65m大跨距橋式刮板取料機設計研究

摘 要：隨著我國工業化發展，市場對大跨度橋式刮板取料機需求強烈，但我國多年來設備跨度一直未超過50m。本文針對65m大跨度橋式刮板取料機的橋梁、料耙以及整機同步性等問題進行分析，采用分體式雙料耙裝置，實現全斷面取料；采用應力應變疊加的分析方法來計算橋梁的強度、剛度和預拱值，實現橋梁強度、剛度和變形量的最佳匹配；運用編碼器的感應靈敏，鋼絲繩測量輪與傳感器同軸聯動，解決兩側端梁行走機構的動態感知和智能糾偏問題。通過上述方案，解決了傳統設備結構質量大，軌道輪壓大，土建成本和運行能耗隨之增加等問題，實現了動態感知、智能糾偏和無人值守功能。

關鍵詞：大跨距；智能糾偏；分體式料耙；橋式刮板取料機

中圖分類號：TH 237 " " 文獻標志碼：A

橋式刮板取料機具有混勻性能優良、取料能力大、整機運行穩定以及維護簡便等特性，作為散狀物料連續裝卸設備廣泛應用于港口、電力、建材、冶金、礦山以及煤炭等國民經濟各行業[1]。

橋式刮板取料機于20世紀90年代進入中國市場的水泥行業，到那時設備跨度一直未超過50m。在國家基礎工業快速發展、調整產業結構、優化環境改造以及節能減排的方針指引下，我國刮板取料機制造企業經過技術研發、工藝改進、設備更新，以提升其設計、制造水平，但是大跨度、大運量的刮板取料機整機以及部件的研究還只處于起步階段。

由于橋式刮板取料機的自身結構問題，大跨距設備的料耙及橋梁易產生變形，無法實現全斷面取料，易發生啃軌等現象，極大地限制了橋式刮板取料機向大型化、智能化、低能耗以及高環保等要求的發展。因此，研制具有自主知識產權大型化、智能化、低能耗以及高環保的橋式刮板取料機技術已成為國內外高端裝備行業的主要目標。

1 設計研究內容

某電廠項目65m大跨距橋式刮板取料機，單機軌距65m，刮板鏈速0.6m/s，取料量700t/h。設備跨度大，國內外并無成型案例可以借鑒，常規料耙結構強度不足、整機質量過大、行走車輪輪壓大、設備局部集中載荷過大以及整機運行不穩定等情況。

2 技術方案

2.1 單側分體式雙料耙裝置

在橋式刮板混勻取料機的結構中，料耙是實現全斷面取料的核心部件，料耙的耙料效果會直接影響設備所取物料的混勻效果。傳統料耙結構通常為等邊三角形，用三角形在料堆斷面上往復移動來完成松料工藝，料耙運動軌跡需要覆蓋整個料堆的斷面，因此料耙截面與橋梁長度成等比關系。當設備跨度超過40m時，這種平面鋼結構料耙會在自重荷載的作用下產生撓度變形，撓度變形大的部分埋入物料中，變形小的部分則懸浮在料堆表面上面沒有觸耙物料，耙料面與物料的滑移角不吻合，這直接影響和降低了均化效果。

傳統結構料耙在大跨距條件下依然保證形變量精度，需要提高結構性，當取料機跨距大于45m時，需要將料耙設計成雙層甚至多層結構，因此按照傳統的設計結構，65m大跨距橋式刮板取料機的料耙質量約為280t，繼而將會導致橋梁及行走端梁截面變大、整機質量大幅度增加，導致軌道輪壓過大，土建成本隨之增加5%，運行能耗提高3%。因此降低料耙自重是提高設備整體穩定性、增強產品市場競爭力的關鍵點[2]。

針對此問題，采用對稱直角凹四邊形雙料耙結構，其特征是將傳統的橋梁兩側用大型平面等腰三角形料耙分解為兩個對稱直角凹四邊形料耙，且適當縮小直角底邊的尺寸，并降低2個三角形的高度，同時在2個三角形的頂角增加1個直段，用于耙松料堆堆頂的物料；對稱直角凹四邊形雙料耙沿取料截面往復運動，當設計耙車往復行程時要滿足大于兩料耙間距的要求，去掉了原大型等腰三角形中間部分，只保留了原等腰三角形的2個腰的一部分，由于耙車行程大于連接體的長度，因此可實現全斷面耙松物料，且這種分體式雙料耙松料裝置為多層立體式結構，具有外形尺寸小、質量輕以及強度剛度大等特點，在保證耙料面積的前提下，相對于傳統結構能夠降低耙架20%以上的質量，極大地減少了耙架的變形量，從而實現設備的全斷面松料耙料作業。

