超重型刮板輸送機機尾架磨損實測分析

曹正坤 孫 松

（1.中煤張家口煤礦機械有限責任公司，河北 張家口 076250 ；2.河北省高端智能礦山裝備技術創新中心，河北 張家口 076250）

0 引言

為適應年產千萬噸煤礦開采的需要，對煤礦井下重要運輸設備刮板輸送機的整體性能和使用壽命提出了更高的要求，設備必須滿足過煤千萬噸進行一次大修的要求，機尾架作為刮板輸送機最重要部件之一，不僅起到支撐傳動部件的作用，而且還調節著刮板輸送機鏈條的松緊，使刮板鏈處于良好的運行狀態。因此，超重型刮板輸送機機尾架的使用壽命關系到整機設備的使用性能，機尾架一旦失效將導致輸送機不能進行正常的運輸工作。

目前針對超重型刮板輸送機機尾架的失效研究主要集中在機尾架能否具備伸縮功能上，對機尾架的磨損失效研究較少，而磨損失效對超重型刮板輸送機機尾架的影響是一個不容忽視的問題。該文對某礦工作面過煤量千萬噸的超重型刮板輸送機機尾架磨損進行現場實測和分析，進而綜合評估機尾架的磨損行為，所得結論對后續機尾架的結構設計及維修具有現實的參考價值。

1 超重型刮板輸送機機尾架磨損形態實測分析

某礦設計年產能力1500萬t，該煤層厚度5.80m~8.58m，平均厚度7.43m，工作面走向長5706m，工作面長度300m，超重型刮板輸送機機尾架主要由固定架體、活動架體、活上翼板和左右壓板構成。機尾架主要技術參數：伸縮行程1000mm，手動/自動控制，上中板厚60mm，材料Hardox450，下中板厚50mm，材料Hardox400，槽幫采用高強度耐磨鑄造材料ZG30MnSiMo，槽幫硬度HB260-300，上、下內口寬1400mm。為準確掌握整個機尾架的磨損規律及形態，現場應用金屬測厚儀對其機尾架的上中板、下中板進行標記測量。

1.1 機尾架上中板磨損測量

為準確掌握機尾架體的磨損情況，并盡可能的全面反應機尾架上、下中板的磨損量，現分別對機尾架固定架體和活動架上、下中板的鏈道位置、中間位置，兩側刮板斧頭位置采取間隔標記測量。固定架體上中板標記測量點1，2，3，4，5，每個點位每間隔200mm測量3個位置，測量位置如圖1，測量厚度取平均值，數據整理見表1。

圖1 機尾架固定架上中板測量點位（單位：mm）

表1 機尾固定架上中板磨損后平均厚度值

數據分析可知，機尾固定架上中板4，5鏈道點位磨損大于其他點位，刮板斧頭2，3點位磨損大于1中間點位，2點位磨損大于3點位磨損，將4，5鏈道點位取平均值Σ=48.25mm，非鏈道點位1，2，3取平均值Σ=51.26mm，鏈道大于非鏈道處磨損。

活動架體上中板經現場實際測量，其主要磨損發生在與固定架體伸縮搭接或與舌板銜接處的上中板，活動架體上中板伸縮搭接范圍內磨損與機尾架固定架上中板磨損相當，活動架體上中板舌板銜接處鏈道磨損剩余厚度54 mm，非鏈道處磨損剩余厚度57 mm，活動架體上中板凹弧段基本無磨損。

對上述數據及形態分析可知，機尾架固定架體上中板的鏈道處大于非鏈道處磨損，刮板斧頭兩側點位大于中間點位磨損，機尾架伸縮段到機尾架出口端范圍的上中板磨損大于與舌板銜接處的上中板磨損。機尾架活動架體上中板凹弧段基本無磨損發生，主要原因是刮板鏈在運行狀態時處于被拉伸懸浮狀態，在該區段與上中板不接觸。鏟板側刮板斧頭點位大于擋板側刮板斧頭點位磨損，鏟板側刮板斧頭點位大于擋板側刮板斧頭點位磨損的主要原因是采煤機割下的煤料會以一定的速度沖擊機尾架的上中板，造成沖擊磨損，而鏟煤板一側離煤壁最近最易受到沖擊，同時在推溜過程中，煤料會堆積在鏟板側，造成鏟板側煤料量大于擋板側。因此，煤料的下落沖擊和煤料堆積狀態是造成機尾架鏟板側刮板斧頭點位上中板磨損大于擋板側的原因之一。

