摘 要：本文介紹了鏈條張緊型式的選擇方法，以某項(xiàng)目為例，通過計(jì)算鏈條的張緊力來選擇合適的張緊油缸，計(jì)算了不同角度對應(yīng)的壓力值。同時(shí)采用牛頓迭代法確定懸鏈系數(shù)，并求解懸鏈曲線，計(jì)算了不同角度對應(yīng)的鏈長。分析了在工程使用中鏈條張緊系統(tǒng)設(shè)備運(yùn)行不暢的原因，采用角度與壓力匹配法調(diào)整鏈條張緊系統(tǒng)的鏈條張力，解決了現(xiàn)場實(shí)際問題。提出采用角度與行程匹配法調(diào)整鏈條張緊的新型刮板取料機(jī)鏈條張緊系統(tǒng)方案，不同角度對應(yīng)的張緊行程和張緊力的準(zhǔn)確性會(huì)直接影響設(shè)備的工作狀態(tài)和運(yùn)行穩(wěn)定性。

關(guān)鍵詞：翹尾式；刮板取料機(jī)；懸鏈曲線；新型鏈條張緊系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：TH 227" " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

刮板取料機(jī)具有占地小、儲(chǔ)量大、產(chǎn)能大、全封閉、自動(dòng)化程度高、生產(chǎn)工藝靈活、維護(hù)成本低以及可實(shí)現(xiàn)無人職守等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于鋼鐵、水泥、煤炭、電力和化工等行業(yè)，并逐步擴(kuò)展到造紙、倉儲(chǔ)和港口等行業(yè)。根據(jù)地面皮帶布置，刮板取料機(jī)可分為水平式、傾斜式和翹尾式3種結(jié)構(gòu)，與其他2種結(jié)構(gòu)相比，翹尾式土建成本較低，受到業(yè)主青睞，是長型料場首選設(shè)備之一。

在翹尾式半門刮板取料機(jī)中，鏈條是傳遞力的主要部件，鏈條張緊狀態(tài)直接影響設(shè)備的工作狀態(tài)和運(yùn)行穩(wěn)定性。為防止鏈條松弛或過緊導(dǎo)致的運(yùn)行不暢問題，鏈條張緊系統(tǒng)的技術(shù)研究至關(guān)重要。

1 鏈條張緊型式的選擇

鏈條張緊包括2種結(jié)構(gòu)形式，分別為手動(dòng)液壓張緊和自動(dòng)液壓張緊。手動(dòng)液壓張緊采用手動(dòng)調(diào)整鏈條松緊，調(diào)整一次后可長期使用，適用于非翹尾式半門刮板取料機(jī)。自動(dòng)液壓張緊由液壓系統(tǒng)控制液壓缸的伸縮，可以根據(jù)設(shè)備需要，實(shí)時(shí)測量鏈條張緊度，始終保持鏈條張緊狀態(tài)在適當(dāng)范圍內(nèi)。與手動(dòng)張緊方式相比，自動(dòng)液壓張緊方式具有調(diào)整精度高的優(yōu)點(diǎn)。

2 鏈條張緊系統(tǒng)的技術(shù)研究

翹尾式半門刮板取料機(jī)常規(guī)刮取煤、礦石等重型物料，物料安息角38°、刮板鏈上仰最大角度39°即可滿足取料工藝要求，采用調(diào)整鏈接數(shù)或調(diào)整鏈輪中心距的方法即可使刮板懸臂在0°～39°俯仰過程中鏈條長度相等，張緊系統(tǒng)僅考慮臂架上仰、下俯時(shí)的張緊力即可。

某紙業(yè)有限公司制漿項(xiàng)目條形木片料場將翹尾式半門刮板取料機(jī)（如圖1所示）作為取料設(shè)備，軌距43m，取料能力500m3/h，屬較大型半門式刮板取料機(jī)。該項(xiàng)目物料安息角為45°，刮板鏈上仰最大角度為46°。

