高 勇 劉紅力 李大慶 張 強 王增暉

1 北方重工集團有限公司 沈陽 110000 2 北京起重運輸機械設(shè)計研究院有限公司 北京 100007

0 引言

門式刮板取料機作為一種大宗散狀物料連續(xù)裝卸設(shè)備，廣泛應(yīng)用于港口、電力、建材、冶金、礦山、煤炭等國民經(jīng)濟行業(yè)，具有費用低廉、處理量大、維修簡便等顯著特點。隨著國民經(jīng)濟的迅猛發(fā)展，對散狀物料的預(yù)處理提出了新的要求，即料場跨距逐漸加大、運量逐漸增大、自動化程度要求提高，同時提出無公害環(huán)保堆取散狀物料。

門式刮板取料機在國內(nèi)的應(yīng)用起步相對較晚，從最初跨距約20 m 逐漸增大[1]，2000年后開始廣泛在電廠等行業(yè)應(yīng)用，常規(guī)跨距范圍30～54 m，但一直未超過60 m[2]。

隨著技術(shù)發(fā)展和市場需求，門式刮板取料機技術(shù)逐漸向大跨度、大取料量方向發(fā)展。而由于大跨距門式刮板取料機的自身結(jié)構(gòu)問題，有門架變形大、物料存在刮取盲區(qū)、殘余料堆大等特點同時易發(fā)生啃軌等現(xiàn)象[3]；同時由于環(huán)保等要求的提高，設(shè)備需在棚內(nèi)運行，以及煤炭等倉儲料場特有的防爆要求等，都極大地限制了門式刮板取料機向大型化、智能化、低能耗、高環(huán)保等要求的發(fā)展。因此，研制具有自主知識產(chǎn)權(quán)、大型化、智能化、低能耗、高環(huán)保的門式刮板取料機技術(shù)已成為國內(nèi)外高端裝備行業(yè)的主要目標。

為拓展門式刮板取料機產(chǎn)品應(yīng)用領(lǐng)域，突破大跨度、大運量、滿足防爆門式刮板取料機的技術(shù)限制，本文研制了65m大跨距防爆多機共軌的智能化全封閉煤料場門式刮板取料機。

1 設(shè)計研究內(nèi)容分析

某堆取料機項目65m大跨距防爆多機共軌的智能化全封閉煤料場門式刮板取料機，單機軌距65 m，主刮板鏈速0.7 m/s，副刮板鏈速0.6 m/s，取料量700 t/h。設(shè)備跨度大，門架變形大，易發(fā)生啃軌，剛度、強度要求均較以往設(shè)備高出許多；設(shè)備用于全封閉的煤料場，要求所有電器元件必須滿足防爆要求；為了應(yīng)對用戶不同煤質(zhì)的取料工藝需求，門式刮板取料機需要與另一臺橋式刮板取料機對應(yīng)共軌作業(yè)在同一條帶式輸送機上，2 種不同取料工藝、不同結(jié)構(gòu)形式的設(shè)備共軌對較以往的2 相同設(shè)備共軌提出了新的要求；設(shè)備要求達到智能化無人值守的功能等。

對比國內(nèi)外門式刮板取料機制造商類似產(chǎn)品業(yè)績與參數(shù)如表1所示。

表1 國內(nèi)外門式刮板取料機參數(shù)

比較分析結(jié)果，可知示例門式刮板取料機相較于其他2 家國外企業(yè)的產(chǎn)品，軌道跨距略大，取相同物料能力相近，刮板運行速度略快，總拉力小，獨立運行。設(shè)備布置時可采用多機共軌布置，車輪組數(shù)量少，降低土建費用。該機整機防爆，可應(yīng)用于更加嚴酷環(huán)境。同時采用無人值守的控制方式，控制水平更高。

2 技術(shù)方案

2.1 主副刮板取料裝置分體式獨立結(jié)構(gòu)

門式刮板取料機可以裝有1～3 個刮板取料系統(tǒng)[4]，傳統(tǒng)主副刮板為整體式結(jié)構(gòu)，主副刮板始終處于門架的下方和料堆的上方，在料場高度方向超過料堆，但沒有超出門架高度，懸臂承載能力大，同時主副刮板之間需要保持一定距離來防止干涉問題，該距離需要精準設(shè)計、控制以保證副刮板側(cè)的物料可以順利推送到主刮板側(cè)并被主刮板取走。

傳統(tǒng)的大跨距門式雙刮板取料機中主副刮板取料裝置之間為鉸接結(jié)構(gòu)，懸臂俯仰采用單卷揚機或雙卷揚機。單卷揚機結(jié)構(gòu)為一套卷揚機帶動主副刮板懸臂進行俯仰，副刮板側(cè)設(shè)置導(dǎo)向滑道以控制刮板臂運行軌跡；雙卷揚結(jié)構(gòu)副刮板側(cè)通過增加1 套卷揚機代替滑道。2 套刮板鉸接結(jié)構(gòu)造成副刮板一部分質(zhì)量由主刮板懸臂頭部承擔，另一部分匯質(zhì)量由滑道或副刮板卷揚機承擔。鉸接的主副刮板在懸臂降落到最低點時，需要副刮板頭部位于主刮板刮板鏈上方，以保證副刮板推送的物料能夠被主刮板取走，該結(jié)構(gòu)下副刮板最低位置通常傾斜向上布置，主副刮板間形成一定的料堆死區(qū)。

