張國(guó)新

（中國(guó)煤炭科工集團(tuán)太原研究院，山西省太原市，030006）

不同工作面傾角下的刮板輸送機(jī)特性分析與研究

張國(guó)新

（中國(guó)煤炭科工集團(tuán)太原研究院，山西省太原市，030006）

介紹了在不同工作面傾角下和非水平工作面上刮板輸送機(jī)的工作特性，研究了兩種輸送方向下的刮板輸送機(jī)運(yùn)行性能以及隨角度變化情況下的異同。該研究有助于進(jìn)行合理的設(shè)備配套以及制定相應(yīng)的生產(chǎn)規(guī)程。

刮板輸送機(jī) 工作面傾斜角 運(yùn)行阻力 功率分析

在煤礦生產(chǎn)中，煤炭運(yùn)輸工作是采煤生產(chǎn)過程的重要組成部分，刮板輸送機(jī)是采煤工作面和采區(qū)巷道運(yùn)煤的主要機(jī)械設(shè)備之一，是綜采工作面配套設(shè)備的重要組成部分，它的性能在很大程度上決定了采煤工作面的生產(chǎn)能力和效率。因此，研究它的工作狀況，了解它的工作特性，掌握輸送機(jī)在不同條件下的運(yùn)行情況，有利于確保整個(gè)采煤工作面順利運(yùn)行。在刮板輸送機(jī)的實(shí)際運(yùn)行中，刮板輸送機(jī)鋪設(shè)傾斜角度、鋪設(shè)長(zhǎng)度、煤質(zhì)等具體工作條件都會(huì)影響刮板輸送機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)，尤其工作面傾斜角度是直接影響刮板輸送機(jī)承載能力、工作可靠性的重要因素之一。一般來(lái)說(shuō)，刮板輸送機(jī)可用于水平運(yùn)輸，亦可用于傾斜運(yùn)輸。刮板輸送機(jī)在斜向上運(yùn)輸時(shí)鋪設(shè)傾角原則上不得超過25°，向下運(yùn)輸時(shí)傾角不得超過20°。當(dāng)鋪設(shè)傾角過大時(shí)，不僅會(huì)發(fā)生滑移，而且還可能使機(jī)器功率過大發(fā)生過載，從而導(dǎo)致安全事故。因此，采用合理方式對(duì)不同工作傾斜角度下的輸送機(jī)進(jìn)行研究分析是十分必要的。

1 功率計(jì)算

研究刮板輸送機(jī)在不同鋪設(shè)傾角下的運(yùn)行狀況就必須對(duì)其功率特性進(jìn)行分析。刮板輸送機(jī)的額定輸送功率不僅標(biāo)志著刮板輸送機(jī)的負(fù)載能力，還是綜采工作面設(shè)備選型匹配需要考慮的重點(diǎn)指標(biāo)之一，而且，輸送機(jī)空載功率也是判斷機(jī)器性能的重

圖1 刮板輸送機(jī)鋪設(shè)形狀示意圖

要標(biāo)準(zhǔn)之一。根據(jù)功率的計(jì)算公式P＝FV可知，刮板輸送機(jī)的計(jì)算功率與其運(yùn)行時(shí)受到的阻力和刮板鏈速有關(guān)，所以計(jì)算刮板輸送機(jī)的功率首先需要計(jì)算輸送機(jī)的運(yùn)行阻力。實(shí)際工作中，由于刮板輸送機(jī)在液壓支架的推移作用下，不停變換中部槽的相對(duì)角度和位移，所以整個(gè)刮板輸送機(jī)是呈“S”型，刮板輸送機(jī)鋪設(shè)形狀示意圖如圖1所示。

因此，要準(zhǔn)確地進(jìn)行輸送機(jī)計(jì)算就需要考慮彎曲程度對(duì)系統(tǒng)的影響，刮板輸送機(jī)中部槽排列如圖2所示，刮板輸送機(jī)水平彎曲的相關(guān)技術(shù)參數(shù)計(jì)算過程如下。

