薄煤層綜采工作面刮板輸送機(jī)傳動(dòng)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

楊東明

（陽(yáng)煤忻州通用機(jī)械有限責(zé)任公司， 山西 忻州 034000）

引言

隨著能源結(jié)構(gòu)性矛盾的不斷深化，煤炭工業(yè)在未來(lái)相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間里仍然會(huì)是國(guó)內(nèi)能源產(chǎn)業(yè)的重點(diǎn)，煤炭工業(yè)健康穩(wěn)定發(fā)展是社會(huì)經(jīng)濟(jì)持續(xù)發(fā)展的重要保障。隨著我國(guó)煤炭開(kāi)采技術(shù)的不斷發(fā)展，自動(dòng)化的刮板運(yùn)輸機(jī)逐漸成為煤礦綜采工作面的重要煤炭運(yùn)輸設(shè)備。隨著我國(guó)煤炭?jī)?chǔ)量減少，設(shè)計(jì)研發(fā)適用于薄煤層綜采工作面的刮板輸送機(jī)，對(duì)提高煤炭利用率、節(jié)約能源和保護(hù)環(huán)境都有著重要的意義。

1 刮板機(jī)結(jié)構(gòu)組成和工作原理

1.1 刮板機(jī)結(jié)構(gòu)組成

刮板機(jī)是由牽引機(jī)構(gòu)牽引進(jìn)行煤炭連續(xù)運(yùn)輸?shù)牡V業(yè)設(shè)備，其牽引機(jī)構(gòu)又稱刮板鏈，刮板機(jī)依靠溜槽承裝煤炭。雖然目前各刮板機(jī)生產(chǎn)廠家因設(shè)計(jì)理念的區(qū)別導(dǎo)致產(chǎn)品的形式差異較大，但刮板機(jī)的基本結(jié)構(gòu)組成是類似的，總體上可以分為機(jī)頭、溜槽、刮槽、刮板鏈和機(jī)尾等結(jié)構(gòu)。

1.2 刮板機(jī)工作原理

刮板機(jī)依靠牽引機(jī)構(gòu)的牽引力提供動(dòng)力，帶動(dòng)機(jī)頭轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而使機(jī)頭上的鏈輪啟動(dòng)，這時(shí)刮板鏈就可以循環(huán)運(yùn)動(dòng)，沿著溜槽傳送煤炭至礦井頂部機(jī)頭上方進(jìn)行卸料。在運(yùn)輸過(guò)程中，由于刮板鏈的運(yùn)動(dòng)軌跡是多邊形，致使刮板鏈在運(yùn)行中的速度和加速度也不是定值。

2 刮板機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

刮板機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)是刮板機(jī)的主要結(jié)構(gòu)構(gòu)成，其示意圖如圖1所示。刮板機(jī)電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)后，通過(guò)液力耦合器帶動(dòng)減速器運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而啟動(dòng)鏈輪組件，帶動(dòng)刮板鏈在機(jī)頭和機(jī)尾部分進(jìn)行循環(huán)往返運(yùn)動(dòng)，將溜槽里的煤炭運(yùn)送至指定位置。

圖1 刮板機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)示意圖

本文以陽(yáng)煤忻州通用機(jī)械有限責(zé)任公司生產(chǎn)的SGZ1250/3×855型薄煤層綜采工作面刮板機(jī)為例開(kāi)展傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究。該產(chǎn)品設(shè)計(jì)長(zhǎng)度為200 m，運(yùn)輸能力為1 000 t/h，刮板鏈速度為2 m/s。刮板鏈采用中雙鏈結(jié)構(gòu)，卸載方式采用端卸式，溜槽采用開(kāi)低式E形結(jié)構(gòu)，設(shè)置位置為中部，動(dòng)力裝置選用單速異步電動(dòng)機(jī)布置于刮板機(jī)機(jī)頭和機(jī)尾。

2.1 薄煤層綜采工作面刮板機(jī)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

不同于普通刮板機(jī)，薄煤層綜采工作面刮板機(jī)主要使用于厚度為0.8～1.3 m的緩傾斜煤層工作面，其結(jié)構(gòu)形式的特點(diǎn)主要包括：

1）刮板機(jī)機(jī)頭和機(jī)身較短，且能夠進(jìn)行快速安拆，方便不同薄煤層間進(jìn)行轉(zhuǎn)場(chǎng)使用。

2）刮板機(jī)控制系統(tǒng)集成化程度較高，并采用故障自動(dòng)識(shí)別檢測(cè)機(jī)制，將故障信號(hào)作為自動(dòng)停機(jī)的主要參數(shù)。

