汪 濤

(寧夏天地奔牛實業(yè)集團(tuán)有限公司，寧夏 石嘴山 750001)

0 引言

我國的煤炭開采多以井工開采為主，在煤炭生產(chǎn)過程中，提高采煤機(jī)、液壓支架、刮板輸送機(jī)等各重要采煤設(shè)備的效率，可以有效地降低煤炭生產(chǎn)的成本，這在我國能源戰(zhàn)略中具有重要意義。而刮板輸送機(jī)作為綜采工作面的關(guān)鍵設(shè)備之一，它既是煤炭運(yùn)輸?shù)耐ǖ?、采煤機(jī)的行走軌道，同時又是液壓支架的推移支點(diǎn)，其安全可靠運(yùn)行是整個綜采工作面實現(xiàn)高效高產(chǎn)的關(guān)鍵之一。隨著煤炭開采規(guī)模的不斷擴(kuò)大，對刮板輸送機(jī)的槽寬、裝機(jī)功率以及鏈條規(guī)格等的需求也不斷提高。刮板輸送機(jī)是通過刮板及刮板鏈推動物料在中部槽中滑移，從而實現(xiàn)物料的運(yùn)輸，但是刮板間距會影響整個輸送過程，如果刮板間距過小會增加設(shè)備運(yùn)行阻力及整體重量，但如果刮板間距過大則會影響運(yùn)輸效率，因此確定合理的刮板間距對于提高輸送機(jī)效率、預(yù)防設(shè)備事故的發(fā)生尤為重要。目前已有多位學(xué)者針對刮板輸送機(jī)的刮板間距進(jìn)行了研究，2008年，李惟慷分析了刮板推移物料運(yùn)動過程的受力狀態(tài)，并為保證物料穩(wěn)定運(yùn)行，以輸送機(jī)運(yùn)行阻力最小為前提推導(dǎo)出刮板最大間距計算公式，同時分析了影響因素等；2019年，陳海江根據(jù)刮板輸送機(jī)的工作原理詳細(xì)分析了煤的抗推力，同時給出了刮板間距的理論計算公式，并分析了輸送機(jī)安裝角及槽寬的影響，研究成果可指導(dǎo)刮板輸送機(jī)刮板間距的設(shè)計，提高刮板輸送機(jī)的性能。本文主要研究不同刮板間距對刮板輸送機(jī)運(yùn)量的影響，并利用有限元分析軟件對1 000 mm槽寬的刮板輸運(yùn)機(jī)在刮板間距分別為876 mm、1 168 mm、1 460 mm情況下的運(yùn)量。

1 刮板間距的計算

刮板輸送機(jī)是一種以撓性刮板鏈作為牽引機(jī)構(gòu)的連續(xù)輸送機(jī)械，其工作原理是將敞開的中部槽作為物料的承載件，刮板鏈作為牽引構(gòu)件，通過機(jī)頭、機(jī)尾傳遞的動力帶動刮板鏈推動物料運(yùn)動，直至機(jī)頭部卸載。刮板輸送機(jī)中部段示意圖如圖1所示。

1-中部槽；2-刮板；3-鏈條；4-齒軌；5-電纜槽圖1 刮板輸送機(jī)中部段示意圖

刮板輸送機(jī)是通過刮板埋在煤中推動煤移動而實現(xiàn)輸送過程，當(dāng)刮板的高度不大于裝煤高度時煤柱受力簡圖如圖2所示。其中，Ri為三角煤柱的受力，i=1，2，3，4；F為刮板的推力；α為輸送機(jī)安裝角；θ1、θ2分別為煤平衡狀態(tài)的極限角；ρ、ρ1、ρ2分別為摩擦角；G1為煤柱ABC的重力；G2為煤柱ABD的重力。

圖2 煤柱受力簡圖

在外力F的作用下，散料層中會存在兩個作用力，一個為外作用力F，一個則為顆粒間的作用力，即AB線上的作用力。假如散料層所受的外作用力小于顆粒間的作用力，此時散料層保持靜止?fàn)顟B(tài)，隨著散料層所受的外作用力逐漸增加，當(dāng)增至某一個極限值時，散料層會沿最小阻力面AB、BD產(chǎn)生滑移，三角煤柱ABC沿AB、BC面滑動前進(jìn)，而三角煤柱ABD則沿著AB、BD和AD面滑移被舉高，使得原有運(yùn)輸狀態(tài)被破壞，因此為了計算煤柱的最大抗推力，則需要計算此極限應(yīng)力狀態(tài)。煤柱ABC和ABD的受力分析簡圖如圖3、圖4所示。其中，h為刮板高度，γ為煤的密度。

圖3 煤柱ABC受力分析簡圖

圖4 煤柱ABD受力分析簡圖

由圖3可得：

(1)

Fcosα+R2sin(ρ2+α)=R1cos(θ1-α+ρ1).