采用ANSYS軟件對雙料耙結構進行分析，采用BEAM189梁單元，單元的特性如下：彈性梁單元每個節點具有6個自由度，即沿X軸、Y軸以及Z軸移動和繞X軸、Y軸以及Z軸轉動。該單元由3個結節點確定，在結構分析中該單元的輸入參數見表1。

根據上述數據建立模型（如圖1所示），施加載荷和約束（如圖2所示），通過料耙的有限元分析，得出了其應力云圖（如圖3所示）以及變形云圖（如圖4所示）。

通過有限元分析（如圖3、圖4所示），耙架最大的應力為74MPa，滿足規范的規定，最大變形為138mm，對于此類結構的變形，尚無標準規定，因此變形量不影響結構的性能即可。

由于設備跨度大，因此為了保證在物料因含水量高而出現物料黏著的工況下料耙依然可以起到高效的耙料作用，在料耙機構中采用了“活動耙齒”裝置，當主耙架橫向耙松物料時，采用此裝置可進行縱向耙料，提高物料的流動性，滿足物料的混勻要求。

對于大型料場中所用的大跨度橋式刮板混勻取料機，單側分體式雙料耙松料裝置可實現全斷面取料，從而提高原料的混勻效果，降低原料的物理性能和化學成分的波動值，極大地增加了原材料的利用率和經濟效益。

2.2 新型智能控制大跨距糾偏裝置

大跨距橋式刮板混勻取料機的整機質量大，車輪數量多，車輪側向力大，耙架、刮板運行過程中與物料接觸的位置不同，所取物料也會根據料堆種類不同而實時發生變化，且由于不同種類的物料特性也不相同，因此造成兩側端梁受力不均勻，設備的運行狀態也會發生變化，使設備兩側端梁行走機構的運行狀態發生不規則變化，從而發生啃軌現象，為保證橋式刮板取料機正常運行，傳統的糾偏裝置已經無法滿足大跨距設備的檢測精度要求。

針對此問題，在橋式刮板取料機的糾偏裝置中將拉繩編碼器作為檢查傳感器，運用拉繩編碼器的感應靈敏，鋼絲繩測量輪與傳感器同軸聯動的特點，使測量誤差縮小，由于與被測物體軟性連接，因此抗震動性能優越、安裝簡便，可以滿足測量距離偏大的需求，能達到快速糾偏目的，即在本裝置中采用拉繩編碼器來檢測設備的動態偏移量，當橋式刮板取料機兩側端梁前后走行距離不同導致橋梁與擺動端梁不垂直而出現偏移角時，可進行動態感知，并智能控制橋式刮板取料機12臺行走驅動，結合實時物料刮取速度，智能匹配各機運行頻率，直到橋式刮板取料機橋梁與擺動端梁垂直，達到快速智能糾偏的效果，實現設備運行監測的高度智能化，從而保證大跨距橋式刮板取料機的高效率運行。

2.3 大跨距橋式刮板取料機橋梁的優化設計方案

橋梁是本機設備主要部件之一，總長度為67m，其自身質量為187t，約占整機（總質量約775t）質量的24.2%，但需要承受整機設備83%的質量載荷，因此橋梁的優化設計是保證設備運行穩定可靠的關鍵要素。

由于設備跨距大，需要兼顧考慮橋梁的預拱度、橋梁下方刮板的整體平面度、整機變形量，因此要保證在橋梁自重載荷、料耙載荷、刮板輸送系統載荷、鏈條張緊及運動載荷作用下刮板與地面間隙在合理范圍內。料耙系統所有載荷全部由橋梁承受，由于料耙工作需要沿橋梁軸向往復運動，橋梁各部位載荷始終處于交變狀態，因此極易產生結構性疲勞，造成整體變形、鉸點開裂以及結構失效等不利情況[3]。

針對上述問題，采用應力應變疊加的分析方法來計算橋梁的強度、剛度和預拱值，將刮板系統、料耙系統、導槽系統、鏈條機構進行組合分析，對20余種工況組合進行初步預分析，同時采用有限元ANSYS進行分析計算，保證橋梁結構的合理性。同時對橋梁內部結構進行優化分析，最大限度地減少主梁自重，從而得到最優化的橋梁結構。結構采用的材料、載荷組合及數值見表2。

