大出力葉輪給煤機(jī)的可行性分析

楊文君

(哈爾濱和泰電力設(shè)備有限公司，黑龍江 哈爾濱 150090)

0 引言

在縫式煤槽、多個(gè)受料斗串聯(lián)或筒倉(cāng)等散料卸料設(shè)施中，從煤槽撥煤平臺(tái)上撥煤到下級(jí)帶式輸送機(jī)通常選用葉輪給煤機(jī)。葉輪給煤機(jī)沿卸料方向前、后行走的過(guò)程中進(jìn)行撥料，設(shè)備無(wú)空行程、效率高。該設(shè)備目前被廣泛應(yīng)用于火電、煤炭、冶金、礦山、化工等行業(yè)的散狀物料輸送系統(tǒng)的連續(xù)給料。葉輪給煤機(jī)工作示意圖，如圖1所示。

圖1 葉輪給煤機(jī)工作示意圖

對(duì)于單路帶式輸送機(jī)，每路帶式輸送機(jī)可配備2臺(tái)葉輪給煤機(jī)，每臺(tái)葉輪給煤機(jī)的最大出力為帶式輸送機(jī)額定出力約1.2倍。對(duì)于雙路帶式輸送機(jī)，每路帶式輸送機(jī)可配1臺(tái)或2臺(tái)葉輪給煤機(jī)，每臺(tái)葉輪給煤機(jī)的最大出力宜為帶式輸送機(jī)額定出力約1.2倍或0.6倍[1]。

隨著工業(yè)的發(fā)展，運(yùn)煤系統(tǒng)輸送量逐漸增大。原有葉輪給煤機(jī)出現(xiàn)的技術(shù)瓶頸是出力達(dá)不到系統(tǒng)大出力的要求。為了滿(mǎn)足系統(tǒng)輸送量大出力的需求，通常增加設(shè)備的數(shù)量實(shí)現(xiàn)滿(mǎn)足系統(tǒng)的大出力，大大浪費(fèi)運(yùn)行能耗、設(shè)備投入成本及后期設(shè)備維護(hù)量。因此，給料設(shè)備的出力與系統(tǒng)不匹配的情況，影響物料輸送系統(tǒng)的穩(wěn)定。

1 葉輪給煤機(jī)給料能力的計(jì)算

1.1 葉輪給煤機(jī)的工作原理

葉輪給煤機(jī)由機(jī)架、行走機(jī)構(gòu)、撥煤機(jī)構(gòu)、料斗等構(gòu)成，工作原理是通過(guò)設(shè)備的行走機(jī)構(gòu)沿軌道前、后行走時(shí)，撥煤機(jī)構(gòu)帶動(dòng)若干撥料爪旋轉(zhuǎn)進(jìn)入縫隙式煤槽內(nèi)，將煤溝或料倉(cāng)槽內(nèi)的物料通過(guò)煤斗，連續(xù)、均勻地?fù)苈涞捷斔拖到y(tǒng)的帶式輸送機(jī)上，通過(guò)帶式輸送機(jī)把煤或物料運(yùn)走。葉輪給煤機(jī)主要結(jié)構(gòu)，如圖2所示。

圖2 葉輪給煤機(jī)主要結(jié)構(gòu)圖

葉輪給煤機(jī)的給料能力取決于被葉片撥動(dòng)的料層斷面面積、葉輪直徑和轉(zhuǎn)數(shù)、給煤機(jī)行走的速度與方向[2]。對(duì)葉輪給煤機(jī)的給料能力又分為固定給料時(shí)的給料能力和移動(dòng)給料時(shí)的給料能力，最終反映到下級(jí)帶式輸送機(jī)系統(tǒng)的輸送能力。

1.2 固定給料時(shí)的給料能力[2]

式中：Q1為固定時(shí)的給料能力，t/h；F為被葉片撥動(dòng)的物料層斷面面積，m2；R0為葉輪所占的物料層面積F的重心到葉輪回轉(zhuǎn)中心的距離，m；n為葉輪給煤機(jī)的轉(zhuǎn)速，r/min；K為考慮到在確定面積F時(shí)，未計(jì)及的料倉(cāng)縫口高度和撥料葉片前的空間容積的校正系數(shù)，K=1.2～1.8；ρ表示物質(zhì)密度，kg/m3。

