刮板机在卸车工艺中的选型分析

0 引言

刮板输送机是采煤工作面中不可或缺的一部分，已有近百年的发展历程，因其结构强度高，能经受住矿料的冲撞，相比带式输送机、板式输送机、铸石刮板输送机更适合在瞬时来料量大的工况中承载和转运矿料；在综采工艺中，刮板机的各项配置参数都有一套成熟的算法，而将刮板机用在卸车工艺时，设备规格和装机功率就不能简单地按小时运量计算，还需要考虑矿料的最大粒级、车载量和卸车间隔，两种计算最大的区别在于前者是连续给料，后者是间断给料，由于汽车或单斗将矿料卸载到刮板机上时，矿料会在短时间内堆积到槽箱内，形成类似工作面片帮的效果，负载功率会瞬间增大，因此装机功率要足够克服堆积物料产生的正压力，而选取的功率富余量大时会提高整机的配置规格，造成资源浪费。另一方面，由于汽车卸车间隔较长，所以刮板机运量不大，但考虑到链条安全系数和矿料最大粒级，刮板机的槽宽反而需要增大，因此，需要配置较低的刮板链速控制运量，避免造成后续设备的卡堵，同时还能有效减缓刮板机本身的磨损。

1 设计计算的原始数据

刮板机在卸车工艺中起转运作用，通常固定安装在地坑内或平铺在地面上，如图1、图2所示，受料段长度满足汽车或单斗卡车的卸载长度即可，所以整机长度一般在20m到30m之间；输送量根据卸车频次和车载量可以简单计算得出，采用汽车运输时，单台刮板机输送量一般不超过200t/h，而在大型露天矿中，输送量需要达到1000t/h。

图1 露天矿中单斗卡车卸载示意图

本文以图2中的卸载方式为例进行具体选型说明，其中汽车每车载煤量为40t，输送机长度25m，卸料段长度15m，水平安装，输送机运量200t/h，来料最大粒度为300mm，槽体两侧安装挡板，挡板与水平面间的夹角呈60°。

图2 煤厂中汽车卸载示意图

2 设备选型

2.1 初选槽宽

槽宽应该根据矿料的最大粒度、运量和链条规格三方面的因素综合选取，槽宽必须大于矿料的最大粒度，防止矿料在槽体内卡堵，根据示例中提供的粒度和运量结合表1中的数据，按标准规格选择630mm槽宽的刮板机即可满足使用要求，但在卸车工况中，由于刮板机的瞬时负载较大，因此需要增大链条规格保证链条的安全系数，确保整机的可靠性，所以初选34×126的链条进行相关计算，对应最小槽宽为764mm，后期根据校核结果，再进行选型调整。

表1 顺槽用刮板转载机的技术参数表

2.2 刮板机运行阻力计算

刮板机运行阻力分为两部分，一是刮板链本身运行的阻力，二是槽体内堆积的矿料造成的阻力，前者可以根据空载时的状态简单计算获取，后者需要按单次卸车的最大量计算，如图3，将堆满槽体的物料分为A、B、C三个区域，其中A区域的矿料对刮板施加正压力，B区域和C区域的矿料对槽体侧壁施加侧向压力。

图3 槽体满载时的堆积断面图

按槽体内40t矿料、卸料段15m长计算，A区域的矿料重约21t，B和C区域矿料的总重约19t，可以根据公式（1）计算出矿料对刮板机造成的阻力为179.34kN。

式中Wk——矿料对刮板机造成的阻力（kN）；

qa——A区域矿料的质量（kg）；

qb——B区域矿料的质量（kg）；

qc——C区域矿料的质量（kg）；

g——重力加速度，g=9.8m/s2；

α——挡板与水平面间的夹角（°）；

ω——煤在溜槽中移动的阻力系数，ω=（0.5-0.6）。

链速按公式（2）计算得0.237m/s

式中ν——刮板链条速度（m/s）；

Q——刮板机的运量（t/h）；

A——溜槽上物料的装载断面（m2）；

ρ——物料的堆积密度，ρ=0.9t/m3。

将链速、安装倾角、设备长度、刮板链重量带入连续输送机械手册中有关刮板机的计算公式（3）可以得出空载时刮板链本身的运行阻力，结果为19.96kN，所以，刮板机在满载状态下的整体运行阻力为199.3kN。