二者相比單卷揚結(jié)構(gòu)相對結(jié)構(gòu)簡單，門架需要承載能力大，卷揚機負荷大，驅(qū)動功率大；雙卷揚結(jié)構(gòu)門架所需承載能力相對較小，雙卷揚機單個功率較小，總功率較單卷揚機大。單卷揚結(jié)構(gòu)采用一套驅(qū)動，控制較為簡單，雙卷揚結(jié)構(gòu)副刮板運行時需要保證與主刮板的協(xié)同作業(yè)，控制較為復(fù)雜。

上述2 種方案的門式刮板取料機工作時，無論刮板是否刮取物料均需2 套刮板同時運行。而在設(shè)備取料的初期的相當長一段時期內(nèi)，僅依靠主刮板取料工作即可，并不需要副刮板動作，所以副刮板的運行直接造成設(shè)備的能耗很高，且很大部分是在做無用功。

為有效降低工作能耗，本機提出了主副刮板分開，2 套刮板系統(tǒng)各帶獨立卷揚機結(jié)構(gòu)的全新結(jié)構(gòu)方案，如圖1所示。以達到設(shè)備運行損耗低、結(jié)構(gòu)可靠的目的。65m大跨距防爆多機共軌的智能化全封閉煤料場門式刮板取料機，主刮板工作時，副刮板驅(qū)動及副刮板卷揚機可以不工作。經(jīng)測算，副刮板可以在運行周期的1/4～1/3 時間內(nèi)不工作，極大降低設(shè)備能耗。

圖1 65 m 軌道跨距門架式刮板取料機主副刮板取料裝置示意圖

主副刮板系統(tǒng)分開，主刮板懸臂不再承擔部分副刮板質(zhì)量，鋼結(jié)構(gòu)截面可以有效減小，降低主刮板系統(tǒng)整體質(zhì)量，進而降低卷揚機載荷，主卷揚機可以降低裝機功率，從而進一步減小設(shè)備運行損耗。主刮板的質(zhì)量減輕和卷揚機載荷的減小還可以減小刮板驅(qū)動減速器速比，進而降低減速器規(guī)格。該方案的實施降低了設(shè)備的制造成本。同時，主副刮板系統(tǒng)分開布置，雙卷揚機的提升力可以讓門架的受力點更加分散，副刮板系統(tǒng)的固定鉸接點位于擺動端梁側(cè)門架擺動端梁根部，可以更好地承受副刮板系統(tǒng)所受側(cè)向載荷，該受力點靠近擺動端梁的軌道，對于軌道基礎(chǔ)承受的側(cè)向載荷更小，土建成本亦大大降低。

主副刮板分開，2 套設(shè)備獨立運行，可以降低設(shè)備控制的復(fù)雜性，將副刮板與主刮板的控制分離開來，簡化工藝流程。

2.2 主動連桿式平衡導(dǎo)向機構(gòu)

大跨距門式刮板取料機的副刮板側(cè)行走端梁較高，門架下方與副刮板距離較遠，副刮板在工作時需要刮取最底層物料，不工作時需要高于料堆截面，保證不與物料干涉。

針對此問題，開發(fā)了以連桿為主動部件的平衡導(dǎo)向機構(gòu)技術(shù)，平衡導(dǎo)向機構(gòu)如圖2所示。該技術(shù)可實現(xiàn)智能全封閉煤料場門式刮板取料機，在65m大跨距防爆多機共軌條件下，最低能耗、全自動取料與智能化控制。以連桿為主動部件的平衡導(dǎo)向機構(gòu)將原有副刮板取料系統(tǒng)的滑動導(dǎo)向優(yōu)化為固定鉸點的浮動導(dǎo)向，解決了滑動導(dǎo)向?qū)﹂T架和導(dǎo)向架的制造和安裝精度要求高，使用過程中定期檢查導(dǎo)向架和滑道的磨損和變形等問題。

圖2 65 m 軌道跨距門架式刮板取料機平衡導(dǎo)向機構(gòu)示意圖

該技術(shù)可以保證副刮板不工作時與料堆脫離接觸，工作時可以連續(xù)刮取物料，直到刮板系統(tǒng)達到料堆底部，將遠離主刮板的物料全部取走。

該方案可以將副刮板布置于門架正下方，以降低和解決刮板位于門架一側(cè)產(chǎn)生的偏載問題，從而降低行走驅(qū)動負荷。同時副刮板的推料范圍可以進入主刮板側(cè)，保證設(shè)備在取料過程中不會發(fā)生退料現(xiàn)象。同時可以解決主副刮板間無法處理的料堆死區(qū)問題。

