刮板機(jī)在卸車工藝中的選型分析

0 引言

刮板輸送機(jī)是采煤工作面中不可或缺的一部分，已有近百年的發(fā)展歷程，因其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高，能經(jīng)受住礦料的沖撞，相比帶式輸送機(jī)、板式輸送機(jī)、鑄石刮板輸送機(jī)更適合在瞬時(shí)來(lái)料量大的工況中承載和轉(zhuǎn)運(yùn)礦料；在綜采工藝中，刮板機(jī)的各項(xiàng)配置參數(shù)都有一套成熟的算法，而將刮板機(jī)用在卸車工藝時(shí)，設(shè)備規(guī)格和裝機(jī)功率就不能簡(jiǎn)單地按小時(shí)運(yùn)量計(jì)算，還需要考慮礦料的最大粒級(jí)、車載量和卸車間隔，兩種計(jì)算最大的區(qū)別在于前者是連續(xù)給料，后者是間斷給料，由于汽車或單斗將礦料卸載到刮板機(jī)上時(shí)，礦料會(huì)在短時(shí)間內(nèi)堆積到槽箱內(nèi)，形成類似工作面片幫的效果，負(fù)載功率會(huì)瞬間增大，因此裝機(jī)功率要足夠克服堆積物料產(chǎn)生的正壓力，而選取的功率富余量大時(shí)會(huì)提高整機(jī)的配置規(guī)格，造成資源浪費(fèi)。另一方面，由于汽車卸車間隔較長(zhǎng)，所以刮板機(jī)運(yùn)量不大，但考慮到鏈條安全系數(shù)和礦料最大粒級(jí)，刮板機(jī)的槽寬反而需要增大，因此，需要配置較低的刮板鏈速控制運(yùn)量，避免造成后續(xù)設(shè)備的卡堵，同時(shí)還能有效減緩刮板機(jī)本身的磨損。

1 設(shè)計(jì)計(jì)算的原始數(shù)據(jù)

刮板機(jī)在卸車工藝中起轉(zhuǎn)運(yùn)作用，通常固定安裝在地坑內(nèi)或平鋪在地面上，如圖1、圖2所示，受料段長(zhǎng)度滿足汽車或單斗卡車的卸載長(zhǎng)度即可，所以整機(jī)長(zhǎng)度一般在20m到30m之間；輸送量根據(jù)卸車頻次和車載量可以簡(jiǎn)單計(jì)算得出，采用汽車運(yùn)輸時(shí)，單臺(tái)刮板機(jī)輸送量一般不超過(guò)200t/h，而在大型露天礦中，輸送量需要達(dá)到1000t/h。

圖1 露天礦中單斗卡車卸載示意圖

本文以圖2中的卸載方式為例進(jìn)行具體選型說(shuō)明，其中汽車每車載煤量為40t，輸送機(jī)長(zhǎng)度25m，卸料段長(zhǎng)度15m，水平安裝，輸送機(jī)運(yùn)量200t/h，來(lái)料最大粒度為300mm，槽體兩側(cè)安裝擋板，擋板與水平面間的夾角呈60°。

圖2 煤廠中汽車卸載示意圖

2 設(shè)備選型

2.1 初選槽寬

槽寬應(yīng)該根據(jù)礦料的最大粒度、運(yùn)量和鏈條規(guī)格三方面的因素綜合選取，槽寬必須大于礦料的最大粒度，防止礦料在槽體內(nèi)卡堵，根據(jù)示例中提供的粒度和運(yùn)量結(jié)合表1中的數(shù)據(jù)，按標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格選擇630mm槽寬的刮板機(jī)即可滿足使用要求，但在卸車工況中，由于刮板機(jī)的瞬時(shí)負(fù)載較大，因此需要增大鏈條規(guī)格保證鏈條的安全系數(shù)，確保整機(jī)的可靠性，所以初選34×126的鏈條進(jìn)行相關(guān)計(jì)算，對(duì)應(yīng)最小槽寬為764mm，后期根據(jù)校核結(jié)果，再進(jìn)行選型調(diào)整。

表1 順槽用刮板轉(zhuǎn)載機(jī)的技術(shù)參數(shù)表

2.2 刮板機(jī)運(yùn)行阻力計(jì)算

刮板機(jī)運(yùn)行阻力分為兩部分，一是刮板鏈本身運(yùn)行的阻力，二是槽體內(nèi)堆積的礦料造成的阻力，前者可以根據(jù)空載時(shí)的狀態(tài)簡(jiǎn)單計(jì)算獲取，后者需要按單次卸車的最大量計(jì)算，如圖3，將堆滿槽體的物料分為A、B、C三個(gè)區(qū)域，其中A區(qū)域的礦料對(duì)刮板施加正壓力，B區(qū)域和C區(qū)域的礦料對(duì)槽體側(cè)壁施加側(cè)向壓力。

圖3 槽體滿載時(shí)的堆積斷面圖

按槽體內(nèi)40t礦料、卸料段15m長(zhǎng)計(jì)算，A區(qū)域的礦料重約21t，B和C區(qū)域礦料的總重約19t，可以根據(jù)公式（1）計(jì)算出礦料對(duì)刮板機(jī)造成的阻力為179.34kN。