(2)

由圖4可得：

(3)

R1sin(θ1-α+ρ1)+R3cos(θ2-α+ρ)=
R4cos(ρ-α).

(4)

R4=γ(H-h)h(cotθ1+cotθ2)cosα/cosρ.

(5)

其中：H為裝煤高度。

R1=2K1γsin(θ1+θ2)[K1sin(θ2-α+ρ)+K2sin(θ2+
2ρ)]×csc(θ1+θ2+ρ1+ρ2)cscθ1cscθ2.

(6)

由公式(1)、公式(2)解得：

(7)

這里可以利用極值法求出煤柱運(yùn)輸狀態(tài)不被破壞時所能承受的刮板最大推力F，即：

(8)

通過求解公式(8)可以得到煤柱保持平衡狀態(tài)的極限角(θ1*,θ2*)，再將(θ1*,θ2*)代入式(7)中，即可得到保持煤柱平衡狀態(tài)的刮板最大推力F*。

輸送機(jī)是由上槽刮板總體施力于被運(yùn)送的煤，克服其運(yùn)行阻力，推動刮板鏈同步運(yùn)行。因此，不允許刮板施力于煤過大，從而產(chǎn)生相對滑動，造成煤與刮板不能同步運(yùn)行，也就是每個刮板施加的推力F等于兩個刮板間煤的運(yùn)行阻力f,但不應(yīng)超過煤的最大抗推力(最大阻力)F*，即F*≥F=f。

2 仿真模型建立

當(dāng)煤炭被采煤機(jī)采落時，其物理狀態(tài)可歸類為散粒介質(zhì)，散粒體相對于固體具有流動性，能承受壓力與剪力，但只能承受很小的拉力。散粒體相對于液體具有在一定范圍內(nèi)保持其堆積形狀的能力，但向各個方向傳遞的壓強(qiáng)不相等，因此，散粒體是不同于固體和液體的一種散粒介質(zhì)。

散粒體是由形狀不規(guī)則的固體顆粒組成，顆粒與顆粒之間具有一定的孔隙率、粘聚力、內(nèi)摩擦力等，稱之為散粒體的物料特性。其中孔隙率就是由于散體顆粒之間具有很多孔隙而產(chǎn)生的，孔隙的體積與整個散體物料層的總體積之比稱為孔隙率；粘聚力是指當(dāng)散體顆粒的接觸面之間存在水分或黏性物質(zhì)時，即使沒有壓力也會使散體具有一定的剛度和抗剪能力；內(nèi)摩擦力是指在散體物料內(nèi)部互相接觸的顆粒發(fā)生相對移動時要克服接觸摩擦力，顆粒之間的摩擦力稱為內(nèi)摩力。

為了進(jìn)一步研究這種散裝物料在受到外力推動作用下的平衡與運(yùn)動，需要借助散體力學(xué)的相關(guān)理論。為了更清晰地觀察散粒體在刮板推動下的運(yùn)動及分布，借助三維仿真軟件模擬刮板推移煤料的過程。以槽寬1 000 mm的刮板輸送機(jī)為研究對象，假設(shè)刮板輸送機(jī)鏈速為1.4 m/s，采煤機(jī)剛采過一刀煤，此時中部槽內(nèi)堆積了煤料，簡化后建立的仿真模型如圖5所示。