1.3 移動(dòng)給料時(shí)的給料能力[2]

式中：Q2為移動(dòng)時(shí)的出料能力，t/h；V為給煤機(jī)的移動(dòng)速度，m/s。

1.4 對(duì)帶式輸送機(jī)的給料能力[2]

對(duì)于葉輪給煤機(jī)整機(jī)往返在軌道上行走，而撥煤機(jī)構(gòu)有兩種旋轉(zhuǎn)方向，如圖3所示。

圖3 撥煤機(jī)構(gòu)兩種旋轉(zhuǎn)方向示意

對(duì)于右旋的葉輪給煤機(jī)，當(dāng)帶式輸送機(jī)與葉輪給煤機(jī)運(yùn)行方向相同時(shí)，對(duì)葉輪給煤機(jī)給到帶式輸送機(jī)上單位時(shí)間的物料量：

式中：Q為葉輪給煤機(jī)移動(dòng)時(shí)，給到帶式輸送機(jī)上輸送量，t/h；Vc為下級(jí)帶式輸送機(jī)的速度，m/s。

對(duì)于右旋的葉輪給煤機(jī)，當(dāng)帶式輸送機(jī)與葉輪給煤機(jī)運(yùn)行方向相反時(shí)，對(duì)葉輪給煤機(jī)給到帶式輸送機(jī)上單位時(shí)間的物料量：

對(duì)于左旋的葉輪給煤機(jī)，當(dāng)帶式輸送機(jī)與葉輪給煤機(jī)運(yùn)行方向相同時(shí)，對(duì)葉輪給煤機(jī)給到帶式輸送機(jī)上單位時(shí)間的物料量。

對(duì)于左旋的葉輪給煤機(jī)，當(dāng)帶式輸送機(jī)與葉輪給煤機(jī)運(yùn)行方向相反時(shí)，對(duì)葉輪給煤機(jī)給到帶式輸送機(jī)上單位時(shí)間的物料量：

葉輪給煤機(jī)給煤在往返運(yùn)行過(guò)程中，對(duì)帶式輸送機(jī)存在著給料能力不穩(wěn)定的狀態(tài)，即葉輪給煤機(jī)行走速度越快，這種狀態(tài)影響越大，會(huì)造成整個(gè)運(yùn)煤系統(tǒng)給料能力不穩(wěn)定，一是應(yīng)盡可能減少葉輪給煤機(jī)的行走速度，二是同一帶式輸送機(jī)上布置兩臺(tái)葉輪給煤機(jī)，相向或相背而行，能減小或消除葉輪給煤機(jī)的行走速度對(duì)系統(tǒng)給料能力的不穩(wěn)定性。

2 常規(guī)增大系統(tǒng)給料能力的分析

2.1 葉輪給煤機(jī)運(yùn)行過(guò)程中的受力構(gòu)成

葉輪給煤機(jī)受力分析示意圖，如圖4所示。

圖4 葉輪給煤機(jī)受力分析示意圖

運(yùn)行過(guò)程受力分析，由下面兩部分構(gòu)成：

1)在軌道運(yùn)行方向設(shè)備的受力分析， 如圖4(a)所示。

①NL，NR即左右車(chē)輪的輪壓，由整機(jī)重量等決定。

②FL，F(xiàn)R即左右車(chē)輪行走產(chǎn)生的滾動(dòng)摩擦力，大小與車(chē)輪的輪壓及車(chē)輪與軌道的摩擦系數(shù)等決定，方向與運(yùn)行方向相反。

③PH即葉輪爪在撥料過(guò)程中，物料的內(nèi)剪力和倉(cāng)底對(duì)葉輪爪的摩擦力，由PV及物料內(nèi)摩擦系數(shù)及壁面摩擦系數(shù)決定；隨給料能力增加而增大。