2.2 刮板機(jī)運(yùn)行阻力和牽引力的計(jì)算

刮板機(jī)運(yùn)行過(guò)程中的阻力主要來(lái)自刮板鏈與巷道壁之間的摩擦力，以及斜巷在水平方向的分力。在計(jì)算阻力時(shí)，要分別對(duì)兩種情況進(jìn)行考慮，即直線段和曲線段。刮板機(jī)在斜巷中運(yùn)行時(shí)，主要需要克服煤炭對(duì)刮板運(yùn)行的摩擦阻力，同時(shí)也包括了煤炭和刮板鏈重力在水平方向的分力。

在重段直線段運(yùn)行的阻力為：

刮板鏈在空段直線段的運(yùn)行阻力為：

式中：w、wl分別為煤炭、刮板鏈的阻力系數(shù)；β為刮板機(jī)鋪設(shè)角度；L刮為板機(jī)長(zhǎng)度，m；ql為刮板鏈單位長(zhǎng)度的質(zhì)量，kg/m；g為重力加速度，m/s。

SGZ1250/3×855型薄煤層綜采工作面刮板機(jī)參數(shù)如表1所示。

表1 刮板機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)表

將設(shè)備參數(shù)分別代入式（1）（2），可知在重段直線段和空段直線段的運(yùn)行阻力分別為：Wxh=144632.7 N，Wk=116 223.8 N。再將Wxh和Wk帶入式（3），可知總牽引力W0=315 636.4 N。

2.3 電動(dòng)機(jī)功率的計(jì)算

對(duì)于機(jī)械化采煤，設(shè)計(jì)時(shí)考慮刮板機(jī)處于極端狀態(tài)，即設(shè)備滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)的電動(dòng)機(jī)功率為：

式中：W0為刮板輸送機(jī)總牽引力，N；v為刮板鏈條速度，m/s，取值為2 m/s；η為傳動(dòng)裝置的總效率，取值為0.8。

將第2.2節(jié)計(jì)算的刮板機(jī)總牽引力W0帶入公式（4），計(jì)算得到電動(dòng)機(jī)功率Nmax=789.1 kW。

2.4 刮板鏈強(qiáng)度驗(yàn)算

刮板機(jī)刮板鏈的強(qiáng)度驗(yàn)算采用逐點(diǎn)張力計(jì)算方法，對(duì)刮板鏈應(yīng)力集中點(diǎn)的拉力值進(jìn)行計(jì)算。受篇幅限制，僅列出強(qiáng)度驗(yàn)算結(jié)果。

根據(jù)《埋刮板輸送機(jī)安全規(guī)范》（GB/T10596-2011）的要求，刮板鏈安全系數(shù)K不得小于3.5。在本案例中，刮板鏈安全系數(shù)的計(jì)算如下：

式中：Sp為單條刮板鏈子的抗拉力，取值為850×103N；λ為雙鏈負(fù)荷不均勻系數(shù)，取值為0.88；Smax為刮板鏈體系的抗拉力，本文取極限狀態(tài)，即Smax=W0=315 636.4 N。

代入數(shù)據(jù)計(jì)算得K=3.95＞3.5，故刮板鏈安全系數(shù)滿足規(guī)范要求。

3 刮板機(jī)的試運(yùn)行分析

為了驗(yàn)證刮板輸送機(jī)的設(shè)計(jì)合理性和可靠性，參考規(guī)范《刮板運(yùn)輸機(jī)型式檢驗(yàn)規(guī)范》（MT/T 104—93）中的實(shí)驗(yàn)方法，對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行了試運(yùn)行實(shí)驗(yàn)，并對(duì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中刮板輸送機(jī)的狀態(tài)進(jìn)行檢查。實(shí)驗(yàn)采集了刮板機(jī)電動(dòng)機(jī)功率和刮板鏈條強(qiáng)度數(shù)據(jù)，如表2所示。

表2 刮板機(jī)試運(yùn)行實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表

對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果的精度進(jìn)行分析，結(jié)果如圖2所示。

圖2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果精度分析

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：電動(dòng)機(jī)功率精度絕對(duì)值最大為0.68%，均值精度絕對(duì)值為0.16%，滿足規(guī)范規(guī)定的1%要求；刮板鏈條強(qiáng)度精度絕對(duì)值最大為1.84%，均值精度絕對(duì)值為1.39%，滿足規(guī)范規(guī)定的2%要求，說(shuō)明本方案的設(shè)計(jì)合理。

4 結(jié)論

在對(duì)薄煤層開(kāi)采工作面刮板輸送機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，采用中雙鏈形式。通過(guò)對(duì)傳統(tǒng)機(jī)構(gòu)的運(yùn)行阻力、牽引力、電機(jī)功率和刮板強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算，以及進(jìn)行空載和負(fù)載運(yùn)行試驗(yàn)，結(jié)果表明刮板輸送機(jī)中雙鏈形式的刮板鏈結(jié)構(gòu)更合理，連接更加緊湊。