圖5 刮板輸送機(jī)運(yùn)煤仿真模型

仿真模型中涉及到3種材料，即鋼、煤還有矸石，它們的材料屬性如表1所示。

表1 鋼、煤和矸石的材料屬性

煤矸石散料在刮板輸送機(jī)中部槽上輸送時，還存在著5種接觸，即煤與煤的接觸、煤與中部槽(鋼)的接觸、矸石與煤的接觸、矸石與矸石的接觸和矸石與中部槽的接觸。本文設(shè)置煤與煤、煤與矸石、矸石與矸石之間的接觸模型為Hertz-Mindlin(no slip)模型，該模型是在Mindlin所取得的研究成果基礎(chǔ)上建立的，其在計算顆粒之間的接觸與碰撞方面準(zhǔn)確并且高效；煤、矸石與中部槽的接觸模型為Hertz-Mindlin with Archard Wear模型。選定了煤顆粒之間以及煤顆粒與刮板輸送機(jī)之間的接觸模型之后，還需設(shè)置它們的接觸屬性參數(shù)，查閱相關(guān)資料得到的接觸屬性參數(shù)如表2所示。

表2 接觸屬性參數(shù)

根據(jù)實際情況，煤從煤壁上采下后會有不同的粒度，為了使模擬更切合實際工況，這里假設(shè)小塊煤(粒徑13 mm～25 mm)占15%、中塊煤(粒徑25 mm～50 mm)35%、大塊煤(粒徑50 mm～100 mm)占35%、特大塊煤(粒徑≥100 mm)占15%。

3 仿真結(jié)果分析

利用建立的仿真模型分析不同刮板間距下物料的運(yùn)輸情況。槽寬為1 000 mm的刮板輸送機(jī)通常采用Φ42×146的鏈條，這里分別對每6環(huán)設(shè)置一個刮板(刮板間距為876 mm)、每8環(huán)設(shè)置一個刮板(刮板間距為1 168 mm)以及每10環(huán)設(shè)置一個刮板(刮板間距為1 460 mm)的情況進(jìn)行研究，研究不同刮板間距下通過某一固定截面的過煤量，仿真結(jié)果如圖6～圖8所示。

圖6 刮板間距為876 mm的過煤量 圖7 刮板間距為1 168 mm的過煤量 圖8 刮板間距為1 460 mm的過煤量

從圖6～圖8的仿真結(jié)果中可以看出：刮板間距越小，固定截面的過煤量就越大，并且在相同時間內(nèi)，截面過煤量出現(xiàn)峰值的頻次也越高。

進(jìn)一步對不同刮板間距下的運(yùn)輸效率進(jìn)行研究，假設(shè)刮板輸送機(jī)中部槽上的煤量固定，研究不同刮板間距下運(yùn)出相同煤量所需的時間，仿真結(jié)果如圖9所示。

圖9 不同刮板間距下的運(yùn)煤效率

從圖9可以看出：當(dāng)刮板間距為876 mm時運(yùn)送出2 000 kg的煤需要約3.4 s，當(dāng)刮板間距為1 168 mm時運(yùn)送出2 000 kg的煤需要約3.7 s，當(dāng)刮板間距為1 460 mm時運(yùn)送出2 000 kg的煤需要約4.1 s；如果輸送機(jī)一直保持該狀態(tài)下運(yùn)行，那么當(dāng)刮板間距為876 mm時，其運(yùn)量約為2 150 t/h,當(dāng)刮板間距為1 168 mm時，其運(yùn)量約為1 945 t/h,當(dāng)刮板間距為1 460 mm時，其運(yùn)量約為1 755 t/h。

4 結(jié)論

本文主要研究了不同刮板間距對刮板輸送機(jī)運(yùn)量的影響，通過分析刮板推動煤料的受力情況可知，輸送機(jī)推動煤料時施加的力不能大于煤的抗推力；另外，通過有限元分析得到：當(dāng)刮板間距為1 460 mm時，其運(yùn)量約為1 755 t/h；當(dāng)刮板間距減小到1 168 mm時，其運(yùn)量約為1 945 t/h，相比刮板間距為1 460 mm運(yùn)量增加了約11%；當(dāng)刮板間距減小到876 mm時，其運(yùn)量約為2 150 t/h，相比刮板間距為1 168 mm運(yùn)量增加了約10%。由此可知，當(dāng)刮板間距縮小時對運(yùn)量有提升，但是在實際設(shè)計時，需要考慮物料粒度、運(yùn)輸傾角等因素從而合理地增加刮板間距，節(jié)約刮板用量，達(dá)到經(jīng)濟(jì)合理的目的。