāng)其導(dǎo)向夾角超過60°時，導(dǎo)向板的長度隨著角度的變化趨勢逐漸減小，因此實際工作時將導(dǎo)向板的夾角設(shè)置為超過60°，能夠很好地平衡導(dǎo)向板夾角和長度的關(guān)系，使其運行更具有經(jīng)濟(jì)性。

3 犁式卸料器的摩擦力與導(dǎo)向板夾角的關(guān)系

同理，在相同的工況下利用MATLAB仿真分析軟件對輸送機工作狀況下卸料器的摩擦力和導(dǎo)向板的夾角之間的關(guān)系如圖5所示[4]。

圖5 摩擦力和導(dǎo)向板夾角的關(guān)系曲線

由分析結(jié)果可知，導(dǎo)向板的夾角越大，在工作時犁式卸料器所受到的摩擦力越大，輸送的寬度越大其承受的摩擦力反而越小，當(dāng)導(dǎo)向板的夾角大于80°時，其摩擦力的變化趨勢逐漸地減緩，因此在對犁式卸料器的導(dǎo)向板的夾角進(jìn)行設(shè)置時上限可設(shè)置為80°，避免摩擦力過大而導(dǎo)致的導(dǎo)向板的過度磨損，同時也能有效地避免角度過大而導(dǎo)致的無法清除輸送帶上的物料。

4 結(jié)論

1）導(dǎo)向板工作時的變形主要受到切應(yīng)力的影響，在輸送機的運行參數(shù)一致的情況下，切應(yīng)力隨著導(dǎo)向板夾角的增加而增大，當(dāng)導(dǎo)向板夾角不變時，帶寬越大其工作時卸料器所受到的切應(yīng)力越大。

2）輸送機工作時卸料器的導(dǎo)向板之間的角度越大，卸料器的導(dǎo)向板在工作時的有效的導(dǎo)向長度越低，當(dāng)其導(dǎo)向夾角超過60°時，導(dǎo)向板的長度隨著角度的變化趨勢逐漸降低，因此考慮經(jīng)濟(jì)性應(yīng)將導(dǎo)向板的夾角設(shè)置為大于60°，但當(dāng)導(dǎo)向角超過80°后會導(dǎo)致摩擦力增大，引起過渡磨損。

3）綜合評估后，根據(jù)分析結(jié)果，將輸送機犁式卸料器的導(dǎo)向板的夾角設(shè)置為60°～80°時具有最佳的工作性能和最優(yōu)的經(jīng)濟(jì)性。