該項(xiàng)目中的鏈條自動(dòng)液壓張緊系統(tǒng)在設(shè)備調(diào)試過程中出現(xiàn)飄鏈、拖鏈現(xiàn)象，下文將詳細(xì)描述鏈條自動(dòng)液壓張緊系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、問題分析和整改措施，并開發(fā)新型鏈條張緊系統(tǒng)。

2.1 液壓張緊系統(tǒng)設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)布置時(shí)，由于刮板鏈上仰角度為0°～46°，在確保鏈條不飄鏈的狀態(tài)下，調(diào)整刮板鏈改向鏈輪的位置、高度和各鏈輪間的距離，但均無法將行程差調(diào)整成鏈條節(jié)距的整數(shù)倍，也無法將0°～46°鏈條長度調(diào)整至相等狀態(tài)，因此決定采用液壓自動(dòng)張緊系統(tǒng)。

2.1.1 鏈條張緊液壓系統(tǒng)工作原理

刮板與鏈條通過螺栓栓接一體，鏈條與鏈輪相嚙合，由鏈條驅(qū)動(dòng)裝置驅(qū)動(dòng)并繞鏈輪旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)刮板實(shí)現(xiàn)物料刮取。為了保障刮板鏈系統(tǒng)能安全運(yùn)轉(zhuǎn)，不受刮板鏈條彈性伸長、塑性變形和磨損的影響，避免鏈條在張力最小的地方松弛集聚而掉鏈、跳鏈，設(shè)置鏈條張緊系統(tǒng)以調(diào)整鏈條張力（如圖2所示）。

2.1.2 鏈條張緊力計(jì)算

鏈條張緊力在輸送機(jī)運(yùn)行過程中呈線性分布，鏈條張緊力F張由初張力F0和不同工況的負(fù)載力F負(fù)組成[1]。

2.1.2.1 鏈條初張力F0

鏈條初張力根據(jù)經(jīng)驗(yàn)采用1.3倍刮板總阻力。刮板總阻力F總阻力是刮板輸送物料過程中要克服的包括摩擦阻力在內(nèi)的所有阻力之和，由4個(gè)部分組成。F1為刮板切削阻力，F(xiàn)2為物料沿刮板方向摩擦阻力，F(xiàn)3為刮板鏈摩擦阻力，F(xiàn)4為物料抬升阻力，。

2.1.2.2 刮板切削阻力F1

刮板切削阻力F1是刮板插入深度h、與物料接觸的刮板數(shù)量n和單位厘米內(nèi)刮板的切削阻力F單的乘積。

2.1.2.3 物料沿刮板方向摩擦阻力F2

物料沿刮板方向摩擦阻力為刮板刮取物料質(zhì)量G物與摩擦阻力系數(shù)f的乘積。

（1）

式中：Q為取料能力；L為刮板間距；v為刮板鏈速；n為刮板數(shù)量；k為平均系數(shù)。

2.1.2.4 刮板鏈摩擦阻力F3

刮板鏈摩擦阻力是隨鏈條一起轉(zhuǎn)動(dòng)的各零件與軌道產(chǎn)生摩擦力的總和。

（2）

式中：G刮+鏈+導(dǎo)輪為隨鏈條一起在軌道上轉(zhuǎn)動(dòng)部件的質(zhì)量總和；R為鏈條滾輪半徑；r為滑套半徑；f為摩擦系數(shù)；k為平均滾動(dòng)摩擦力臂。

2.1.2.5 物料抬升阻力F4

物料抬升阻力是通過刮板抬升物料所產(chǎn)生的力，如公式（3）所示。

（3）

式中：α為物料抬升角度。

2.1.2.6 不同工況下負(fù)載力F負(fù)

由于負(fù)載隨刮板鏈角度的變化而變化，因此負(fù)載力與刮板鏈俯仰角度成比例，如公式（4）所示。

F負(fù)=（G刮+鏈+導(dǎo)輪-G物）·sinθ （4）

式中：θ為刮板鏈俯仰角度。

2.1.3 張緊油缸選型

初選張緊油缸活塞直徑?160mm，各工況下油缸張緊力對應(yīng)油缸壓力如公式（5）所示。

（5）

根據(jù)計(jì)算所得，鏈條張緊力為懸臂鏈上仰最大至46°，油缸所需工作壓力為12MPa，因此油缸工作壓力等級(jí)選擇16MPa，系統(tǒng)壓力等級(jí)選擇25MPa。

