超重型刮板输送机机尾架磨损实测分析

曹正坤 孙 松

（1.中煤张家口煤矿机械有限责任公司，河北 张家口 076250 ；2.河北省高端智能矿山装备技术创新中心，河北 张家口 076250）

0 引言

为适应年产千万吨煤矿开采的需要，对煤矿井下重要运输设备刮板输送机的整体性能和使用寿命提出了更高的要求，设备必须满足过煤千万吨进行一次大修的要求，机尾架作为刮板输送机最重要部件之一，不仅起到支撑传动部件的作用，而且还调节着刮板输送机链条的松紧，使刮板链处于良好的运行状态。因此，超重型刮板输送机机尾架的使用寿命关系到整机设备的使用性能，机尾架一旦失效将导致输送机不能进行正常的运输工作。

目前针对超重型刮板输送机机尾架的失效研究主要集中在机尾架能否具备伸缩功能上，对机尾架的磨损失效研究较少，而磨损失效对超重型刮板输送机机尾架的影响是一个不容忽视的问题。该文对某矿工作面过煤量千万吨的超重型刮板输送机机尾架磨损进行现场实测和分析，进而综合评估机尾架的磨损行为，所得结论对后续机尾架的结构设计及维修具有现实的参考价值。

1 超重型刮板输送机机尾架磨损形态实测分析

某矿设计年产能力1500万t，该煤层厚度5.80m~8.58m，平均厚度7.43m，工作面走向长5706m，工作面长度300m，超重型刮板输送机机尾架主要由固定架体、活动架体、活上翼板和左右压板构成。机尾架主要技术参数：伸缩行程1000mm，手动/自动控制，上中板厚60mm，材料Hardox450，下中板厚50mm，材料Hardox400，槽帮采用高强度耐磨铸造材料ZG30MnSiMo，槽帮硬度HB260-300，上、下内口宽1400mm。为准确掌握整个机尾架的磨损规律及形态，现场应用金属测厚仪对其机尾架的上中板、下中板进行标记测量。

1.1 机尾架上中板磨损测量

为准确掌握机尾架体的磨损情况，并尽可能的全面反应机尾架上、下中板的磨损量，现分别对机尾架固定架体和活动架上、下中板的链道位置、中间位置，两侧刮板斧头位置采取间隔标记测量。固定架体上中板标记测量点1，2，3，4，5，每个点位每间隔200mm测量3个位置，测量位置如图1，测量厚度取平均值，数据整理见表1。

图1 机尾架固定架上中板测量点位（单位：mm）

表1 机尾固定架上中板磨损后平均厚度值

数据分析可知，机尾固定架上中板4，5链道点位磨损大于其他点位，刮板斧头2，3点位磨损大于1中间点位，2点位磨损大于3点位磨损，将4，5链道点位取平均值Σ=48.25mm，非链道点位1，2，3取平均值Σ=51.26mm，链道大于非链道处磨损。

活动架体上中板经现场实际测量，其主要磨损发生在与固定架体伸缩搭接或与舌板衔接处的上中板，活动架体上中板伸缩搭接范围内磨损与机尾架固定架上中板磨损相当，活动架体上中板舌板衔接处链道磨损剩余厚度54 mm，非链道处磨损剩余厚度57 mm，活动架体上中板凹弧段基本无磨损。

对上述数据及形态分析可知，机尾架固定架体上中板的链道处大于非链道处磨损，刮板斧头两侧点位大于中间点位磨损，机尾架伸缩段到机尾架出口端范围的上中板磨损大于与舌板衔接处的上中板磨损。机尾架活动架体上中板凹弧段基本无磨损发生，主要原因是刮板链在运行状态时处于被拉伸悬浮状态，在该区段与上中板不接触。铲板侧刮板斧头点位大于挡板侧刮板斧头点位磨损，铲板侧刮板斧头点位大于挡板侧刮板斧头点位磨损的主要原因是采煤机割下的煤料会以一定的速度冲击机尾架的上中板，造成冲击磨损，而铲煤板一侧离煤壁最近最易受到冲击，同时在推溜过程中，煤料会堆积在铲板侧，造成铲板侧煤料量大于挡板侧。因此，煤料的下落冲击和煤料堆积状态是造成机尾架铲板侧刮板斧头点位上中板磨损大于挡板侧的原因之一。

