帶式輸送機回程空段雙向清掃器研究與設計

趙振鹿，蘭 宇，楊彥寧，曲學華，白志強，曳前進，亢瑞新，孫瑞濱，萬書亭

（1. 內蒙古大唐國際托克托發電有限責任公司，內蒙古 托克托 010200；（2. 河北省電力機械裝備健康維護與失效預防重點實驗室（華北電力大學），河北 保定 071003）

0 引言

帶式輸送機由于其運量大、運行距離長、效率高，被廣泛應用于燃煤電廠煤料輸送工作中，其運行的穩定性和可靠性也直接影響電廠發電機組的煤料供應。

由于輸送煤料潮濕以及輸送機長時間運行，膠帶工作表面粘附的物料以及其他雜物在卸料后仍隨著回程膠帶繼續移動，進而散落在輸煤線路全線。這會造成皮帶巷形象較差，衛生清理工作量大。若不能及時清理，甚至會造成皮帶打滑事故發生，嚴重影響電廠運行穩定性[1]。因此，相關科研人員發了多種帶式輸送機膠帶清掃器。文獻[2]研究了3種新型清掃器，分別是彈簧式清掃器、重錘式清掃器和旋轉式清掃器。這幾種新型清掃器具備自調節裝置，其調節范圍大、穩定性好，能保證刮刀與膠帶面接觸更加均勻，提高了清掃效率，同時維護量降低，有效地減少了膠帶機走廊煤塵。文獻[3]設計的清掃器裝置，其應用電液比例控制的液壓系統，實現恒定壓緊力的施加，并能方便地調節壓緊力。文獻[4]在現有接觸式刮板清掃器的基礎上，對清掃器結構進行優化改造，實現了刮板受力均勻的目的。文獻[5]設計了一種雙一字形輸送帶非工作面清掃器，可以有效將物料清掃到輸送機一側。上述文獻的研究針對輸煤膠帶的單向清掃，無法實現雙向清掃。文獻[6]將振打托輥與滾刷清掃器結合，可以有效清理輸煤膠帶晶裂縫隙中的物料。文獻[7]設計了一種應用于帶式輸送機頭部的雙向清掃器，采用特殊結構刀頭、鎖緊套以及補償和退讓裝置實現膠帶機頭部的雙向清掃。

上述清掃器清掃思路均是通過與膠帶表面接觸并施加一定壓力，從而將膠帶上粘附煤泥等物料刮除，進而實現清掃。文獻[8-12]設計了一種非接觸式風動力輸送帶清掃器。不同于傳統清掃器，該新型清掃器利用高壓空氣，無需摩擦接觸即可實現清掃功能，無需使用傳統清掃器復雜機械結構，其結構簡單、易實現自動化工作。這類清掃器的缺點是需要源源不斷地提供高壓氣體，且清掃效果和氣體壓強直接相關，故在長時間工作狀態下，其耗能嚴重，只能作為清掃任務較重時的補充清掃方式。

某北方電廠隨著配煤摻燒工作的持續開展，所用劣質煤比例逐年增長，輸煤過程中膠帶清掃成為一個難題。由于所用煤料中常含有較多的水分，當卸料后，大量的煤料粘結在輸送膠帶上，繼續隨著回程膠帶移動。由于冬季較低氣溫，附著在膠帶上的水分很快凝結成冰霜，其與膠帶接觸而不斷凍黏在張緊輥筒以及托輥上形成冰棱，增大了輥筒表面上的局部直徑，從而引發膠帶跑偏以及打滑情況的發生。由于結冰較厚，利用非接觸式風動力輸送帶清掃器無法實現清掃目的。

1 清掃器問題分析

目前，已經研發的清掃器按照其安裝的位置，主要可以分為安裝在輸送機尾部的頭部清掃器和回程段改向滾筒附近的空段清掃器[13-16]。

1.1 頭部清掃器

頭部清掃器安裝在輸送機尾部的卸料滾筒處，用于清除卸料后仍然粘在輸送膠帶上的煤料。為了保證清掃效果，一般會在第一道清掃器鄰近位置設置第二道清掃器。目前主要應用的頭部清掃器有合金橡膠清掃器、聚氨酯清掃器[17]。