計(jì)算得出的刮板鏈不同角度時(shí)鏈條張緊力和油缸工作壓力見表1，現(xiàn)場可根據(jù)理論數(shù)據(jù)微調(diào)，確保刮板鏈在各工況下均滿足實(shí)際使用要求。

2.2 鏈條張緊系統(tǒng)問題分析

在現(xiàn)場調(diào)試過程中，設(shè)備反饋刮板鏈處于低角度時(shí)會(huì)飄鏈（如圖3所示），刮板鏈處于高角度狀態(tài)下停機(jī)時(shí)會(huì)脫鏈（如圖4所示），造成鏈條與設(shè)備本體刮碰，并在刮板鏈運(yùn)轉(zhuǎn)過程中異常響動(dòng)和振動(dòng)。

2.2.1 原因分析

刮板鏈出現(xiàn)的飄鏈、脫鏈現(xiàn)象與鏈條張緊密切相關(guān)，現(xiàn)場實(shí)際情況如下所示。1）刮板與傾斜導(dǎo)槽高差較小，鏈條張力設(shè)定值不合理時(shí)容易刮碰。2）鏈條張緊型式選擇手動(dòng)泵控制，刮板鏈處于高點(diǎn)后調(diào)整困難。3）油缸介質(zhì)采用2號(hào)鋰基脂，油脂過于黏稠，加壓較慢。4）張緊力控制系統(tǒng)未考慮刮板鏈俯仰過程中鏈傳動(dòng)部件重力作用產(chǎn)生的張緊力變化差異大，而將張緊力設(shè)定為某一定值。5）角度與壓力值匹配計(jì)算不準(zhǔn)確。

2.2.2 不同角度對應(yīng)的張緊行程計(jì)算

可采用牛頓迭代法確定懸鏈系數(shù)，求解懸鏈曲線。為了確保刮板取料系統(tǒng)正常工作，必須保證刮板鏈條松弛量在不同俯仰狀態(tài)下在一定范圍內(nèi)，因此本文對刮板鏈條松弛量進(jìn)行了研究。

在現(xiàn)實(shí)與理論中存在各種各樣的曲線，懸鏈線便是其中之一，懸鏈線（Catenary）是兩端固定的一條（粗細(xì)與質(zhì)量分布）均勻、柔軟（不能伸長）的鏈條在重力作用下所形成的曲線形狀。根據(jù)懸鏈線的定義可知鏈條與改向鏈輪分離點(diǎn)處發(fā)生的松弛曲線就是懸鏈曲線。

建立直角坐標(biāo)系，通過原點(diǎn)（0，0）的懸鏈曲線方程如公式（6）所示。

（6）

式中：k為懸鏈系數(shù)。

對于特定的懸鏈曲線，k為常數(shù)。懸鏈曲線的線型不同，懸鏈系數(shù)也不同。

以k=50為例，懸鏈曲線如圖5所示。

懸鏈曲線的線長可采用弧長積分法進(jìn)行計(jì)算，懸鏈曲線線長表達(dá)式可通過公式（6）進(jìn)行推導(dǎo)，推導(dǎo)后如公式（7）所示。

（7）

翹尾式刮板取料系統(tǒng)的各鏈輪組間的位置關(guān)系如圖6所示。圖6中O為拉升軌道的端點(diǎn)，并將其作為坐標(biāo)原點(diǎn)。驅(qū)動(dòng)輪與改向輪位置固定，張緊輪繞改向輪中心C進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。在水平位置，鏈條曲線為CD段，進(jìn)行上仰時(shí)，鏈條曲線為CD'段，鏈條曲線長度根據(jù)俯仰角度的變化而變化。