刮板輸送機(jī)中部槽彎曲段的曲率半徑為：

式中：R——刮板輸送機(jī)中部槽彎曲段的曲率半徑，m；

Lm——每節(jié)中部槽長(zhǎng)度，m；

α′——相鄰中部槽之間的偏角，（°）。

彎曲段的長(zhǎng)度為：

式中：Lw——彎曲段的長(zhǎng)度，m；

a——支架推移刮板輸送機(jī)步距，m。

機(jī)頭部至彎曲段的長(zhǎng)度為：

式中：L1——機(jī)頭部至彎曲段的長(zhǎng)度，m；

L——刮板輸送機(jī)鋪設(shè)長(zhǎng)度，m。

彎曲段對(duì)應(yīng)的中心角為：

式中：α——彎曲段對(duì)應(yīng)的中心角，rad。

圖2 刮板輸送機(jī)中部槽排列示意圖

通過以上計(jì)算，可以得出刮板輸送機(jī)水平彎曲的相關(guān)技術(shù)參數(shù)。此外，由于刮板輸送機(jī)在鋪設(shè)時(shí)往往存在坡度，與水平面有一定夾角，因此在計(jì)算過程中要對(duì)其進(jìn)行非水平受力分析。如圖3所示，質(zhì)量為G的重物運(yùn)行阻力為垂直方向的分力與摩擦系數(shù)的乘積，再根據(jù)輸送實(shí)際方向，加上或減去與工作面平行方向的分力。而所有輸送機(jī)運(yùn)行時(shí)所要承受的重量包括刮板鏈和刮板自身質(zhì)量、負(fù)載煤炭的質(zhì)量以及圓環(huán)鏈預(yù)緊力造成的阻力。刮板輸送機(jī)運(yùn)行阻力計(jì)算過程如下。

圖3 輸送機(jī)受力分析

空段刮板鏈運(yùn)行阻力為：

式中：Wq——空段刮板鏈運(yùn)行阻力，kg·f；

q0——刮板圓環(huán)鏈單位長(zhǎng)度質(zhì)量，kg；

f1——刮板鏈在溜槽中的移動(dòng)阻力系數(shù)；

β——輸送機(jī)傾斜角度，rad；

f——刮板與溜槽槽幫的阻力系數(shù)；

S1——圓環(huán)鏈預(yù)緊力，kN。

重段鏈條移動(dòng)阻力為：

式中：WZ——重段鏈條移動(dòng)阻力，kg·f；

q——單位長(zhǎng)度煤炭的質(zhì)量，kg；

ω′——煤在溜槽中的移動(dòng)阻力系數(shù)；

K2——機(jī)尾軸上的附加阻力系數(shù)，單機(jī)頭取1.06，雙機(jī)頭取1。

刮板輸送機(jī)空載運(yùn)行阻力為：

式中：WX——刮板輸送機(jī)空載運(yùn)行阻力，kg·f。

刮板輸送機(jī)運(yùn)行牽引力等于其運(yùn)行阻力，因此不同工作狀況下的電機(jī)功率為：

式中：Nmax——滿載功率，kW；

V——刮板輸送機(jī)的鏈速，m／s；

η——傳動(dòng)裝置的總效率系數(shù)，一般取值為0.8～0.85。

空載功率為：式中：NX——空載功率，kW；

V——刮板輸送機(jī)的鏈速，m／s；

η——傳動(dòng)裝置的總效率系數(shù)，一般取值為0.8～0.85。

平均功率：

式中：NP——平均功率，kW。

2 工作面傾斜角對(duì)系統(tǒng)的影響

在工作面存在傾斜角的情況下，刮板輸送機(jī)運(yùn)行有兩種工作方式，一是從地勢(shì)低的一端到地勢(shì)高的一端（向上輸送），二是由地勢(shì)高的一端到地勢(shì)低的一端（向下輸送），輸送機(jī)的兩種工作方式示意圖如圖4所示。

2.1 向上運(yùn)輸分析

第一種工作方式（向上輸送）計(jì)算Wq時(shí)選擇“?”中的“－”號(hào)；計(jì)算WZ和WX時(shí)選擇“±”中的“＋”號(hào)。通過研究，應(yīng)用計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)建立整個(gè)系統(tǒng)的功率計(jì)算模型，通過計(jì)算分析，工作面傾斜角β和3種運(yùn)行阻力曲線圖如圖5所示（該運(yùn)算所有參數(shù)基于張家口煤機(jī)廠生產(chǎn)的SGZ764／400刮板輸送機(jī)）。