2.3 大跨距門式刮板取料機門架結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計技術(shù)

門架是設(shè)備主要組成部分之一，總延伸長度為80 m，其自身質(zhì)量占整機質(zhì)量的30%，但需要承受全機設(shè)備80%的自重載荷，故門架的優(yōu)化設(shè)計是保證設(shè)備運行穩(wěn)定可靠的關(guān)鍵要素。由于設(shè)備跨距大，門架變形控制需要兼顧考慮。

門架展開長度為80 m，截面高度大于4 m，整體截面寬度大于2 m，局部大于3 m，為滿足長途運輸中陸路及海路的多次轉(zhuǎn)運，門架須進行分體發(fā)運。由于主梁單體部件較大、質(zhì)量重，在進行分體制造過程中需要解決結(jié)構(gòu)性變形及焊接變形問題。同時，門式刮板取料機在運行過程中，取料角度在0°～38°范圍內(nèi)，由于取料臂架所處料堆的取料位置不同、料堆高度不同、取料臂架接觸物料的長度不同、物料在不同角度范圍內(nèi)流動性不同、取料每層取料臂架下降高度不同等因素，導(dǎo)致取料機在一個完整作業(yè)流程中，門架各部位載荷始終處于變化狀態(tài)。多個取料流程中，門架各部位載荷始終處于交變狀態(tài)，極易產(chǎn)生結(jié)構(gòu)性疲勞，造成整體變形、鉸點開裂、結(jié)構(gòu)失效等不利情況。

針對此問題，提出了一種應(yīng)力應(yīng)變疊加的分析方法來計算門架的強度、剛度，在設(shè)計過程中，將刮板系統(tǒng)、卷揚機構(gòu)進行組合分析，對10 余種設(shè)計工況進行初步預(yù)分析，借助有限元采用強度和剛度的目標函數(shù)進行分析（見圖3），確保門架結(jié)構(gòu)的合理性。同時優(yōu)化分析門架內(nèi)部結(jié)構(gòu)，最大限度減小主梁自重，減少鋼材使用量，從而得到最優(yōu)化的門架結(jié)構(gòu)。

圖3 門架有限元分析

2.4 多機共軌堆取料機智能化控制系統(tǒng)

本文所述料場為全封閉的煤料場，要求全部電器元件均需符合防爆要求；門式刮板取料機需要與橋式刮板取料機根據(jù)工藝安排需要共軌，對應(yīng)同一條帶式輸送機，并達到無人值守的功能。

針對此問題，首先整合所有外配套電氣控制部分，設(shè)計完成所有控制系統(tǒng)；然后在常規(guī)檢測的基礎(chǔ)上增加了設(shè)備精準定位技術(shù)如格雷母線定位技術(shù)、RFID 定位技術(shù)、雷達檢測防碰撞技術(shù)、紅外攝像檢測等，提高檢測手段。利用點云建模技術(shù)還原現(xiàn)場料堆及堆取料機的三維圖形，并可隨現(xiàn)場堆取料機工作實施改變圖像，實現(xiàn)數(shù)字孿生。通過掃描儀對帶式輸送機上的物料進行掃描并計算出單位時間的堆取料量，可對堆取料機運行效率及工作量進行統(tǒng)計分析。通過掃描儀對料場料堆進行三維掃描，計算出料場物料的堆形和儲量，可對三維料堆進行旋轉(zhuǎn)、剖切、測量等操作，通過自動存儲的料堆信息，用戶可得知目前所選料堆的實際狀態(tài)，并可通過仿真計算推算出所需堆取時間。

其次采用微正壓防爆電氣房解決取料機配電室的防爆問題，取料機各配套設(shè)備的控制系統(tǒng)全部由主機控制系統(tǒng)集成至電氣房內(nèi)，滿足現(xiàn)場所需元件防爆要求。采用拖鏈代替電纜卷筒滿足整機供電防爆要求，同時為電氣房所需的場外新風系統(tǒng)提供清潔的氣源，為取料機抑塵系統(tǒng)提供所需水源，實現(xiàn)機上連續(xù)供水、供氣。最后利用現(xiàn)有開發(fā)的無人值守智能平臺技術(shù)及多機共軌技術(shù)，對共軌設(shè)備的各種工況進行預(yù)設(shè)，使其具有自我判斷能力，實現(xiàn)對取料機的智能化控制。

3 結(jié)語

65m大跨距防爆多機共軌的智能化全封閉煤料場門式刮板取料機，解決了根據(jù)工作需求獨立實施驅(qū)動控制，實現(xiàn)了無盲區(qū)取料作業(yè)，節(jié)能效果顯著。實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，滿足造紙、電力、冶金等領(lǐng)域散料裝卸工程需求，極大地提高市場競爭力。將綠色、節(jié)能的設(shè)計理念應(yīng)用到門式刮板機的設(shè)計中，開發(fā)出一套大跨距門式刮板取料機門架結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計技術(shù)，實現(xiàn)了門架強度、剛度和變形量的最佳匹配及門架輕量化。