將驅(qū)動(dòng)輪與改向輪間的拉升軌道的端點(diǎn)作為坐標(biāo)原點(diǎn)O，將此端點(diǎn)與改向輪的中心C點(diǎn)的連線作為X軸、將垂直于OC段（長度為m）并通過此端點(diǎn)的射線作為Y軸建立直角坐標(biāo)系，D點(diǎn)為軌道水平時(shí)的端點(diǎn)，D'為軌道俯仰至θ的端點(diǎn)，α為CD段和X軸的夾角。OD、OD'段的鏈條可看作懸鏈曲線，如圖7所示。

OD段懸鏈曲線和鏈長方程分別如公式（8）、公式（9）所示。

（8）

（9）

OD'段懸鏈曲線和鏈長方程分別如公式（10）、公式（11）所示。

（10）

（11）

公式（8）懸鏈曲線通過O（0，0）與D（xd，yd）2點(diǎn)，公式（10）懸鏈曲線通過O（0.0）與D'（xd'，yd'）2點(diǎn)，因此公式（8）～公式（11）中的懸鏈系數(shù)不同。

確定刮板取料系統(tǒng)布置方案后，以上各點(diǎn)的位置即已確定，本文以如公式（12）所示的坐標(biāo)研究不同角度下的懸鏈曲線。

LCD=r

LOC=m

xd=m+rcosα

yd=r+rsinα

x'd=m+rcos（α+θ）

y'd=rsin（α+θ） （12）

由公式（12）易得D點(diǎn)和D'點(diǎn)的坐標(biāo)。

根據(jù)公式（6）～公式（11）可知，懸鏈曲線的方程和線長的求解都需要先求解懸鏈系數(shù)k?？刹捎玫ㄟM(jìn)行方程式求根，以確定懸鏈系數(shù)k，迭代格式如公式（13）所示。

（13）

式中：xn為f（x）的一個(gè)接近根S的實(shí)根；F（xn）'為xn點(diǎn)的一階導(dǎo)數(shù)。

對于刮板輸送系統(tǒng)的鏈條變化，建立如圖3所示的直角坐標(biāo)系，不同角度的鏈條曲線通過不同的D點(diǎn)和D'點(diǎn)。對于特定的刮板輸送系統(tǒng)，如公式（12）所示，可精確求得D點(diǎn)和D'點(diǎn)的坐標(biāo)值。將D點(diǎn)和坐標(biāo)分別代入公式（8），可得公式（14）。

（14）

為了求解懸鏈系數(shù)k1，將公式（14）稍作變換，將k1作為自變量，可得公式（15）。

（15）

對公式（15）采用牛頓迭代法迭代，可得實(shí)根k×1。將k×1代入公式（9）即可計(jì)算出LOD的鏈長。同理，可以采用牛頓迭代法計(jì)算出不同俯仰角度θ下不同的懸鏈系數(shù)k·θ，將k·θ代入公式（11）即可計(jì)算出不同角度θ下的鏈長LOD'。懸鏈系數(shù)k與鏈長變化量、壓力值的對應(yīng)關(guān)系見表2。

3 新型刮板取料機(jī)鏈條張緊系統(tǒng)

基于懸鏈線和牛頓迭代法的刮板輸送系統(tǒng)鏈長變化量[2]可以計(jì)算出不同俯仰角度的懸鏈系數(shù)和鏈長，新型鏈條自動(dòng)液壓張緊系統(tǒng)可采用角度與行程匹配法（如圖8所示）進(jìn)行調(diào)節(jié)，并采用角度與壓力值法進(jìn)行系統(tǒng)保護(hù)設(shè)定，確保系統(tǒng)運(yùn)行安全、可靠。

油缸的位置由懸臂角度決定，懸臂的角度為0°～45°，油缸的位移為Amm～Bmm（此項(xiàng)目A≥0m，B≤550m），A表示懸臂角度為0°，鏈條在張緊狀態(tài)下油缸的位置。懸臂上升時(shí)，油缸伸出；懸臂下降時(shí)，油缸縮回。將懸臂升降0°～45°分成9個(gè)區(qū)域（10個(gè)點(diǎn)），每個(gè)區(qū)域約4°，如F1=0°、F2=10°、……、F10=45°。油缸行程A～B對應(yīng)分成9個(gè)區(qū)（10個(gè)點(diǎn)），分別以L1、L2、……、L3表示。