④F即溝擋板開(kāi)啟產(chǎn)生的滾動(dòng)摩擦力，大小與擋板重量及擋板滾輪與啟閉桿的摩擦系數(shù)決定，方向與運(yùn)行方向相反。

2)在溝口斷面方向設(shè)備的受力分析，如圖4(b)所示。

⑤PV即葉輪爪在撥料過(guò)程中，貯料對(duì)葉輪爪的豎向壓力，由倉(cāng)深及物料的特性決定。

葉輪給煤機(jī)正常運(yùn)行時(shí)，需保證②>③+④+⑤，隨設(shè)備給料能力增加而增大，即能保證葉輪給煤機(jī)不打滑運(yùn)行。

2.2 單機(jī)增大給料能力的方法

當(dāng)增大單機(jī)的葉輪給煤機(jī)的給料能力時(shí)，可以增加葉輪直徑、撥煤面積、轉(zhuǎn)速等，但增加量都較為有限。當(dāng)增加量過(guò)大時(shí)，葉輪給煤機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中會(huì)存在整機(jī)向后滑行現(xiàn)象。實(shí)踐證明當(dāng)出力增加到一定時(shí)，即出力在1 500 t/h 時(shí)，再增加撥料面積及撥料轉(zhuǎn)速，會(huì)因撥料阻力過(guò)大而造成設(shè)備打滑，使設(shè)備無(wú)法正常運(yùn)行。此時(shí)主要通過(guò)增加設(shè)備重量增大行車(chē)輪與軌道之間的摩擦力，從而避免設(shè)備運(yùn)行打滑的問(wèn)題，但是改善的情況也是有限的，當(dāng)出力達(dá)到2 000 t/h左右時(shí)，基本達(dá)到上限。

當(dāng)然，也可考慮在軌道上增加銷(xiāo)輪銷(xiāo)齒驅(qū)動(dòng)來(lái)消除撥料阻力。但通常葉輪給煤機(jī)的運(yùn)行軌道長(zhǎng)，銷(xiāo)輪銷(xiāo)齒兩側(cè)的同步性即銷(xiāo)齒產(chǎn)生的累計(jì)誤差也過(guò)大，此方案實(shí)現(xiàn)難度大，經(jīng)濟(jì)性也較差，因此不推薦這種驅(qū)動(dòng)形式。

目前啤酒公司銷(xiāo)售費(fèi)用率較高，未來(lái)隨著行業(yè)從低價(jià)競(jìng)爭(zhēng)向高端品牌競(jìng)爭(zhēng)，促銷(xiāo)費(fèi)用有望下降。同時(shí)，受益制造業(yè)增值稅下降，凈利潤(rùn)將大幅上升，燕京啤酒受稅費(fèi)影響大，利潤(rùn)彈性也是最大的。

2.3 整體增加設(shè)備數(shù)量

當(dāng)葉輪給煤機(jī)單機(jī)給料能力達(dá)不到系統(tǒng)使用要求時(shí)，也可以在移動(dòng)的軌道上通過(guò)增加設(shè)備臺(tái)數(shù)來(lái)達(dá)到增加系統(tǒng)出力的目的。例如某項(xiàng)目輸送系統(tǒng)額定出力Q=3 000 t/h，配置2路給料設(shè)備，常規(guī)選用每路設(shè)2臺(tái)1 500 t/h葉輪給煤機(jī)。對(duì)于單路帶式輸送機(jī)，每路帶式輸送機(jī)均需要備用葉輪給煤機(jī)，即整個(gè)系統(tǒng)需配置4臺(tái)Q=1 500 t/h葉輪給煤機(jī)。

