基于MATLAB的帶式輸送機犁式卸料器的結構優化研究

宋雷庭

（山西長平煤業有限責任公司， 山西 高平 048400）

引言

輸送機作為一種重要的物料輸送設備，是煤炭生產企業中煤炭運輸的核心裝備，因此輸送機工作的穩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，犁式卸料器雖然結構簡單、質量小，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向板的設置無明確的規定，在實際應用過程中主要是通過工人的工作經驗進行設置，因此造成其受載荷沖擊影響較大，嚴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行研究，針對性地提出了導向板角度的設置建議，極大地提升了其工作時的穩定性和可靠性。

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進行分析，犁式卸料器工作時的受力簡圖如圖1所示。

設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向板的正壓力FZ及平行于導向板的力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，卸料器工作時導向板所受的正應力σ可表示為[2]：

其所受到的剪切應力可表示為：

式中：l為輸送機卸料器的導向板長度，m；B為帶式輸送機輸送帶寬度，m；α為輸送機卸料器的導向板夾角，（°）；h為輸送機卸料器的導向板的高度，m；b為輸送機卸料器的導向板的厚度，m。物料在運行中與導向板相碰撞，在碰撞的時間微單元dt內的傳遞的質量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向板后在dt末端的速度。由此分析可得，當煤炭在導向板作用下停止后，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下的運行情況進行對比分析，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力的關系進行分析，其導向板的夾角和工作時導向板的切應力的關系曲線如圖2所示。

圖2 導向板夾角與切應力的關系曲線

由圖2可知，在輸送機的運行參數一致的情況下，犁式卸料器工作時所受的切應力隨著導向板夾角的增加而增大，當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力越大。

卸料器工作時導向板的夾角和所受的正應力的關系如圖3所示。

圖3 導向板夾角與正應力的關系曲線

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

輸送機導向板的夾角和導向板的長度之間的關系曲線如圖4所示。

圖4 導向角和導向板長度關系曲線

由圖4可知，輸送機工作時卸料器的導向板之間的角度越大，卸料器的導向板在工作時的有效的導向長度隨之降低，當其導向夾角超過60°時，導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向板的夾角設置為超過60°，能夠很好地平衡導向板夾角和長度的關系，使其運行更具有經濟性。

3 犁式卸料器的摩擦力與導向板夾角的關系

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向板的夾角之間的關系如圖5所示[4]。

圖5 摩擦力和導向板夾角的關系曲線

由分析結果可知，導向板的夾角越大，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，當導向板的夾角大于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向板的夾角進行設置時上限可設置為80°，避免摩擦力過大而導致的導向板的過度磨損，同時也能有效地避免角度過大而導致的無法清除輸送帶上的物料。

4 結論

1）導向板工作時的變形主要受到切應力的影響，在輸送機的運行參數一致的情況下，切應力隨著導向板夾角的增加而增大，當導向板夾角不變時，帶寬越大其工作時卸料器所受到的切應力越大。

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

3）綜合評估后，根據分析結果，將輸送機犁式卸料器的導向板的夾角設置為60°～80°時具有最佳的工作性能和最優的經濟性。