刮板輸送機鏈條運行所受阻力計算推導

張 波

（大同煤礦集團有限責任公司永定莊煤礦，山西大同 037000）

0 引言

為滿足礦山運輸的高效、集約要求，各種皮帶式和鏈式運輸設備被廣泛運用，礦用刮板輸送機作為礦山主要的運輸設備，具有抗磨性、安全性、高效性、集約性等優點，成為礦山安全高效生產優選運輸設備。刮板輸送機在礦山作業中，尤其是厚煤層、特厚煤層以及放頂煤作業中被廣泛使用，且在運輸過程中穩定性、靈活性極高，可隨著采煤工作面不斷的推進移動位置，極大地增加了安全生產的效率。而在實際工作中常由于鏈條的斷開、卡槽等故障，嚴重影響了其高效性及安全性[1]。因此在刮板輸送機的設計上選擇滿足要求的合適裝機功率，以及鏈條間的預緊力，以避免在實際工作中可能發生的鏈條斷開、刮板卡槽、機頭機尾翻跳等損害設備及影響安全作業的狀況顯得尤為重要。本文通過對刮板輸送機鏈運行阻力及預緊力計算推導，實現對其的精確計算，以保證刮板輸送機在正常作業中可以高效、安全運行，為礦山安全生產提供保障，這對企業提高安全、效益方面意義重大[2]。

1 運行阻力計算方法研究現狀

刮板輸送機在運轉過程中受鏈條持續不斷的拉力作用，其鏈條會由于拉力作用產生一定量的彈性延長，為保證刮板輸送機鏈條在運行過程中不會因彈性變形發生斷鏈故障，必須計算好張緊力的大小，且刮板輸送機鏈條的張緊力又與運行過程中所受阻力變化有關。因此準確計算刮板輸送機在運行過程中所受阻力的大小顯得尤為重要。刮板輸送機在運行過程中所受阻力主要取決于刮板和鏈條與中部槽、煤與中部槽的運行阻力系數、輸送機結構和鋪設情況等[3-5]。

根據目前各學者對刮板輸送機運行阻力的計算研究可知，通常情況下將具有一定彈性的刮板輸送機鏈條看作是剛體，使得在計算中會存在一定的誤差。其中，在彎曲部位中由于附加阻力的存在，是阻力計算中引起誤差的關鍵因素，誤差分析中主要是由于工作面底板起伏變化。在早期，常用平直部分的附加阻力與附加阻力系數之間進行乘積計算，這種計算方式較為粗略，且此種方法難以準確表示出因底板起伏而引起的彎曲程度不同導致的附加阻力的不同，對誤差無法進行較為精確地衡量。在實際工作中，由于當采煤機采用前進式進行切割煤壁，其后面的刮板輸送機溜槽由于支架的推動下，移動一個步距，隨著工作面的持續推進，支架會隨著工作面進行移動，勢必會使刮板輸送機處于彎曲狀態，因此輸送機在水平面上會形成彎曲鋪設[6-9]。

2 運行中阻力計算

通過對研究現狀的分析，本文對刮板輸送機運行阻力進行了更為精細的推導計算。具體為：由于刮板輸送機的設計方式為中間鏈槽為平直，機頭、機尾兩端為彎曲狀，鏈條及刮板通過平直部分一直通過彎曲部分循環運轉。在實際生產中，由于工作面地板的起伏及生產中巷道成型的不規則，會造成刮板輸送機在水平、垂直方向存在一定的彎曲，因此通過推導輸送機在處于彎曲狀態時刮板及鏈條的運行阻力可以幫助在設計及安裝時有效地進行調整，從而為安全生產提供幫助。

計算推導中，將處于水平、垂直方向的彎曲部位視為圓弧狀，并取弧長為d l，其受力分析如圖1所示。圖中，C為刮板鏈單位長度上的阻力；μ為摩擦因數；r為圓弧半徑；F為鏈張力；FN為正壓力；α為彎曲角；l為弧長。

圖1 刮板輸送機鏈條受力圖

對圖1進行分析，正壓力FN與鏈張力F之間滿足如下關系式：

對式（1）進行合并計算得：

假設彎曲角α′后的鏈及圓弧段起點處所受張力分別為F1、F2，在此下求解微分方程，可得：

由于刮板輸送機彎曲部分摩擦力只與壓力及摩擦因素有關，與彎曲方向不存在關聯，因此可用對應弧段長度為lx上的上彎曲角α代替彎曲角α′：

將式（3）與（4）聯立進行求解得：

式中：qk為刮板鏈條單位長度重量，kN/m；qB為貨載單位長度重量，kN/m；C0為上鏈阻力系數；β為輸送機安裝角，（°）。

同理，可得到刮板輸送機下部拉鏈的拉力為：

通過受力的分析可知：式（6）減去FO2、式（7）減去Fμ2可分別得到以下公式。

刮板輸送機上部鏈條阻力：

通過對上、下部分拉鏈阻力的推導計算，可知：μ、l之間以積的形式決定了刮板輸送機的阻力大小，因此經分析可得在設計中合理的降低μ、α，根據實際情況合理選擇l的大小，可有效降低刮板輸送機拉鏈的運行阻力。

3 不同驅動方式下彎曲輸送機刮板鏈條運行阻力計算

在運輸實際中通常將驅動裝置安裝在機頭或者機尾的地方，因此研究這兩種安裝方式的運行阻力推導計算很有必要，這會對實際運行中阻力確定提高一定的參考。

3.1 機頭部位安裝驅動裝置

上部分刮板拉鏈的運行阻力為：

下部分刮板拉鏈的運行阻力為：

3.2 機尾部位安裝驅動裝置

上部分刮板拉鏈的運行阻力為：

下部分刮板拉鏈的運行阻力為：

4 結束語

針對當前對刮板輸送機運行阻力的計算可知，目前關于運行阻力的研究還沒有形成全面、客觀的認識，多是對各部分運行阻力的簡單疊加。本文對刮板輸送機的中刮板鏈條上下部分的不同運行阻力進行了一定的推導計算，該計算方法及相關分析對今后設備設計中提供了一定的理論指導，同時對實際安裝中兩種常見的驅動裝置安裝形式進行了一定的計算推導，為礦山運輸系統能夠穩定、安全、高效運行提供了幫助。