邢 琪

（西山煤電（集團(tuán)）有限責(zé)任公司機(jī)電廠， 山西 太原 030000）

引言

刮板輸送機(jī)主要作用是將采煤機(jī)采落煤炭運(yùn)輸?shù)狡渌禾枯斔驮O(shè)備，刮板輸送機(jī)以其較強(qiáng)的復(fù)雜工況適應(yīng)能力成為煤礦綜采區(qū)最為核心的輸送設(shè)備之一。其組成分為動(dòng)力輸入部、鏈條牽引傳動(dòng)部和附屬部件。動(dòng)力輸入部分為機(jī)頭動(dòng)力輸入和機(jī)尾動(dòng)力輸入部，牽引傳動(dòng)部分為鏈條和刮板，附屬部件主要包括鏟煤板、緊鏈器、溜槽和擋煤板等。

刮板輸送機(jī)作為綜采區(qū)最核心的設(shè)備之一，其穩(wěn)定高效的運(yùn)行不僅關(guān)系到綜采區(qū)工作效率的提高，更是煤礦安全生產(chǎn)的關(guān)鍵。對(duì)于刮板輸送機(jī)輸送系統(tǒng)特性的研究，得出合理的輸送參數(shù)，對(duì)于提高刮板輸送機(jī)運(yùn)行的穩(wěn)定性與輸送機(jī)安全運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)有重要的意義。

傳統(tǒng)的輸送特性研究方法是將輸送機(jī)整體分解成一系列單元，每組單元的組成相同，即溜槽段、刮板、刮板鏈和散狀物料，將這一系列單元中的散狀物料看成連續(xù)的整體，然后將這個(gè)整體與刮板及刮板鏈表示為一個(gè)質(zhì)量塊。這樣每個(gè)單元可以由五個(gè)參數(shù)來(lái)決定運(yùn)動(dòng)特性，分別是負(fù)載的質(zhì)量、鏈條的剛度系數(shù)和阻尼系數(shù)、負(fù)載摩擦力、驅(qū)動(dòng)力。為了得到更為準(zhǔn)確的刮板輸送機(jī)輸送特性，搭建更加準(zhǔn)確的刮板輸送機(jī)整機(jī)動(dòng)力學(xué)模型是十分必要的[1]。

1 刮板輸送機(jī)靜力學(xué)分析

散狀物料是由顆粒度大致相同的隨機(jī)形狀固體顆粒組成，由于散狀物料的間隙遠(yuǎn)小于溜槽及刮板的幾何尺寸，因此可以將散狀煤料看成一種連續(xù)介質(zhì)。

刮板輸送機(jī)的靜力學(xué)分析主要分為溜槽壓力計(jì)算及刮板間距分析。

1.1 溜槽壓力計(jì)算

散狀煤料在溜槽上的運(yùn)行工況如圖1所示。

圖1 溜槽與散狀煤料示意圖

將刮板輸送機(jī)溜槽的各個(gè)受力面進(jìn)行標(biāo)記，如圖2所示。由于刮溜槽截面為對(duì)稱結(jié)構(gòu)，因此計(jì)算過(guò)程簡(jiǎn)化為對(duì)溜槽外部平面A、底面1、斜側(cè)面2和側(cè)面4的壓力計(jì)算。

圖2 溜槽受力面示意圖

式中：MA為平面A正上方的散狀煤料的質(zhì)量；SA為散裝煤料與溜槽間隙（見(jiàn)圖1）；θn為散料的靜堆積角；ρ為物料堆積密度；t為刮板節(jié)距；g為重力加速度。

如下頁(yè)圖3所示，平面1受力可表示為：

側(cè)面4所受壓力可以表示為：

式中，σ4為側(cè)面4的側(cè)壓應(yīng)力；n為側(cè)壓應(yīng)力系數(shù)；L4為溜槽平面A上方煤料的高度。

側(cè)面2所受壓力較小，可不計(jì)入計(jì)算。

經(jīng)過(guò)受力分析，平面A所受壓力可以表示為：

圖3 平面1受力示意圖

因此，刮板輸送機(jī)溜槽內(nèi)散裝煤料產(chǎn)生的靜壓力為：

式中：N1、N2、N3、N4、N5、NA、NB分別為圖 2 中 1、2、3、4、5、A、B所受壓力。

1.2 刮板間距分析

刮板受到散裝煤料的局部壓應(yīng)力較大，當(dāng)刮板間距大于刮板對(duì)散裝物料壓力所能傳遞散裝物料的長(zhǎng)度時(shí)，會(huì)出現(xiàn)刮板空轉(zhuǎn)而無(wú)法傳遞散裝煤料的情況，而當(dāng)刮板間距太小時(shí)會(huì)使刮板輸送機(jī)運(yùn)力冗余過(guò)剩，造成動(dòng)力資源的浪費(fèi)。因此在刮板輸送機(jī)輸送特性研究時(shí)刮板間距分析也是其關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

