刮板機在卸車工藝中的選型分析

0 引言

刮板輸送機是采煤工作面中不可或缺的一部分，已有近百年的發展歷程，因其結構強度高，能經受住礦料的沖撞，相比帶式輸送機、板式輸送機、鑄石刮板輸送機更適合在瞬時來料量大的工況中承載和轉運礦料；在綜采工藝中，刮板機的各項配置參數都有一套成熟的算法，而將刮板機用在卸車工藝時，設備規格和裝機功率就不能簡單地按小時運量計算，還需要考慮礦料的最大粒級、車載量和卸車間隔，兩種計算最大的區別在于前者是連續給料，后者是間斷給料，由于汽車或單斗將礦料卸載到刮板機上時，礦料會在短時間內堆積到槽箱內，形成類似工作面片幫的效果，負載功率會瞬間增大，因此裝機功率要足夠克服堆積物料產生的正壓力，而選取的功率富余量大時會提高整機的配置規格，造成資源浪費。另一方面，由于汽車卸車間隔較長，所以刮板機運量不大，但考慮到鏈條安全系數和礦料最大粒級，刮板機的槽寬反而需要增大，因此，需要配置較低的刮板鏈速控制運量，避免造成后續設備的卡堵，同時還能有效減緩刮板機本身的磨損。

1 設計計算的原始數據

刮板機在卸車工藝中起轉運作用，通常固定安裝在地坑內或平鋪在地面上，如圖1、圖2所示，受料段長度滿足汽車或單斗卡車的卸載長度即可，所以整機長度一般在20m到30m之間；輸送量根據卸車頻次和車載量可以簡單計算得出，采用汽車運輸時，單臺刮板機輸送量一般不超過200t/h，而在大型露天礦中，輸送量需要達到1000t/h。

圖1 露天礦中單斗卡車卸載示意圖

本文以圖2中的卸載方式為例進行具體選型說明，其中汽車每車載煤量為40t，輸送機長度25m，卸料段長度15m，水平安裝，輸送機運量200t/h，來料最大粒度為300mm，槽體兩側安裝擋板，擋板與水平面間的夾角呈60°。

圖2 煤廠中汽車卸載示意圖

2 設備選型

2.1 初選槽寬

槽寬應該根據礦料的最大粒度、運量和鏈條規格三方面的因素綜合選取，槽寬必須大于礦料的最大粒度，防止礦料在槽體內卡堵，根據示例中提供的粒度和運量結合表1中的數據，按標準規格選擇630mm槽寬的刮板機即可滿足使用要求，但在卸車工況中，由于刮板機的瞬時負載較大，因此需要增大鏈條規格保證鏈條的安全系數，確保整機的可靠性，所以初選34×126的鏈條進行相關計算，對應最小槽寬為764mm，后期根據校核結果，再進行選型調整。

表1 順槽用刮板轉載機的技術參數表

2.2 刮板機運行阻力計算

刮板機運行阻力分為兩部分，一是刮板鏈本身運行的阻力，二是槽體內堆積的礦料造成的阻力，前者可以根據空載時的狀態簡單計算獲取，后者需要按單次卸車的最大量計算，如圖3，將堆滿槽體的物料分為A、B、C三個區域，其中A區域的礦料對刮板施加正壓力，B區域和C區域的礦料對槽體側壁施加側向壓力。

圖3 槽體滿載時的堆積斷面圖

按槽體內40t礦料、卸料段15m長計算，A區域的礦料重約21t，B和C區域礦料的總重約19t，可以根據公式（1）計算出礦料對刮板機造成的阻力為179.34kN。

式中Wk——礦料對刮板機造成的阻力（kN）；

qa——A區域礦料的質量（kg）；

qb——B區域礦料的質量（kg）；

qc——C區域礦料的質量（kg）；

g——重力加速度，g=9.8m/s2；

α——擋板與水平面間的夾角（°）；

ω——煤在溜槽中移動的阻力系數，ω=（0.5-0.6）。

鏈速按公式（2）計算得0.237m/s

式中ν——刮板鏈條速度（m/s）；

Q——刮板機的運量（t/h）；

A——溜槽上物料的裝載斷面（m2）；

ρ——物料的堆積密度，ρ=0.9t/m3。

將鏈速、安裝傾角、設備長度、刮板鏈重量帶入連續輸送機械手冊中有關刮板機的計算公式（3）可以得出空載時刮板鏈本身的運行阻力，結果為19.96kN，所以，刮板機在滿載狀態下的整體運行阻力為199.3kN。