式中Wk——礦料對(duì)刮板機(jī)造成的阻力（kN）；

qa——A區(qū)域礦料的質(zhì)量（kg）；

qb——B區(qū)域礦料的質(zhì)量（kg）；

qc——C區(qū)域礦料的質(zhì)量（kg）；

g——重力加速度，g=9.8m/s2；

α——擋板與水平面間的夾角（°）；

ω——煤在溜槽中移動(dòng)的阻力系數(shù)，ω=（0.5-0.6）。

鏈速按公式（2）計(jì)算得0.237m/s

式中ν——刮板鏈條速度（m/s）；

Q——刮板機(jī)的運(yùn)量（t/h）；

A——溜槽上物料的裝載斷面（m2）；

ρ——物料的堆積密度，ρ=0.9t/m3。

將鏈速、安裝傾角、設(shè)備長(zhǎng)度、刮板鏈重量帶入連續(xù)輸送機(jī)械手冊(cè)中有關(guān)刮板機(jī)的計(jì)算公式（3）可以得出空載時(shí)刮板鏈本身的運(yùn)行阻力，結(jié)果為19.96kN，所以，刮板機(jī)在滿載狀態(tài)下的整體運(yùn)行阻力為199.3kN。

式中WZ——刮板機(jī)空載時(shí)的運(yùn)行阻力（kN）；

q0——刮板鏈條每米長(zhǎng)度的質(zhì)量（kg）；

ω′——刮板鏈條在溜槽中移動(dòng)時(shí)的阻力系數(shù)，ω′=（0.3-0.4）；

L——刮板輸送機(jī)設(shè)計(jì)長(zhǎng)度（m）；

β——刮板輸送機(jī)傾角（°）；

“±”——根據(jù)刮板鏈條向上運(yùn)行時(shí)取“+”號(hào)；反之取“-”號(hào)。

2.3 整機(jī)功率計(jì)算

初選7齒鏈輪，節(jié)圓半徑為283.5mm，按公式（4）計(jì)算可得驅(qū)動(dòng)軸需要的扭矩為56501.6Nm。

式中T——驅(qū)動(dòng)軸的扭矩（N·m）；

W——刮板機(jī)的運(yùn)行阻力（kN）；

L——鏈輪節(jié)圓半徑（mm）。

按公式（5）計(jì)算可得驅(qū)動(dòng)軸的轉(zhuǎn)速為8.06r/min。

式中n——驅(qū)動(dòng)軸轉(zhuǎn)速（r/min）；

p——鏈條節(jié)距（m）；

z——鏈輪齒數(shù)（mm）。

按公式（6）計(jì)算可得軸的驅(qū)動(dòng)功率為47.69kW。

式中P1——軸的驅(qū)動(dòng)功率（kW）。

按公式（7）計(jì)算可得驅(qū)動(dòng)電機(jī)的功率為67.33kW，取標(biāo)準(zhǔn)電機(jī)功率75kW。

式中k——刮板機(jī)電機(jī)功率備用系數(shù)，k=1.2；

φ——刮板機(jī)傳動(dòng)效率，φ=0.85。

2.4 鏈條強(qiáng)度校核

式中kmin——刮板機(jī)鏈條最小安全系數(shù)；

Ta——刮板機(jī)鏈條最小破斷負(fù)荷（kN）；

Tm——刮板機(jī)滿載啟動(dòng)時(shí)鏈條最大拉力（kN）。

式中nc——刮板機(jī)鏈條根數(shù)，nc=2；

Tb——刮板機(jī)單股鏈條最小破斷負(fù)荷（kN）；

ka——刮板機(jī)鏈條受力不均勻系數(shù)，ka=0.9。

式中nb——刮板機(jī)電機(jī)啟動(dòng)力矩系數(shù)，nb=2.5。

在公式（8）（9）（10）中分別帶入30×108規(guī)格和34×126規(guī)格鏈條的最小破斷負(fù)荷，計(jì)算得出安全系數(shù)分別是3.02和3.88，說(shuō)明初選的鏈條規(guī)格和槽寬合理，如果校核結(jié)果出入較大，則以此次計(jì)算結(jié)果為依據(jù)重新設(shè)定初選參數(shù)，按步驟依次計(jì)算。

2.5 選型確定

為控制刮板機(jī)的運(yùn)量，選擇了較低的刮板鏈速，從以上計(jì)算可以看出，驅(qū)動(dòng)軸的轉(zhuǎn)速只有8.06r/min，按6級(jí)電機(jī)配置，減速器速比也要達(dá)到120，參照現(xiàn)有通用減速器的技術(shù)參數(shù)，需要四級(jí)傳動(dòng)才能實(shí)現(xiàn)，所以減速器的外形體積大、制造成本過(guò)高。實(shí)際選取時(shí)，可以通過(guò)增大電機(jī)功率、降低減速器速比的方法保證輸出扭矩不變，因速比變化導(dǎo)致鏈速加快的問(wèn)題通過(guò)配置變頻器解決，變頻器在低頻輸出時(shí)有恒轉(zhuǎn)矩的特性，不影響出力，并且刮板機(jī)具備調(diào)速功能后，可以按照實(shí)際生產(chǎn)狀況調(diào)整刮板機(jī)的輸送能力，適應(yīng)性更強(qiáng)。