3 雙輪給煤機(jī)的可行性

3.1 雙輪給煤機(jī)的工作原理

若葉輪給煤機(jī)設(shè)置兩套相向轉(zhuǎn)動(dòng)的撥料機(jī)構(gòu)，即采用兩套正反撥料爪進(jìn)入縫隙式煤溝內(nèi)，撥料機(jī)構(gòu)帶動(dòng)撥料爪旋轉(zhuǎn)，兩套相向轉(zhuǎn)動(dòng)撥料爪，使兩套撥料阻力基本互相抵消[3]。同時(shí)因增加了一套撥料機(jī)構(gòu)，使設(shè)備重量大幅度增加，也就是使車(chē)輪輪壓增加，即行走的摩擦力大大增加，減少了大出力葉輪給煤機(jī)打滑的可能性，提高了當(dāng)設(shè)備的運(yùn)行方向、撥料爪運(yùn)行方向、帶式輸送機(jī)運(yùn)行方向不同時(shí)系統(tǒng)給料量的穩(wěn)定性。而兩套撥料機(jī)構(gòu)的料斗可以采用一套料斗，結(jié)構(gòu)更緊湊。

雙輪葉輪給煤機(jī)由機(jī)架、行走機(jī)構(gòu)、兩套撥煤機(jī)構(gòu)、料斗等構(gòu)成。工作原理是通過(guò)設(shè)備的行走機(jī)構(gòu)沿軌道前、后行走時(shí)，由兩套相向旋轉(zhuǎn)的撥煤機(jī)構(gòu)，帶動(dòng)若干撥料爪旋轉(zhuǎn)進(jìn)入縫隙式煤槽內(nèi)，將煤溝或料倉(cāng)槽內(nèi)的物料通過(guò)中間的煤斗，連續(xù)、均勻地?fù)苈涞捷斔拖到y(tǒng)的帶式輸送機(jī)上，通過(guò)帶機(jī)把煤或物料運(yùn)走。雙輪葉輪給煤機(jī)主要結(jié)構(gòu)圖，如圖5所示。

圖5 雙輪葉輪給煤機(jī)主要結(jié)構(gòu)圖

3.2 雙輪給煤機(jī)運(yùn)行過(guò)程中的受力構(gòu)成

綜合分析葉輪給煤機(jī)的單機(jī)主要阻力來(lái)源于撥動(dòng)一定給料量產(chǎn)生的阻力，若減少此阻力，給料量會(huì)大幅度提高。

雙輪給煤機(jī)在軌道運(yùn)行方向設(shè)備的受力分析示意圖，如圖6所示。

圖6 雙輪給煤機(jī)受力分析示意圖

雙輪給煤機(jī)運(yùn)行過(guò)程受力由下面6部分構(gòu)成：

①NL，NR即左右車(chē)輪的輪壓，由整機(jī)重量等決定。

②FL，F(xiàn)R即左右車(chē)輪行走產(chǎn)生的滾動(dòng)摩擦力，大小與車(chē)輪輪壓及車(chē)輪與軌道的摩擦系數(shù)等決定，方向與運(yùn)行方向相反。

③PHL即左旋葉輪爪在撥料過(guò)程中，物料的內(nèi)剪力和倉(cāng)底對(duì)葉輪爪的摩擦力，由PV及物料內(nèi)摩擦系數(shù)及壁面摩擦系數(shù)決定；隨給料能力增加而增大。

④PHR即右旋葉輪爪在撥料過(guò)程中，物料的內(nèi)剪力和倉(cāng)底對(duì)葉輪爪的摩擦力，由PV及物料內(nèi)摩擦系數(shù)及壁面摩擦系數(shù)決定；隨給料能力增加而增大。

⑤F即溝擋板開(kāi)啟產(chǎn)生的滾動(dòng)摩擦力，大小與擋板重量及擋板滾輪與啟閉桿的摩擦系數(shù)決定，方向與運(yùn)行方向相反。

⑥PV即葉輪爪在撥料過(guò)程中，貯料對(duì)葉輪爪的豎向壓力，由倉(cāng)深及物料的特性決定。

雙輪給煤機(jī)運(yùn)行時(shí)，③、④大小基本相等，但方向相反；因此，雙輪給煤機(jī)需保證②>⑤+⑥不隨設(shè)備給料能力增加而增大。

3.3 雙輪給煤機(jī)的給料能力分析

當(dāng)帶式輸送機(jī)與雙輪給煤機(jī)運(yùn)行方向相同時(shí)，對(duì)雙輪給煤機(jī)給到帶式輸送機(jī)上單位時(shí)間的物料量：

