刮板輸送機刮板間距研究

汪 濤

(寧夏天地奔牛實業集團有限公司，寧夏 石嘴山 750001)

0 引言

我國的煤炭開采多以井工開采為主，在煤炭生產過程中，提高采煤機、液壓支架、刮板輸送機等各重要采煤設備的效率，可以有效地降低煤炭生產的成本，這在我國能源戰略中具有重要意義。而刮板輸送機作為綜采工作面的關鍵設備之一，它既是煤炭運輸的通道、采煤機的行走軌道，同時又是液壓支架的推移支點，其安全可靠運行是整個綜采工作面實現高效高產的關鍵之一。隨著煤炭開采規模的不斷擴大，對刮板輸送機的槽寬、裝機功率以及鏈條規格等的需求也不斷提高。刮板輸送機是通過刮板及刮板鏈推動物料在中部槽中滑移，從而實現物料的運輸，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備運行阻力及整體重量，但如果刮板間距過大則會影響運輸效率，因此確定合理的刮板間距對于提高輸送機效率、預防設備事故的發生尤為重要。目前已有多位學者針對刮板輸送機的刮板間距進行了研究，2008年，李惟慷分析了刮板推移物料運動過程的受力狀態，并為保證物料穩定運行，以輸送機運行阻力最小為前提推導出刮板最大間距計算公式，同時分析了影響因素等；2019年，陳海江根據刮板輸送機的工作原理詳細分析了煤的抗推力，同時給出了刮板間距的理論計算公式，并分析了輸送機安裝角及槽寬的影響，研究成果可指導刮板輸送機刮板間距的設計，提高刮板輸送機的性能。本文主要研究不同刮板間距對刮板輸送機運量的影響，并利用有限元分析軟件對1 000 mm槽寬的刮板輸運機在刮板間距分別為876 mm、1 168 mm、1 460 mm情況下的運量。

1 刮板間距的計算

刮板輸送機是一種以撓性刮板鏈作為牽引機構的連續輸送機械，其工作原理是將敞開的中部槽作為物料的承載件，刮板鏈作為牽引構件，通過機頭、機尾傳遞的動力帶動刮板鏈推動物料運動，直至機頭部卸載。刮板輸送機中部段示意圖如圖1所示。

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

刮板輸送機是通過刮板埋在煤中推動煤移動而實現輸送過程，當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為輸送機安裝角；θ1、θ2分別為煤平衡狀態的極限角；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狀態，隨著散料層所受的外作用力逐漸增加，當增至某一個極限值時，散料層會沿最小阻力面AB、BD產生滑移，三角煤柱ABC沿AB、BC面滑動前進，而三角煤柱ABD則沿著AB、BD和AD面滑移被舉高，使得原有運輸狀態被破壞，因此為了計算煤柱的最大抗推力，則需要計算此極限應力狀態。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輸狀態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的刮板最大推力F*。

輸送機是由上槽刮板總體施力于被運送的煤，克服其運行阻力，推動刮板鏈同步運行。因此，不允許刮板施力于煤過大，從而產生相對滑動，造成煤與刮板不能同步運行，也就是每個刮板施加的推力F等于兩個刮板間煤的運行阻力f,但不應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

當煤炭被采煤機采落時，其物理狀態可歸類為散粒介質，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保持其堆積形狀的能力，但向各個方向傳遞的壓強不相等，因此，散粒體是不同于固體和液體的一種散粒介質。

散粒體是由形狀不規則的固體顆粒組成，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；粘聚力是指當散體顆粒的接觸面之間存在水分或黏性物質時，即使沒有壓力也會使散體具有一定的剛度和抗剪能力；內摩擦力是指在散體物料內部互相接觸的顆粒發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摩力。

為了進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動，需要借助散體力學的相關理論。為了更清晰地觀察散粒體在刮板推動下的運動及分布，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的刮板輸送機為研究對象，假設刮板輸送機鏈速為1.4 m/s，采煤機剛采過一刀煤，此時中部槽內堆積了煤料，簡化后建立的仿真模型如圖5所示。

圖5 刮板輸送機運煤仿真模型

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上建立的，其在計算顆粒之間的接觸與碰撞方面準確并且高效；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之間的接觸模型之后，還需設置它們的接觸屬性參數，查閱相關資料得到的接觸屬性參數如表2所示。

表2 接觸屬性參數

根據實際情況，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輸情況。槽寬為1 000 mm的刮板輸送機通常采用Φ42×146的鏈條，這里分別對每6環設置一個刮板(刮板間距為876 mm)、每8環設置一個刮板(刮板間距為1 168 mm)以及每10環設置一個刮板(刮板間距為1 460 mm)的情況進行研究，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，截面過煤量出現峰值的頻次也越高。

進一步對不同刮板間距下的運輸效率進行研究，假設刮板輸送機中部槽上的煤量固定，研究不同刮板間距下運出相同煤量所需的時間，仿真結果如圖9所示。

圖9 不同刮板間距下的運煤效率

從圖9可以看出：當刮板間距為876 mm時運送出2 000 kg的煤需要約3.4 s，當刮板間距為1 168 mm時運送出2 000 kg的煤需要約3.7 s，當刮板間距為1 460 mm時運送出2 000 kg的煤需要約4.1 s；如果輸送機一直保持該狀態下運行，那么當刮板間距為876 mm時，其運量約為2 150 t/h,當刮板間距為1 168 mm時，其運量約為1 945 t/h,當刮板間距為1 460 mm時，其運量約為1 755 t/h。

4 結論

本文主要研究了不同刮板間距對刮板輸送機運量的影響，通過分析刮板推動煤料的受力情況可知，輸送機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：當刮板間距為1 460 mm時，其運量約為1 755 t/h；當刮板間距減小到1 168 mm時，其運量約為1 945 t/h，相比刮板間距為1 460 mm運量增加了約11%；當刮板間距減小到876 mm時，其運量約為2 150 t/h，相比刮板間距為1 168 mm運量增加了約10%。由此可知，當刮板間距縮小時對運量有提升，但是在實際設計時，需要考慮物料粒度、運輸傾角等因素從而合理地增加刮板間距，節約刮板用量，達到經濟合理的目的。