式中WZ——刮板机空载时的运行阻力（kN）；

q0——刮板链条每米长度的质量（kg）；

ω′——刮板链条在溜槽中移动时的阻力系数，ω′=（0.3-0.4）；

L——刮板输送机设计长度（m）；

β——刮板输送机倾角（°）；

“±”——根据刮板链条向上运行时取“+”号；反之取“-”号。

2.3 整机功率计算

初选7齿链轮，节圆半径为283.5mm，按公式（4）计算可得驱动轴需要的扭矩为56501.6Nm。

式中T——驱动轴的扭矩（N·m）；

W——刮板机的运行阻力（kN）；

L——链轮节圆半径（mm）。

按公式（5）计算可得驱动轴的转速为8.06r/min。

式中n——驱动轴转速（r/min）；

p——链条节距（m）；

z——链轮齿数（mm）。

按公式（6）计算可得轴的驱动功率为47.69kW。

式中P1——轴的驱动功率（kW）。

按公式（7）计算可得驱动电机的功率为67.33kW，取标准电机功率75kW。

式中k——刮板机电机功率备用系数，k=1.2；

φ——刮板机传动效率，φ=0.85。

2.4 链条强度校核

式中kmin——刮板机链条最小安全系数；

Ta——刮板机链条最小破断负荷（kN）；

Tm——刮板机满载启动时链条最大拉力（kN）。

式中nc——刮板机链条根数，nc=2；

Tb——刮板机单股链条最小破断负荷（kN）；

ka——刮板机链条受力不均匀系数，ka=0.9。

式中nb——刮板机电机启动力矩系数，nb=2.5。

在公式（8）（9）（10）中分别带入30×108规格和34×126规格链条的最小破断负荷，计算得出安全系数分别是3.02和3.88，说明初选的链条规格和槽宽合理，如果校核结果出入较大，则以此次计算结果为依据重新设定初选参数，按步骤依次计算。

2.5 选型确定

为控制刮板机的运量，选择了较低的刮板链速，从以上计算可以看出，驱动轴的转速只有8.06r/min，按6级电机配置，减速器速比也要达到120，参照现有通用减速器的技术参数，需要四级传动才能实现，所以减速器的外形体积大、制造成本过高。实际选取时，可以通过增大电机功率、降低减速器速比的方法保证输出扭矩不变，因速比变化导致链速加快的问题通过配置变频器解决，变频器在低频输出时有恒转矩的特性，不影响出力，并且刮板机具备调速功能后，可以按照实际生产状况调整刮板机的输送能力，适应性更强。

三级传动的锥齿斜齿轮减速器最高速比一般设置在70左右，按6级电机的转速核算，刮板链速为0.414m/s，带入上述公式核算后，取标准电机功率132kW；而在连续给料的顺槽转运工艺中，刮板机输送相等物料所需的配置相对较低，具体选型参数对比见表2。

表2 两种工况下的设备选型参数对比表

另外，设备一般在地面露天使用，在冬季如果没有采暖措施，减速器与电机的选型还要考虑较低的环境温度，比如冷却方式应该选择风冷或强迫风冷，减速器中配置油加热器等。

3 现场试验结果与分析

实际工况中，按选型计算结果采用SZZ764/132中双链刮板转载机，选用机头单动力部驱动，固定安装在地坑内，主要配置参数见表3。

表3 SZZ764/132中双链刮板转载机配置参数表

刮板机实际运转时，变频器频率设定为32Hz，实际使用链速为0.257m/s；汽车在翻车机上就位后，单车卸载时间平均为99s；刮板机拉空单车卸载的原煤平均用时698s。观察刮板机从入料到出料时变频器的输入电流可以发现，最大输入电流为120.3A，最小输入电流为11.2A，具体电流变化曲线如图4所示。

图4 刮板机转运单车原煤电流与运行时间关系图

从图4中可以看出，在卸车时间段，刮板机的负载迅速增大，直至完全卸车后，槽箱内堆积物料最多时，输入电流开始呈直线缓慢下降，当刮板机拉空后，输入电流恢复到空载状态。图中最大输入电流达到了电机额定电流的85.4%，有较小的富余量，这是两方面因素造成的，一是卸车时长，选型计算时，是按槽箱内堆满40t原煤计算，而实际生产过程中，卸车时间较长，在卸载的同时有部分原煤已经被刮板机运出，未能达到满载状态，产生了功率富裕的现象，但是考虑到煤厂突发性断电等极端情况导致刮板机在负载时停机，会出现刮板机满载的状态，还是应该按最大车载量计算选型；另一方面的因素是选配标准功率电机产生的，电机选型是根据功率计算结果靠上选取标准功率值，所以也会造成一定的功率富裕。因此，证明上述以矿料在溜槽内的最大堆积量和堆积状态为侧重点计算刮板运行阻力的方法基本合理，可以保证刮板机在间断给料工艺中既能可靠运行又不造成配置浪费。

4 结语

本文以煤厂中汽车供料的工艺为示例对象，对刮板机的选型步骤进行了详细描述，通过算法可以看出，影响刮板机配置的最主要因素是车载量，即刮板机每次承载矿料的最大量；当溜槽内堆满矿料时刮板机负载最大，最易发生闷车和断链事故，处理时需要先将槽内的矿料清理，工作量大，安全性差，因此保证刮板机的可靠性尤为重要。通过对比分析可以发现，卸车用刮板机具有长度短、槽宽大、链条粗、链速慢、功率大的特点，在初选设备规格时，可以有意进行放大，减少校验次数。