（1）合金橡膠清掃器利用橡膠塊充當彈性元件，使固定于橡膠緩沖塊上的合金刮板對煤料的刮除具有一定的緩沖能力，可以很好地避免煤料沖擊對其結構的破壞。刮板頭部安裝的刀頭為合金材料，具有很好的表面硬度、耐磨性以及較長的使用壽命。缺點是橡膠塊彈性較弱，導致清掃器的緩沖能力不足；同時，分段式的刮板使清掃時存在縫隙，導致物料不能被清掃干凈。

（2）聚氨酯清掃器的清掃方式與合金橡膠清掃器相同，但是聚氨酯材料的耐磨性不如合金材料，同時也存在分段式刮板漏掃的問題。

由于卸料滾筒部位要安裝卸料漏斗，安裝空間受限，所以上述兩種頭部清掃器均不適合用于雙向膠帶清掃設計。

1.2 空段清掃器

空段清掃器安裝于回程段改向滾筒附近，由于安裝部位相比頭部清掃器有更多的空間，所以其設計的種類更多。目前廣泛應用的有輥刷式清掃器和犁式清掃器。

（1）與刮板式清掃器不同，輥刷式清掃器輥刷與膠帶工作表面為軟接觸，可以減少清掃器對膠帶的損傷，增加膠帶的壽命。同時，輥刷通過電機帶動，或者由摩擦輥子通過帶傳動，使輥刷與膠帶相向運動，從而提高清掃效率。但是，當輥刷清掃器處理濕度大、粘性強的煤料時，其自潔能力差，煤泥粘附在刷毛上難以清潔，對清掃器的使用效果有很大的影響；輥刷式清掃器對水分的清除效果不及刮板式清掃器，同時自身磨損也較快，使用壽命不高。

（2）犁式清掃器使用螺栓或者彈簧對刮板進行壓緊，使其緊貼于膠帶表面，故對物料及水分的刮除效果較好。由于膠帶長期工作后會出現片段不平整或者破損，其凸出的部分會頂起刮板，造成漏掃現象。如果此時選擇加大壓緊力，雖清掃效果會有一定程度提升，但是緩沖能力有所下降，進而加重膠帶磨損，造成膠帶撕裂，壽命明顯降低。

2 回程空段雙向清掃器設計思路

2.1 設計目標

本文回程空段雙向清掃器的設計目標。

（1）可以進行雙向清掃。清掃器針對膠帶的正向、反向運行設置兩個工作位置，而且非工作部分要與膠帶分離，減少壽命損耗。

（2）能有效刮除水分，防止張緊輥筒粘冰形成冰棱，導致膠帶撕裂或者跑偏。

（3）對于膠帶表面不平整的情況，也要有較好的清掃效果，降低漏掃率。

（4）須考慮安裝與檢修維護的便捷性。

2.2 清掃器安裝環境

圖1為某輸煤車間所用輸煤機尾部圖。

圖1 輸煤機尾部三維圖Fig. 1 3D drawing of the coal conveyor tail

輸煤膠帶工作段由三節托輥1托起形成圓弧形，在輸煤機尾部附近經過平托輥過渡為平面，再由第一改向輥筒5改向后進入回程段，先后經過張緊輥筒3、第二改向輥筒6、第三改向輥筒7。

考慮對回程段膠帶進行清掃，在第一改向輥筒5與第二改向輥筒6之間分別有立柱A、B、C，設置清掃器安裝位置在立柱B合理。后續的設計及安裝都根據輸送膠帶的基本參數進行。對于本清掃器設計，要考慮回程膠帶寬度、回程膠帶下表面距離地面高度以及立柱橫向距離。經過測量，回程膠帶寬度為1 200 mm；回程膠帶下表面距離地面高度為1 000 mm；立柱A、C之間距離1 200 mm，A、B之間距離600 mm。

2.3 清掃器設計思路

設計優良的清掃器應該具有清掃效果好、使用壽命高、適用范圍廣等優點，同時其設計力求結構簡單可靠、方便安裝、制造成本低。

（1）為了達到刮除水分的目的，清掃器類型選取刮板式。

（2）為了解決膠帶不平整導致刮掃不干凈的問題，刮板采用分體式設計，以更好地貼合膠帶表面。為避免以往分體式刮刀各單元刮刀之間漏掃現象發生，刮板的布置方式采取分段式互錯排列，相鄰刮刀的清掃區域要有重疊。