1.2 機尾架下中板磨損測量

從機尾架固定架體與活動架體搭接伸縮起點處起，沿機尾架下中板取13個測量點，如圖2所示，其中、、、測量點在固定架體下中板上，每點間隔300 mm，，，，、、、、、測量點在活動架體下中板，其中~點位每點間隔165 mm，~點位每點間隔350 mm，13個測量點按照圖1測量點位1、2、3、4、5，對中間點位、鏟板側刮板斧頭點位、擋板側刮板斧頭點位、鏟板側鏈道點位、擋板側鏈道點位進行測量，為方便統計，取13個測量點處的4、5點位鏈道4處厚度的平均值和非鏈道1，2，3點位厚度的平均值，其統計數據見表2。

表2 機尾架下中板磨損后平均厚度值

采用數據擬合法將13個~測量點的鏈道4，5點位平均厚度值和非鏈道1、2、3點位平均厚度值用平滑曲線連接，連接形成的曲線可近似代表其下中板的基本磨損形態曲線，圖2中，下中板鏈道磨損曲線封閉的灰色區域是鏈道磨損剩余厚度，從圖2中擬合曲線可以直觀地看出，下中板磨損最嚴重的區域為~點，固定架體下中板從~點磨損趨勢增大，活動架體從~點磨損趨勢變緩，其中固架體下中板與活動架體下中板搭接的~點區間的鏈道磨透。

圖2 機尾架測量點位及磨損剩余厚度曲線

綜合上述分析可知，超重型刮板輸送機機尾架上、下中板鏈道磨損大于其他非鏈道處磨損；機尾架下中板整體磨損大于上中板；除機尾架左右活動翼板外，機尾架體的主要磨損發生在下中板的伸縮段和活動架體下中板過渡圓弧段，其磨損形態表現如下，固定架體伸縮段沿機尾鏈輪方向磨損趨勢增大，活動架體伸縮及圓弧過渡段磨損沿機尾鏈輪方向磨損趨勢驅緩，其中固定架體與活動架體搭接范圍~點磨損最嚴重。

2 機尾架磨損實測理論分析

在許多摩擦學專著中都引用E.Rabinowicz簡化模型和數學表達式，這種簡單模型的基本假設如下：1）將經受磨損的材料簡化成一種不產生任何塑性變形的絕對剛體；2）將硬質磨料顆粒簡化成一個圓錐體；3）將磨損過程視為簡單的滑動過程。

利用這個簡單模型建立材料體積磨損公式。

式中：-磨損體積；-滑動距離；-接觸應力；-材料硬度；-磨粒夾角系數。

從式中可以看出在固定區段長度內的磨損體積與接觸應力成正比，同時接觸應力表達式如下。

式中：-單位時間運輸量；-中部槽寬；-物料運輸速率；-重力加速度。

從式（2）中可以看出，接觸應力與單位時間運輸量呈正比，與中部槽寬及其物料運輸速率成反比。筆者根據上述公式作為出發點找出影響接觸應力的主要因素。

刮板輸送機工作時由機頭尾的驅動鏈輪將刮板鏈進行驅動，刮板鏈在中部槽上下鏈道形成閉式循環運動，最終實現煤料的運輸。為增加機頭啟動效果，機尾先于機頭提前0.5s啟動，運行過程中，機頭下鏈道刮板處于近松弛狀態，而機尾下鏈道刮板鏈繞上鏈輪時處于繃緊狀態，當刮板鏈從起弧段點進入活動架體下中板過渡圓弧段時刮板鏈發生角度偏轉，此時對刮板鏈受力分析，如圖3所示，建立直角坐標系，受力分析如下。

圖3 刮板鏈受力示意圖

通過公式（2）~公式（4）計算可得公式（6）。

式中：-摩擦系數；-偏轉角；F-鏈輪對刮板鏈拉力；F'-刮板鏈提供的拉力；-刮板鏈單位長度的自身力；N-下中板對刮板鏈的支撐力；N'-刮板鏈對下中板的壓力；f-下中板對刮板鏈的摩擦阻力。