式中WZ——刮板機空載時的運行阻力（kN）；

q0——刮板鏈條每米長度的質量（kg）；

ω′——刮板鏈條在溜槽中移動時的阻力系數，ω′=（0.3-0.4）；

L——刮板輸送機設計長度（m）；

β——刮板輸送機傾角（°）；

“±”——根據刮板鏈條向上運行時取“+”號；反之取“-”號。

2.3 整機功率計算

初選7齒鏈輪，節圓半徑為283.5mm，按公式（4）計算可得驅動軸需要的扭矩為56501.6Nm。

式中T——驅動軸的扭矩（N·m）；

W——刮板機的運行阻力（kN）；

L——鏈輪節圓半徑（mm）。

按公式（5）計算可得驅動軸的轉速為8.06r/min。

式中n——驅動軸轉速（r/min）；

p——鏈條節距（m）；

z——鏈輪齒數（mm）。

按公式（6）計算可得軸的驅動功率為47.69kW。

式中P1——軸的驅動功率（kW）。

按公式（7）計算可得驅動電機的功率為67.33kW，取標準電機功率75kW。

式中k——刮板機電機功率備用系數，k=1.2；

φ——刮板機傳動效率，φ=0.85。

2.4 鏈條強度校核

式中kmin——刮板機鏈條最小安全系數；

Ta——刮板機鏈條最小破斷負荷（kN）；

Tm——刮板機滿載啟動時鏈條最大拉力（kN）。

式中nc——刮板機鏈條根數，nc=2；

Tb——刮板機單股鏈條最小破斷負荷（kN）；

ka——刮板機鏈條受力不均勻系數，ka=0.9。

式中nb——刮板機電機啟動力矩系數，nb=2.5。

在公式（8）（9）（10）中分別帶入30×108規格和34×126規格鏈條的最小破斷負荷，計算得出安全系數分別是3.02和3.88，說明初選的鏈條規格和槽寬合理，如果校核結果出入較大，則以此次計算結果為依據重新設定初選參數，按步驟依次計算。

2.5 選型確定

為控制刮板機的運量，選擇了較低的刮板鏈速，從以上計算可以看出，驅動軸的轉速只有8.06r/min，按6級電機配置，減速器速比也要達到120，參照現有通用減速器的技術參數，需要四級傳動才能實現，所以減速器的外形體積大、制造成本過高。實際選取時，可以通過增大電機功率、降低減速器速比的方法保證輸出扭矩不變，因速比變化導致鏈速加快的問題通過配置變頻器解決，變頻器在低頻輸出時有恒轉矩的特性，不影響出力，并且刮板機具備調速功能后，可以按照實際生產狀況調整刮板機的輸送能力，適應性更強。

三級傳動的錐齒斜齒輪減速器最高速比一般設置在70左右，按6級電機的轉速核算，刮板鏈速為0.414m/s，帶入上述公式核算后，取標準電機功率132kW；而在連續給料的順槽轉運工藝中，刮板機輸送相等物料所需的配置相對較低，具體選型參數對比見表2。

表2 兩種工況下的設備選型參數對比表

另外，設備一般在地面露天使用，在冬季如果沒有采暖措施，減速器與電機的選型還要考慮較低的環境溫度，比如冷卻方式應該選擇風冷或強迫風冷，減速器中配置油加熱器等。

3 現場試驗結果與分析

實際工況中，按選型計算結果采用SZZ764/132中雙鏈刮板轉載機，選用機頭單動力部驅動，固定安裝在地坑內，主要配置參數見表3。

表3 SZZ764/132中雙鏈刮板轉載機配置參數表

刮板機實際運轉時，變頻器頻率設定為32Hz，實際使用鏈速為0.257m/s；汽車在翻車機上就位后，單車卸載時間平均為99s；刮板機拉空單車卸載的原煤平均用時698s。觀察刮板機從入料到出料時變頻器的輸入電流可以發現，最大輸入電流為120.3A，最小輸入電流為11.2A，具體電流變化曲線如圖4所示。

圖4 刮板機轉運單車原煤電流與運行時間關系圖

從圖4中可以看出，在卸車時間段，刮板機的負載迅速增大，直至完全卸車后，槽箱內堆積物料最多時，輸入電流開始呈直線緩慢下降，當刮板機拉空后，輸入電流恢復到空載狀態。圖中最大輸入電流達到了電機額定電流的85.4%，有較小的富余量，這是兩方面因素造成的，一是卸車時長，選型計算時，是按槽箱內堆滿40t原煤計算，而實際生產過程中，卸車時間較長，在卸載的同時有部分原煤已經被刮板機運出，未能達到滿載狀態，產生了功率富裕的現象，但是考慮到煤廠突發性斷電等極端情況導致刮板機在負載時停機，會出現刮板機滿載的狀態，還是應該按最大車載量計算選型；另一方面的因素是選配標準功率電機產生的，電機選型是根據功率計算結果靠上選取標準功率值，所以也會造成一定的功率富裕。因此，證明上述以礦料在溜槽內的最大堆積量和堆積狀態為側重點計算刮板運行阻力的方法基本合理，可以保證刮板機在間斷給料工藝中既能可靠運行又不造成配置浪費。

4 結語

本文以煤廠中汽車供料的工藝為示例對象，對刮板機的選型步驟進行了詳細描述，通過算法可以看出，影響刮板機配置的最主要因素是車載量，即刮板機每次承載礦料的最大量；當溜槽內堆滿礦料時刮板機負載最大，最易發生悶車和斷鏈事故，處理時需要先將槽內的礦料清理，工作量大，安全性差，因此保證刮板機的可靠性尤為重要。通過對比分析可以發現，卸車用刮板機具有長度短、槽寬大、鏈條粗、鏈速慢、功率大的特點，在初選設備規格時，可以有意進行放大，減少校驗次數。