1.2 机尾架下中板磨损测量

从机尾架固定架体与活动架体搭接伸缩起点处起，沿机尾架下中板取13个测量点，如图2所示，其中、、、测量点在固定架体下中板上，每点间隔300 mm，，，，、、、、、测量点在活动架体下中板，其中~点位每点间隔165 mm，~点位每点间隔350 mm，13个测量点按照图1测量点位1、2、3、4、5，对中间点位、铲板侧刮板斧头点位、挡板侧刮板斧头点位、铲板侧链道点位、挡板侧链道点位进行测量，为方便统计，取13个测量点处的4、5点位链道4处厚度的平均值和非链道1，2，3点位厚度的平均值，其统计数据见表2。

表2 机尾架下中板磨损后平均厚度值

采用数据拟合法将13个~测量点的链道4，5点位平均厚度值和非链道1、2、3点位平均厚度值用平滑曲线连接，连接形成的曲线可近似代表其下中板的基本磨损形态曲线，图2中，下中板链道磨损曲线封闭的灰色区域是链道磨损剩余厚度，从图2中拟合曲线可以直观地看出，下中板磨损最严重的区域为~点，固定架体下中板从~点磨损趋势增大，活动架体从~点磨损趋势变缓，其中固架体下中板与活动架体下中板搭接的~点区间的链道磨透。

图2 机尾架测量点位及磨损剩余厚度曲线

综合上述分析可知，超重型刮板输送机机尾架上、下中板链道磨损大于其他非链道处磨损；机尾架下中板整体磨损大于上中板；除机尾架左右活动翼板外，机尾架体的主要磨损发生在下中板的伸缩段和活动架体下中板过渡圆弧段，其磨损形态表现如下，固定架体伸缩段沿机尾链轮方向磨损趋势增大，活动架体伸缩及圆弧过渡段磨损沿机尾链轮方向磨损趋势驱缓，其中固定架体与活动架体搭接范围~点磨损最严重。

2 机尾架磨损实测理论分析

在许多摩擦学专著中都引用E.Rabinowicz简化模型和数学表达式，这种简单模型的基本假设如下：1）将经受磨损的材料简化成一种不产生任何塑性变形的绝对刚体；2）将硬质磨料颗粒简化成一个圆锥体；3）将磨损过程视为简单的滑动过程。

利用这个简单模型建立材料体积磨损公式。

式中：-磨损体积；-滑动距离；-接触应力；-材料硬度；-磨粒夹角系数。

从式中可以看出在固定区段长度内的磨损体积与接触应力成正比，同时接触应力表达式如下。

式中：-单位时间运输量；-中部槽宽；-物料运输速率；-重力加速度。

从式（2）中可以看出，接触应力与单位时间运输量呈正比，与中部槽宽及其物料运输速率成反比。笔者根据上述公式作为出发点找出影响接触应力的主要因素。

刮板输送机工作时由机头尾的驱动链轮将刮板链进行驱动，刮板链在中部槽上下链道形成闭式循环运动，最终实现煤料的运输。为增加机头启动效果，机尾先于机头提前0.5s启动，运行过程中，机头下链道刮板处于近松弛状态，而机尾下链道刮板链绕上链轮时处于绷紧状态，当刮板链从起弧段点进入活动架体下中板过渡圆弧段时刮板链发生角度偏转，此时对刮板链受力分析，如图3所示，建立直角坐标系，受力分析如下。