由公式（6）可知，機尾架下鏈道刮板鏈對下中板的壓力與刮板鏈受鏈輪拉力F，偏轉角成正比，與刮板鏈單位長度自身重力成反比，因刮板鏈受鏈輪拉力F與刮板輸送機功率有關，驅動扭矩計算如下。

式中：-驅動部功率；-減速器傳動比；-電機轉速。

鏈條受到鏈輪的拉力計算如下。

式中：-鏈輪節圓半徑。

綜合公式（6）~公式（8）可得公式（9）。

從式（8）可以看出，刮板鏈對機尾架下中板的壓力與裝機功率成正比，與鏈輪節圓和刮板鏈單位長度自身重力成反比。因此，裝機功率是影響機尾架下中板磨損的因素之一。

為直觀表現刮板鏈間距與下中板過渡圓弧半徑R對磨損的影響，采用圖形法對刮板鏈的運行干涉情況進行分析，如圖4所示，圖中R為原機尾架下中板過渡圓弧半徑，R為小于原機尾架下中板過渡圓弧半徑，R為大于原機尾架下中板過渡圓弧半徑，為原6環刮板間距，L為8環刮板間距，假設如果中板與刮板鏈條立環可以嵌入干涉，則干涉量越大，表示立環對中板的磨損嵌入越大，刮板鏈運行至下中板過渡圓弧起弧段點，立環與下中板干涉量運行到圓弧最高點干涉量最大，然后干涉量減少。從R對應的圖形線可以看出，刮板間距不變的情況下，過渡圓弧半徑R越短干涉量越大，磨損趨勢越大。反之，過渡圓弧半徑R越大干涉量越小，磨損趨勢越小。當刮板間距增大為R時（刮板間距由6環增加到8環），從圖形中和R對比可以看出，刮板間距越大刮板鏈對下中板的干涉趨勢越大，磨損趨勢增加。

圖4 機尾架與刮板鏈接觸磨損形態

綜合上述分析可知，機尾架下中板磨損主要與裝機功率P、偏轉角、過渡段圓弧半徑R、刮板間距有關。裝機功率越大，刮板鏈從機尾底鏈道繞行到機尾鏈輪上時對機尾架下中板壓力越大，刮板鏈對機尾架下中板磨損越嚴重；刮板鏈偏轉角越小，刮板鏈對機尾架下中板壓力越小，機尾架磨損越輕；機尾架過渡段圓弧半徑越大刮板鏈條的嵌入干涉量越小，進而減輕對機尾架下中板的磨損；刮板間距越大，刮板鏈條的嵌入趨勢增加，刮板鏈干涉增大，刮板鏈運行時加速機尾下中板的磨損。

3 結論

某礦工作面過煤量千萬噸超重型刮板輸送機機尾架的現場實測數據分析如下：1）超重型刮板輸送機機尾架下中板整體磨損量大于上中板磨損量；2）超重型刮板輸送機機尾架的上中板磨損主要發生在固定架體水平段中板上，固定架的上中板整體磨損量大于活動架體上中板磨損量，活動架體上中板凹弧段基本無磨損；3）超重型刮板輸送機機尾架下中板鏈道處的磨損量大于下中板其他位置的磨損量，機尾架下中板磨損主要發生在固定架和活動架伸縮搭接處及其過渡圓弧段；4）超重型刮板輸送機機尾架固定架體下中板及鏈道磨損趨勢表現為沿著機尾鏈輪方向磨損增加，超重型刮板輸送機機尾架活動架體下中板及鏈道磨損趨勢表現為沿著機尾方向磨損量逐漸減少；5）超重型刮板輸送機機尾架下中板的磨損與裝機功率、偏轉角、過渡段圓弧半徑R、刮板間距有關，裝機功率越大，偏轉角越大，過渡段圓弧半徑越小，刮板間距越大其機尾架下中板磨損越大，刮板鏈立環與機尾架下中板的干涉量，隨著刮板間距的增大而增大，隨著過渡圓弧半徑的增大而變小。