建模時不計焊縫質量，劃分網格后以載荷方式補足質量；計算結果不考慮焊縫的殘余應力忽略不重要區域的小孔、圓弧及小尺寸結構。材料許用應力見表3。

根據上述數據建立模型（如圖5所示），施加載荷和約束（如圖6所示），對橋梁進行有限元分析，得出了其應力云圖以及變形云圖。

通通過有限元分析（如圖7、圖8所示），橋梁最大的應力為148MPa，滿足規范的規定，最大變形為114mm，滿足規范的規定。

由表2和圖7可知，橋梁在自身重力和固有載荷作用下引起向下的撓曲變形，在此狀態下料耙小車在橋梁上運動的軌跡就是一個下凹的弧線，使料耙小車的運動阻力增加，嚴重影響料耙小車的運行平穩性和整機穩定性，因此在設計橋梁的過程中需要采用預拱的方式來解決問題。

理論上，理想的橋梁的預拱度值應該使料耙小車在運行中任何時候受到的阻力應該是相等的，即料耙小車在橋梁的兩端和運行至撓度最大點時，料耙小車的運行為1條水平直線，也就是說料耙小車在運行過程中，任何時間內在垂直方向上的位移應該是0。

結合現場實際安裝需求，橋梁的實際預拱值應由自身重力預拱值和固有載荷預拱值2個部分組成，橋梁現場組立過程中是不受固有載荷的作用，因此橋梁組立完成后，先要經行自身重力的預拱值的測量，滿足設計指標后方可進行下一步的組立安裝工作，待設備安裝完成后復測橋梁預拱值。

有專家對橋梁的預拱進行計算，得出的結果曲線為1條關于橋梁軸線位置4次曲線，形狀復雜，不利于設計和制作，在目前的絕大部分橋梁制造中，都采用圓弧曲線來制作預拱，結合實際工程項目驗證拱度值為跨度值的1.1‰～1.9‰。

2.4 取料機智能化控制系統

為了滿足無人的要求，采用綜合運用精確定位、閉環控制、三維建模、智能調度、安全防護以及集中監控等先進技術，達到司機室內無人操作、中央控制室內集中監控的效果。

運用格雷母線定位技術、RFID定位技術等非接觸式精確定位系統對取料機大車行走進行精確定位，定位精度可達±10mm，增設閉環自動控制系統，按照相應的工藝流程完成取料自動作業。通過流量檢測系統結合取料機電流采用雙環PID控制實現取料機取料流量精準控制，大幅降低堵料概率，提升流量恒定率，為精細化供料提供技術支撐。通過激光掃描系統獲取料場的三維模型，利用模型進行料堆的空間定位，實時提取料堆的輪廓、體積等數據，為作業計劃的制定和執行提供數據支撐。運用激光掃描、數字化建模以及精確定位等技術，實現系統智能調度運算，在作業過程中自動分解取料動作步驟，根據料堆變化實時生成取料路徑，快速響應，大幅度提升效率。基于各種類型的傳感技術，在取料機無人操作模式下，負責設備的防碰撞驗算，保障設備無人安全運行。

3 結語

65m大跨距橋式刮板取料機解決了傳統結構料耙在大跨距條件下，保證形變量精度時質量過大而引起的橋梁及行走端梁截面變大、整機質量大幅度增加、導致過大軌道輪壓、土建成本和運行能耗隨之增加等問題，相對于傳統結構，采用全新料耙結構能夠減少耙架20%以上的質量；通過運用拉繩編碼器的感應靈敏，鋼絲繩測量輪與傳感器同軸聯動，解決大跨距橋式刮板取料機兩側端梁行走機構的動態感知和智能糾偏問題；采用應力應變疊加的分析方法來優化橋梁結構；運用格雷母線定位技術、RFID定位技術等非接觸式精確定位系統等手段實現了無人值守功能。

參考文獻

[1]李雪.論橋式刮板取料機[J].中國新技術新產品，2012（1）：104-105.

[2]唐興華.大型橋式雙料耙刮板取料機關鍵問題設計研究[J].煤礦機械，2017（8）：52-54.

[3]王輝.橋式刮板取料機橋梁的拱度設計及計算[J].科技創新導報，2015（12）：50-51，54.