（3）選取扭簧為清掃器緩沖力施力部件，通過選用合適型號的扭簧來調節緩沖力的大小。相對橡膠緩沖，這種設計方案有更廣泛的適用性和可調性。

（4）為使清掃器具有雙向清掃功能，設置了正反向清掃部分；同時為了實現正向清掃部分工作時，逆向清掃部分退出工作位置的功能，清掃器應具有升降裝置。

3 總體設計方案

本帶式輸送機回程空段雙向清掃器總體結構如圖2所示。清掃器主要由清掃器刮掃部分和雙向轉換部分組成。

圖2 雙向清掃器側視圖Fig. 2 Side view of bi-direction sweeper

清掃器刮掃部分分為正向刮掃單元和反向刮掃單元，分別用于清掃在正向運行和反向運行狀態下的回程膠帶。每一道刮掃單元均由多個刮刀組件上的刮刀片拼接成清掃面。清掃器雙向轉換部分由四連桿機構實現，通過設定驅動電機轉動合適的角度，可以保證清掃器刮掃單元移動到目標位置，從而實現正反向清掃狀態的轉換。

3.1 清掃器刮掃部分設計

清掃器刮掃部分是清掃器實現清掃功能的主要工作部位，是清掃器設計最重要的部分。

（1）刮刀組件設計

清掃器刮刀采用分體式刮刀，以便刮掃部分的安裝調試與檢修，如圖3所示。

圖3 刮刀組件分解示意圖Fig. 3 Exploded view of the scraper assembly

刮刀體9通過銷軸5與刮刀座1共軸連接，并通過左定位擋圈2和右定位擋圈4對刮刀體9進行軸向的定位。由于刮刀體9在工作狀態下受到膠帶以及物料的沖擊會產生頻繁的轉動，為了提高刮刀體9的使用壽命，在刮刀體9和銷軸5之間設置襯套3。襯套3與刮刀體9的孔過盈配合，與銷軸5間隙配合。銷軸5尾端設置小孔用于安裝插銷 6以及銷軸 5的軸向固定。右旋扭簧7與左旋扭簧10分別嵌套在刮刀體9兩側的空腔內，扭簧一端折彎段卡在刮刀座 1的小孔內，另一端折彎段卡在刮刀體 9空腔內的方形槽中，實現刮刀體的定位以及受沖擊狀態下的緩沖。刮刀片則通過焊接方式固定在刮刀體頭部的方槽內。

運行時，凍粘在膠帶表面的煤料會對刮刀施加一定的沖擊載荷，所以選擇的刀片材料要具備一定的韌性，同時還具有較好的耐磨性，以延長刮刀的使用壽命。故刀片整體采用 40CrNiMo材料，經過調制和表面淬火處理，使其表面硬度達56～60 HRC，抗拉強度σb和屈服強度σs分別達1 000 MPa和850 MPa以上，沖擊載荷Aku(J)≥78[13]。為降低清掃器生產成本，刮刀體與刮刀座采用Q345B材料，表面均做防銹處理；扭簧材料選擇65Mn。

（2）清掃器刮掃部分整體裝配

將多個刮刀通過一定方式排列，構成完整的刮掃面。輸送機的輸煤膠帶寬度為1 200 mm。為避免膠帶兩側有漏掃現象發生，在膠帶兩側各增加5 mm的刮掃面余量，即設計刮掃面的寬度為1 210 mm。

如圖4所示，多個刮刀單元在刮刀安裝板上錯落排布，形成一個垂直于輸送膠帶運行方向的完整刮掃面。相鄰刮刀的橫向裝配尺寸小于刮刀片寬度，以降低清掃器的物料漏掃率。

圖4 刮掃部分整體裝配Fig. 4 Overall assembly of scraping part

根據以上設計，刮掃部分整體裝配尺寸如圖5所示。相鄰兩個刮刀組件在膠帶運行方向安裝尺寸相隔40 mm，在垂直于膠帶運行方向安裝尺寸相隔100 mm，單個刮刀片寬度110 mm，清掃器單個工位的刮掃部分需要12個刮刀組件。