圖5顯示隨著刮板輸送機(jī)鋪設(shè)傾斜角β的增大，重段鏈條移動(dòng)阻力WZ呈上升趨勢(shì)，而空載運(yùn)行阻力WX與空段刮板鏈運(yùn)行阻力Wq呈現(xiàn)降低的趨勢(shì)，并且空段刮板鏈運(yùn)行阻力Wq在大于12.5°以后出現(xiàn)了小于零的情況，這是因?yàn)樵谳斔蜋C(jī)從低到高運(yùn)行時(shí)，回空段的回程阻力其實(shí)是一種驅(qū)動(dòng)運(yùn)輸?shù)姆亲璧K力，而且隨著角度的增大，這種有益于輸送的力逐漸增大，此外，與摩擦力成正比的回程阻力隨角度增大逐漸減小，所以空段鏈條阻力隨工作面角度的增大而減小，達(dá)到一定角度后，運(yùn)行阻力小于這種力，就出現(xiàn)了Wq小于零的情況。

輸送機(jī)3種功率隨鋪設(shè)傾斜角β的變化趨勢(shì)如圖6所示，可以看出，當(dāng)刮板輸送機(jī)的機(jī)頭在高位，輸送方向由低到高時(shí)，隨著鋪設(shè)傾斜角度的增大，滿載功率和平均功率均呈增大趨勢(shì)，而空載功率呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)，這是由Wq隨β增大而遞減造成的。

圖6 向上輸送功率曲線圖

2.2 向下運(yùn)輸分析

圖7 向下輸送運(yùn)行阻力和功率曲線圖

第二種工作方式（向下輸送）計(jì)算Wq時(shí)選擇“?”中的“＋”號(hào)；計(jì)算W和W選擇“±”中的“－”號(hào)，并且角度一般不超過20°。輸送機(jī)運(yùn)行阻力與功率隨角度變化的曲線圖如圖7所示。

圖7顯示刮板輸送機(jī)在向下運(yùn)輸時(shí)，空段刮板鏈運(yùn)行阻力Wq隨鋪設(shè)角度增大而增大。正是由于這一點(diǎn)，在這種工作方式中，設(shè)備的功率隨角度增長(zhǎng)速度快于向上運(yùn)輸?shù)牡谝环N工作方式（角度為0時(shí)兩種方式功率一致，但是達(dá)到25°時(shí)，向下運(yùn)輸?shù)墓β手荡笥谙蛏线\(yùn)輸?shù)墓β手担?，所以，刮板輸送機(jī)在向下運(yùn)輸時(shí)傾斜角度一般不大于20°，小于向上運(yùn)輸時(shí)的25°。

3 結(jié)語(yǔ)

本文通過對(duì)存在鋪設(shè)傾角的刮板輸送機(jī)進(jìn)行受力分析，并且借助計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)計(jì)算了許可范圍內(nèi)的不同傾斜角度下的輸送機(jī)運(yùn)行阻力和各種功率，得出了最終曲線圖。通過對(duì)兩種工況下的曲線進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，隨著傾斜角度的增大，設(shè)備在向下運(yùn)輸時(shí)的功率消耗比向上運(yùn)輸時(shí)增長(zhǎng)要快，這也是刮板輸送機(jī)向下運(yùn)輸傾斜角度一般許用值小于向上運(yùn)輸?shù)脑蛑?。通過這種研究方法可以更加清楚的掌握不同生產(chǎn)條件下的刮板輸送機(jī)工作情況，從而有助于選擇合理的選擇設(shè)備配套，制定相應(yīng)的生產(chǎn)規(guī)程。

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Analysis and research on characteristics of scraper conveyor working on mining face with different inclinations

Zhang Guoxin
（Taiyuan Institute of China Coal Technology and Engineering Group，Taiyuan，Shanxi 030006，China）

The characteristics of the scraper conveyor were introduced，which works on the mining face with different inclinations.The running performances of scraper conveyer in two transporting directions and their differences varied with the inclination were studied.This study is helpful for the rational use of complete sets of equipment and the establishment of related production procedures.

scraper conveyor，inclination of mining face，running resistance，power analysis

TD634.2

A

張國(guó)新（1975－），男，山西陽(yáng)泉人，高級(jí)工程師，1997畢業(yè)于太原理工大學(xué)機(jī)械設(shè)計(jì)專業(yè)，現(xiàn)在中國(guó)煤炭科工集團(tuán)太原研究院從事煤礦機(jī)械設(shè)備的研發(fā)、大修及科學(xué)性試驗(yàn)工作。

（責(zé)任編輯 路 強(qiáng)）