式中：QL、QR為左旋葉輪爪及右旋葉輪爪的給料能力，t/h。

當(dāng)帶式輸送機(jī)與雙輪給煤機(jī)運(yùn)行方向相反時(shí)，對(duì)雙輪給煤機(jī)給到帶式輸送機(jī)上單位時(shí)間的物料量：

雙輪給煤機(jī)給煤在往返運(yùn)行過(guò)程中，消除了移動(dòng)給料時(shí)的給料能力對(duì)帶式輸送機(jī)的影響，使帶式輸送機(jī)對(duì)系統(tǒng)的給料能力相對(duì)穩(wěn)定。

4 對(duì)比總結(jié)

4.1 總長(zhǎng)對(duì)比

兩臺(tái)Q=1 500 t/h 葉輪給煤機(jī)設(shè)備總長(zhǎng)不少于14 m，同時(shí)運(yùn)行時(shí)得增加兩臺(tái)設(shè)備運(yùn)行的安全距離約2 m，兩臺(tái)設(shè)備約為16 m，而一臺(tái)Q=3 000 t/h 葉輪給煤機(jī)設(shè)備長(zhǎng)度不足10 m，也就是增加了設(shè)備卸料的有效長(zhǎng)度6 m。

4.2 系統(tǒng)卸料的穩(wěn)定性

兩臺(tái)Q=1 500 t/h 葉輪給煤機(jī)同向運(yùn)行時(shí)出力不穩(wěn)定，在膠帶速度為4.5 m/s的情況，Q=1 500 t/h葉輪給煤機(jī)的出力在1 367～1 637 t/h范圍內(nèi)波動(dòng)。若相向或反相運(yùn)行，需要控制調(diào)整，而且有備有設(shè)備時(shí)不易實(shí)現(xiàn)。而Q=3 000 t/h 葉輪給煤機(jī)的出力很穩(wěn)定，不會(huì)出現(xiàn)波動(dòng)的情況。

兩臺(tái)Q=1 500 t/h 葉輪給煤機(jī)運(yùn)行時(shí)會(huì)出現(xiàn)打滑情況；而Q=3 000 t/h葉輪給煤機(jī)則不會(huì)出現(xiàn)打滑的情況，增大卸料的效率。

在煤溝或料溝的兩端給料時(shí)，因兩端的溝口是敞開(kāi)的，常規(guī)葉輪給煤機(jī)撥煤機(jī)構(gòu)因提高撥煤量有一定弧形，因此撥煤機(jī)構(gòu)只能一個(gè)方向旋轉(zhuǎn)，會(huì)在其中一端出現(xiàn)撒料的情況，而雙輪葉輪給煤機(jī)，因兩撥煤機(jī)構(gòu)相向旋轉(zhuǎn)，則完全不會(huì)出現(xiàn)這種情況。

4.3 經(jīng)濟(jì)性對(duì)比

兩臺(tái)Q=1 500 t/h葉輪給煤機(jī)的成本、設(shè)備能耗、維護(hù)量、無(wú)效卸料長(zhǎng)度均高于Q=3 000 t/h。兩臺(tái)葉輪給煤機(jī)與一臺(tái)雙輪葉輪給煤機(jī)的對(duì)比項(xiàng)目，見(jiàn)表1所列。

表1 兩臺(tái)葉輪給煤機(jī)與一臺(tái)雙輪葉輪給煤機(jī)的對(duì)比

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述大出力葉輪給煤機(jī)的可行性分析，針對(duì)大出力系統(tǒng)的給料設(shè)備，一臺(tái)雙輪大出力葉輪給煤機(jī)，在功能上、性能上、運(yùn)行成本上、節(jié)能減排等方面，均優(yōu)于對(duì)等兩臺(tái)單輪正常出力的葉輪給煤機(jī)。大出力雙輪葉輪給煤機(jī)，給大出力系統(tǒng)擴(kuò)展一種給料設(shè)備的選型方案。