图3 刮板链受力示意图

通过公式（2）~公式（4）计算可得公式（6）。

式中：-摩擦系数；-偏转角；F-链轮对刮板链拉力；F'-刮板链提供的拉力；-刮板链单位长度的自身力；N-下中板对刮板链的支撑力；N'-刮板链对下中板的压力；f-下中板对刮板链的摩擦阻力。

由公式（6）可知，机尾架下链道刮板链对下中板的压力与刮板链受链轮拉力F，偏转角成正比，与刮板链单位长度自身重力成反比，因刮板链受链轮拉力F与刮板输送机功率有关，驱动扭矩计算如下。

式中：-驱动部功率；-减速器传动比；-电机转速。

链条受到链轮的拉力计算如下。

式中：-链轮节圆半径。

综合公式（6）~公式（8）可得公式（9）。

从式（8）可以看出，刮板链对机尾架下中板的压力与装机功率成正比，与链轮节圆和刮板链单位长度自身重力成反比。因此，装机功率是影响机尾架下中板磨损的因素之一。

为直观表现刮板链间距与下中板过渡圆弧半径R对磨损的影响，采用图形法对刮板链的运行干涉情况进行分析，如图4所示，图中R为原机尾架下中板过渡圆弧半径，R为小于原机尾架下中板过渡圆弧半径，R为大于原机尾架下中板过渡圆弧半径，为原6环刮板间距，L为8环刮板间距，假设如果中板与刮板链条立环可以嵌入干涉，则干涉量越大，表示立环对中板的磨损嵌入越大，刮板链运行至下中板过渡圆弧起弧段点，立环与下中板干涉量运行到圆弧最高点干涉量最大，然后干涉量减少。从R对应的图形线可以看出，刮板间距不变的情况下，过渡圆弧半径R越短干涉量越大，磨损趋势越大。反之，过渡圆弧半径R越大干涉量越小，磨损趋势越小。当刮板间距增大为R时（刮板间距由6环增加到8环），从图形中和R对比可以看出，刮板间距越大刮板链对下中板的干涉趋势越大，磨损趋势增加。

图4 机尾架与刮板链接触磨损形态

综合上述分析可知，机尾架下中板磨损主要与装机功率P、偏转角、过渡段圆弧半径R、刮板间距有关。装机功率越大，刮板链从机尾底链道绕行到机尾链轮上时对机尾架下中板压力越大，刮板链对机尾架下中板磨损越严重；刮板链偏转角越小，刮板链对机尾架下中板压力越小，机尾架磨损越轻；机尾架过渡段圆弧半径越大刮板链条的嵌入干涉量越小，进而减轻对机尾架下中板的磨损；刮板间距越大，刮板链条的嵌入趋势增加，刮板链干涉增大，刮板链运行时加速机尾下中板的磨损。

3 结论

某矿工作面过煤量千万吨超重型刮板输送机机尾架的现场实测数据分析如下：1）超重型刮板输送机机尾架下中板整体磨损量大于上中板磨损量；2）超重型刮板输送机机尾架的上中板磨损主要发生在固定架体水平段中板上，固定架的上中板整体磨损量大于活动架体上中板磨损量，活动架体上中板凹弧段基本无磨损；3）超重型刮板输送机机尾架下中板链道处的磨损量大于下中板其他位置的磨损量，机尾架下中板磨损主要发生在固定架和活动架伸缩搭接处及其过渡圆弧段；4）超重型刮板输送机机尾架固定架体下中板及链道磨损趋势表现为沿着机尾链轮方向磨损增加，超重型刮板输送机机尾架活动架体下中板及链道磨损趋势表现为沿着机尾方向磨损量逐渐减少；5）超重型刮板输送机机尾架下中板的磨损与装机功率、偏转角、过渡段圆弧半径R、刮板间距有关，装机功率越大，偏转角越大，过渡段圆弧半径越小，刮板间距越大其机尾架下中板磨损越大，刮板链立环与机尾架下中板的干涉量，随着刮板间距的增大而增大，随着过渡圆弧半径的增大而变小。