2 散裝煤料運(yùn)輸狀態(tài)分析

EDEM軟件對(duì)于散裝物料的運(yùn)輸仿真具有很強(qiáng)的專業(yè)性，本節(jié)利用Pro/E建立刮板輸送機(jī)三維模型，并通過(guò)EDEM軟件生成散裝煤料進(jìn)行其運(yùn)輸狀態(tài)的仿真分析。

2.1 輸送狀態(tài)模型EDEM模型建立

散裝煤料為不規(guī)則顆粒組成，為簡(jiǎn)化計(jì)算，將散狀煤料理解為球狀集合體，且體積相同，如圖4所示，其具體參數(shù)如表1所示。

圖4 散狀煤料顆粒模型

表1 散狀煤料顆粒參數(shù)

刮板輸送機(jī)三維模型導(dǎo)入到EDEM軟件，并對(duì)模型進(jìn)行必要的簡(jiǎn)化，得到如圖5所示刮板輸送機(jī)簡(jiǎn)化模型。

圖5 刮板輸送機(jī)模型

2.2 輸送狀態(tài)的邊界條件

刮板輸送機(jī)運(yùn)行狀態(tài)可以分為啟動(dòng)階段、平穩(wěn)運(yùn)行階段、制動(dòng)階段及突發(fā)卡鏈等工況。在此僅對(duì)刮板輸送機(jī)啟動(dòng)階段及平穩(wěn)運(yùn)行階段進(jìn)行仿真分析，因此，刮板傳動(dòng)系統(tǒng)可分為加速運(yùn)動(dòng)和勻速運(yùn)動(dòng)兩個(gè)階段，設(shè)置其運(yùn)動(dòng)方程[1]如下所示:

經(jīng)過(guò)啟動(dòng)階段，刮板輸送機(jī)平穩(wěn)運(yùn)行時(shí)運(yùn)行速度為2 m/s。散狀物料及刮板形狀位置關(guān)系如圖6所示。

圖6 刮板與散狀煤料模型

刮板輸送機(jī)是由刮板表面與散狀煤料間的正壓力及散狀煤料自身的摩擦力提供運(yùn)輸動(dòng)力的，為了研究刮板與散狀煤料間的正壓力，在刮板的表面設(shè)置GeometryBin，從而可以得到刮板表面在啟動(dòng)階段正壓力及摩擦力數(shù)據(jù)。

2.3 系統(tǒng)仿真結(jié)果分析

運(yùn)行仿真并通過(guò)接觸傳感器得到刮板表面摩擦力及表面壓力的數(shù)據(jù)，繪制曲線如圖7所示。

圖7 刮板壓力與摩擦力對(duì)比圖

由上述數(shù)據(jù)可以看出，隨著刮板表面壓力的變化，刮板摩擦力變化不大，且刮板摩擦力相對(duì)正壓力較小，因此在計(jì)算刮板輸送機(jī)輸送能力時(shí)不予考慮[2]。

進(jìn)一步對(duì)圖2中各個(gè)面設(shè)置接觸傳感器，并對(duì)仿真結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行繪制，得到結(jié)果如下頁(yè)圖8所示。

接觸面1為溜槽底部，受到的壓力最大，接觸面1受到的壓力從26 kN增加到36 kN，在第7 s時(shí)達(dá)到最大，受到的壓力在33～38 kN之間。

接觸面2、4和接觸面A的壓力從0開(kāi)始不斷升高，這三個(gè)接觸面在初始狀態(tài)時(shí)不受散狀煤料的壓力。刮板輸送機(jī)啟動(dòng)后，這些接觸面開(kāi)始逐漸受到散狀煤料的壓力，直到壓力值穩(wěn)定。這種壓力變化說(shuō)明，在初始時(shí)期，這些表面不會(huì)受到散狀煤料的作用，當(dāng)刮板開(kāi)始運(yùn)動(dòng)后，由于散狀煤料的流動(dòng)性，這些平面逐漸接觸到散狀煤料，受到的壓力逐漸增加，直到壓力達(dá)到穩(wěn)定。

圖8 溜槽各平面壓力曲線

3 結(jié)論

1）對(duì)刮板輸送機(jī)進(jìn)行靜力學(xué)分析，得到輸送系統(tǒng)中溜槽的關(guān)鍵壓力參數(shù)計(jì)算方法。

2）通過(guò)建立刮板輸送機(jī)EDEM模型，對(duì)輸送過(guò)程中啟動(dòng)及平穩(wěn)運(yùn)行階段進(jìn)行力學(xué)仿真，得到刮板及溜槽各部分在此工況下的力學(xué)參數(shù)。

3）通過(guò)上述理論分析及仿真計(jì)算，對(duì)刮板輸送機(jī)輸送系統(tǒng)關(guān)鍵特性進(jìn)行了研究，對(duì)刮板輸送機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及起制動(dòng)參數(shù)設(shè)計(jì)起到參考作用。