三級(jí)傳動(dòng)的錐齒斜齒輪減速器最高速比一般設(shè)置在70左右，按6級(jí)電機(jī)的轉(zhuǎn)速核算，刮板鏈速為0.414m/s，帶入上述公式核算后，取標(biāo)準(zhǔn)電機(jī)功率132kW；而在連續(xù)給料的順槽轉(zhuǎn)運(yùn)工藝中，刮板機(jī)輸送相等物料所需的配置相對(duì)較低，具體選型參數(shù)對(duì)比見(jiàn)表2。

表2 兩種工況下的設(shè)備選型參數(shù)對(duì)比表

另外，設(shè)備一般在地面露天使用，在冬季如果沒(méi)有采暖措施，減速器與電機(jī)的選型還要考慮較低的環(huán)境溫度，比如冷卻方式應(yīng)該選擇風(fēng)冷或強(qiáng)迫風(fēng)冷，減速器中配置油加熱器等。

3 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果與分析

實(shí)際工況中，按選型計(jì)算結(jié)果采用SZZ764/132中雙鏈刮板轉(zhuǎn)載機(jī)，選用機(jī)頭單動(dòng)力部驅(qū)動(dòng)，固定安裝在地坑內(nèi)，主要配置參數(shù)見(jiàn)表3。

表3 SZZ764/132中雙鏈刮板轉(zhuǎn)載機(jī)配置參數(shù)表

刮板機(jī)實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，變頻器頻率設(shè)定為32Hz，實(shí)際使用鏈速為0.257m/s；汽車在翻車機(jī)上就位后，單車卸載時(shí)間平均為99s；刮板機(jī)拉空單車卸載的原煤平均用時(shí)698s。觀察刮板機(jī)從入料到出料時(shí)變頻器的輸入電流可以發(fā)現(xiàn)，最大輸入電流為120.3A，最小輸入電流為11.2A，具體電流變化曲線如圖4所示。

圖4 刮板機(jī)轉(zhuǎn)運(yùn)單車原煤電流與運(yùn)行時(shí)間關(guān)系圖

從圖4中可以看出，在卸車時(shí)間段，刮板機(jī)的負(fù)載迅速增大，直至完全卸車后，槽箱內(nèi)堆積物料最多時(shí)，輸入電流開(kāi)始呈直線緩慢下降，當(dāng)刮板機(jī)拉空后，輸入電流恢復(fù)到空載狀態(tài)。圖中最大輸入電流達(dá)到了電機(jī)額定電流的85.4%，有較小的富余量，這是兩方面因素造成的，一是卸車時(shí)長(zhǎng)，選型計(jì)算時(shí)，是按槽箱內(nèi)堆滿40t原煤計(jì)算，而實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，卸車時(shí)間較長(zhǎng)，在卸載的同時(shí)有部分原煤已經(jīng)被刮板機(jī)運(yùn)出，未能達(dá)到滿載狀態(tài)，產(chǎn)生了功率富裕的現(xiàn)象，但是考慮到煤廠突發(fā)性斷電等極端情況導(dǎo)致刮板機(jī)在負(fù)載時(shí)停機(jī)，會(huì)出現(xiàn)刮板機(jī)滿載的狀態(tài)，還是應(yīng)該按最大車載量計(jì)算選型；另一方面的因素是選配標(biāo)準(zhǔn)功率電機(jī)產(chǎn)生的，電機(jī)選型是根據(jù)功率計(jì)算結(jié)果靠上選取標(biāo)準(zhǔn)功率值，所以也會(huì)造成一定的功率富裕。因此，證明上述以礦料在溜槽內(nèi)的最大堆積量和堆積狀態(tài)為側(cè)重點(diǎn)計(jì)算刮板運(yùn)行阻力的方法基本合理，可以保證刮板機(jī)在間斷給料工藝中既能可靠運(yùn)行又不造成配置浪費(fèi)。

4 結(jié)語(yǔ)

本文以煤廠中汽車供料的工藝為示例對(duì)象，對(duì)刮板機(jī)的選型步驟進(jìn)行了詳細(xì)描述，通過(guò)算法可以看出，影響刮板機(jī)配置的最主要因素是車載量，即刮板機(jī)每次承載礦料的最大量；當(dāng)溜槽內(nèi)堆滿礦料時(shí)刮板機(jī)負(fù)載最大，最易發(fā)生悶車和斷鏈?zhǔn)鹿?，處理時(shí)需要先將槽內(nèi)的礦料清理，工作量大，安全性差，因此保證刮板機(jī)的可靠性尤為重要。通過(guò)對(duì)比分析可以發(fā)現(xiàn)，卸車用刮板機(jī)具有長(zhǎng)度短、槽寬大、鏈條粗、鏈速慢、功率大的特點(diǎn)，在初選設(shè)備規(guī)格時(shí)，可以有意進(jìn)行放大，減少校驗(yàn)次數(shù)。