刮板输送机输送系统特性研究

邢 琪

（西山煤电（集团）有限责任公司机电厂， 山西 太原 030000）

引言

刮板输送机主要作用是将采煤机采落煤炭运输到其他煤炭输送设备，刮板输送机以其较强的复杂工况适应能力成为煤矿综采区最为核心的输送设备之一。其组成分为动力输入部、链条牵引传动部和附属部件。动力输入部分为机头动力输入和机尾动力输入部，牵引传动部分为链条和刮板，附属部件主要包括铲煤板、紧链器、溜槽和挡煤板等。

刮板输送机作为综采区最核心的设备之一，其稳定高效的运行不仅关系到综采区工作效率的提高，更是煤矿安全生产的关键。对于刮板输送机输送系统特性的研究，得出合理的输送参数，对于提高刮板输送机运行的稳定性与输送机安全运行时长有重要的意义。

传统的输送特性研究方法是将输送机整体分解成一系列单元，每组单元的组成相同，即溜槽段、刮板、刮板链和散状物料，将这一系列单元中的散状物料看成连续的整体，然后将这个整体与刮板及刮板链表示为一个质量块。这样每个单元可以由五个参数来决定运动特性，分别是负载的质量、链条的刚度系数和阻尼系数、负载摩擦力、驱动力。为了得到更为准确的刮板输送机输送特性，搭建更加准确的刮板输送机整机动力学模型是十分必要的[1]。

1 刮板输送机静力学分析

散状物料是由颗粒度大致相同的随机形状固体颗粒组成，由于散状物料的间隙远小于溜槽及刮板的几何尺寸，因此可以将散状煤料看成一种连续介质。

刮板输送机的静力学分析主要分为溜槽压力计算及刮板间距分析。

1.1 溜槽压力计算

散状煤料在溜槽上的运行工况如图1所示。

图1 溜槽与散状煤料示意图

将刮板输送机溜槽的各个受力面进行标记，如图2所示。由于刮溜槽截面为对称结构，因此计算过程简化为对溜槽外部平面A、底面1、斜侧面2和侧面4的压力计算。

图2 溜槽受力面示意图

式中：MA为平面A正上方的散状煤料的质量；SA为散装煤料与溜槽间隙（见图1）；θn为散料的静堆积角；ρ为物料堆积密度；t为刮板节距；g为重力加速度。

如下页图3所示，平面1受力可表示为：

侧面4所受压力可以表示为：

式中，σ4为侧面4的侧压应力；n为侧压应力系数；L4为溜槽平面A上方煤料的高度。

侧面2所受压力较小，可不计入计算。

经过受力分析，平面A所受压力可以表示为：

图3 平面1受力示意图

因此，刮板输送机溜槽内散装煤料产生的静压力为：

式中：N1、N2、N3、N4、N5、NA、NB分别为图 2 中 1、2、3、4、5、A、B所受压力。

1.2 刮板间距分析

刮板受到散装煤料的局部压应力较大，当刮板间距大于刮板对散装物料压力所能传递散装物料的长度时，会出现刮板空转而无法传递散装煤料的情况，而当刮板间距太小时会使刮板输送机运力冗余过剩，造成动力资源的浪费。因此在刮板输送机输送特性研究时刮板间距分析也是其关键环节。

2 散装煤料运输状态分析

EDEM软件对于散装物料的运输仿真具有很强的专业性，本节利用Pro/E建立刮板输送机三维模型，并通过EDEM软件生成散装煤料进行其运输状态的仿真分析。

2.1 输送状态模型EDEM模型建立

散装煤料为不规则颗粒组成，为简化计算，将散状煤料理解为球状集合体，且体积相同，如图4所示，其具体参数如表1所示。

图4 散状煤料颗粒模型

表1 散状煤料颗粒参数

刮板输送机三维模型导入到EDEM软件，并对模型进行必要的简化，得到如图5所示刮板输送机简化模型。

图5 刮板输送机模型

2.2 输送状态的边界条件

刮板输送机运行状态可以分为启动阶段、平稳运行阶段、制动阶段及突发卡链等工况。在此仅对刮板输送机启动阶段及平稳运行阶段进行仿真分析，因此，刮板传动系统可分为加速运动和匀速运动两个阶段，设置其运动方程[1]如下所示:

经过启动阶段，刮板输送机平稳运行时运行速度为2 m/s。散状物料及刮板形状位置关系如图6所示。

图6 刮板与散状煤料模型

刮板输送机是由刮板表面与散状煤料间的正压力及散状煤料自身的摩擦力提供运输动力的，为了研究刮板与散状煤料间的正压力，在刮板的表面设置GeometryBin，从而可以得到刮板表面在启动阶段正压力及摩擦力数据。

2.3 系统仿真结果分析

运行仿真并通过接触传感器得到刮板表面摩擦力及表面压力的数据，绘制曲线如图7所示。

图7 刮板压力与摩擦力对比图

由上述数据可以看出，随着刮板表面压力的变化，刮板摩擦力变化不大，且刮板摩擦力相对正压力较小，因此在计算刮板输送机输送能力时不予考虑[2]。

进一步对图2中各个面设置接触传感器，并对仿真结果数据进行绘制，得到结果如下页图8所示。

接触面1为溜槽底部，受到的压力最大，接触面1受到的压力从26 kN增加到36 kN，在第7 s时达到最大，受到的压力在33～38 kN之间。

接触面2、4和接触面A的压力从0开始不断升高，这三个接触面在初始状态时不受散状煤料的压力。刮板输送机启动后，这些接触面开始逐渐受到散状煤料的压力，直到压力值稳定。这种压力变化说明，在初始时期，这些表面不会受到散状煤料的作用，当刮板开始运动后，由于散状煤料的流动性，这些平面逐渐接触到散状煤料，受到的压力逐渐增加，直到压力达到稳定。

图8 溜槽各平面压力曲线

3 结论

1）对刮板输送机进行静力学分析，得到输送系统中溜槽的关键压力参数计算方法。

2）通过建立刮板输送机EDEM模型，对输送过程中启动及平稳运行阶段进行力学仿真，得到刮板及溜槽各部分在此工况下的力学参数。

3）通过上述理论分析及仿真计算，对刮板输送机输送系统关键特性进行了研究，对刮板输送机结构设计及起制动参数设计起到参考作用。