懸臂升降，刮板轉(zhuǎn)動(dòng)的條件是Fa=Fb（a、b為區(qū)間），即懸臂角度和行程要在同一區(qū)間，如果不在同一區(qū)間，液壓電機(jī)啟動(dòng)，油缸活塞相應(yīng)縮回或伸出，確保油缸位置與角度一致。

取料機(jī)換堆時(shí)，懸臂升至最高點(diǎn)，當(dāng)Fa=Fb時(shí)懸臂上升，液壓電機(jī)啟動(dòng)，油缸開始伸出，懸臂從任何高度Fx升至最大角度45°，其中1≤x≤10。Fx不是整數(shù)時(shí)，需要滿足下述條件。1）懸臂上升時(shí)，刮板禁止轉(zhuǎn)動(dòng)。2）刮板鏈上升時(shí)，大于x點(diǎn)處，下一個(gè)整數(shù)點(diǎn)通過壓力傳感器檢測油缸的壓力。例如Fx≤F3時(shí)，F(xiàn)4檢測壓力，如果壓力小于壓力傳感器設(shè)定的最高壓力，懸臂上升停止，油缸伸出至壓力設(shè)定值，懸臂開始繼續(xù)上升。要求在懸臂上升狀態(tài)下，鏈條始終處在最大張力狀態(tài)且油缸伸縮速度比懸臂上仰速度快。此時(shí)油缸的位置參數(shù)Lb不參與控制，但在F10時(shí)保證油缸在L10。

Fa=Fb時(shí)，允許刮板轉(zhuǎn)動(dòng)，在轉(zhuǎn)動(dòng)過程中，在油缸的彈性作用下，Lb有變化，只要a-1lt;blt;a+1，均可認(rèn)為張力正常。

懸臂下降，液壓電機(jī)啟動(dòng)延時(shí)1s，電磁閥a得電，油缸下降，此時(shí)油缸伸縮速度比懸臂下降速度慢。在懸臂0°位置，油缸張力低于最小值時(shí)油缸張緊。需要增加角度與壓力值保護(hù)，即懸臂角度為0°～15°時(shí)，將液壓系統(tǒng)壓力設(shè)置為4MPa～8MPa。低于5MPa或高于8MPa時(shí)，設(shè)備停機(jī)報(bào)警；懸臂角度為15°～30°時(shí)，將液壓系統(tǒng)壓力設(shè)置為6MPa～10MPa，低于6MPa或高于10MPa，設(shè)備停機(jī)報(bào)警；懸臂角度為35°～40°時(shí)，將液壓系統(tǒng)壓力設(shè)置為10MPa～14MPa，低于10MPa或高于14MPa時(shí)，設(shè)備停機(jī)報(bào)警。

綜上所述，新型鏈條自動(dòng)液壓張緊系統(tǒng)采用角度與行程匹配法，可有效解決因設(shè)備角度變化導(dǎo)致懸線長度變化，進(jìn)而造成設(shè)備運(yùn)行不穩(wěn)定的問題，同時(shí)增加壓力保護(hù)，保障設(shè)備安全、可靠運(yùn)行。

4 結(jié)論

本文介紹了刮板輸送系統(tǒng)中液壓張緊系統(tǒng)的常規(guī)設(shè)計(jì)方法，分析了在工程使用中鏈條張緊系統(tǒng)設(shè)備運(yùn)行不暢的原因。采用角度與壓力匹配法調(diào)整鏈條張緊系統(tǒng)的鏈條張力，解決了現(xiàn)場實(shí)際問題。驗(yàn)證了鏈條的懸鏈曲線線型，使用弧長積分方法計(jì)算鏈條長度的通用公式，用牛頓迭代法理論求解懸鏈曲線方程的懸鏈系數(shù)，并開發(fā)了一種新型刮板取料機(jī)鏈條張緊系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用角度與行程匹配法，有效解決了因設(shè)備角度變化導(dǎo)致懸線長度變化，進(jìn)而造成設(shè)備運(yùn)行不穩(wěn)定的問題，同時(shí)增加壓力保護(hù)，保障設(shè)備安全、可靠運(yùn)行。

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