圖5 刮掃部分裝配尺寸示意圖Fig. 5 Assembly dimension of the scraper unit

3.2 清掃器雙向轉換部分設計

考慮到輸送機回程膠帶下表面與地面之間距離僅有1 000 mm，需要設計一種轉換方便、所需空間小的升降機構。本文采用四連桿機構可以簡單方便地實現刮刀升降功能。

如圖6所示，清掃器雙向轉換部分主要組成部件為連桿、軸和搖塊。由于結構對稱，只對單側結構做出描述。第一連桿3與第二連桿6為一組同步連桿，其上部為法蘭連接面，分別與刮刀安裝板的兩側通過螺栓固定連接；第一搖塊1與第二搖塊2同側搖臂分別與第一連桿3通過鉸軸連接，第三搖塊4與第四搖塊5以同樣方式與第二連桿6連接；驅動軸8與第一搖塊1和第三搖塊 4共軸連接，并通過平鍵傳遞動力；連接軸 9以同樣方式與第二搖塊2與第四搖塊5連接，以加強結構穩定性，減少由于驅動位置不對稱導致的兩側扭轉變形。

圖6 四連桿升降機構Fig. 6 Four link lifting mechanism

為保證清掃器雙向裝換的穩定性和安全性，轉換裝置要保持低速轉換。考慮該因素，驅動裝置采用臥式齒輪減速電機，如圖7所示，驅動減速電機3安裝在電機安裝架4上，通過螺栓固定；驅動軸一側通過聯軸器2與驅動減速電機3的輸出軸連接，實現動力傳遞。為實現轉動角度的精準，驅動減速電機配置驅動器與控制器，使清掃器可以進入預定工作位置。在實際運行時，轉換裝置使用頻率較低，清掃器長時間固定在一個工作位置，所以需設計定位裝置。在圖6中第二搖塊下部添加定位孔。當清掃器進入某一工作位置后，可用定位銷7通過安裝架插入定位孔對其進行定位固定。

圖7 驅動與定位方式示意圖Fig. 7 Schematic diagram of driving andpositioning mode

如圖8所示，根據安裝空間限制，設計雙向轉換部分基本尺寸。當清掃器處于非清掃工位，即轉動角度為0°時，其橫向尺寸最大，為500 mm。由于圖1中所示A、B、C相鄰兩個立柱間距為600 mm，故本清掃器選取B立柱為安裝支柱，在其一側通過螺栓安裝清掃器軸承座，采用對稱布置方式，使橫向空間完全滿足空間要求。

圖8 非清掃工位Fig. 8 Standby position

清掃器的縱向最大尺寸由其自身尺寸以及工位轉換時的旋轉角度決定。當清掃器處于某一工作位置時，工作部分刮刀會在皮帶壓力作用下向下旋轉一定角度；當遇到皮帶表面平整度較差的片段時，甚至會旋轉較大的角度。為避免非工作部分刮刀觸碰到皮帶表面而導致刮刀損傷的情況發生，非工作位置刮刀頂端應低于工作位置刮刀的回轉中心。當清掃器處于某一工作位置時，其總體縱向尺寸最大，所以要同時保證其縱向空間安排合理。根據上述考慮，確定清掃器工作位置轉換時合理的角度范圍。

圖9 清掃器最小旋轉角度Fig. 9 Minimum rotation angle of the sweeper

根據三角函數關系，可以得到：

式中：θ為驅動軸旋轉角度，(°)；l為搖塊上驅動軸孔中心與銷軸孔中心在水平方向的投影距離，mm。

為避免偶然性，適當取大旋轉角度，最終 θ取整為20°。

如圖 10所示，當旋轉角度為 20°時，清掃器縱向最大尺寸為712 mm，小于帶式輸送機底部空間尺寸，可以滿足安裝要求。此時刮刀頂端與驅動軸中心縱向距離為588 mm，由此確定安裝位置。

圖10 正向清掃工位Fig. 10 Forward cleaning position

4 刮刀強度分析

刮刀片作為清掃器的直接受力部件，其強度和使用壽命決定了清掃器的性能。由于刮刀片與刮刀體以焊接方式固定，其受力直接傳遞到刮刀體，所以將刮刀體和刮刀片作為一個整體進行強度和壽命校核。

4.1 靜態強度分析

刮刀進入工作位置后，會與皮帶緊密貼合產生一定的壓緊力FN；由于皮帶運動，與刮刀產生滑動摩擦力FT；同時扭簧在刮刀回轉中心施加扭矩T。3個力的合力使刮刀總體處于平衡狀態，其受力如圖11所示。

圖11 靜態工況下的刮刀受力Fig. 11 Force of a scraper under the static condition

為了保證刮掃效果，刮刀與皮帶間壓強設置為30 kPa。經計算得FN=33 N，FT=18.15 N。

建立了刮刀三維模型，將其導入ANSYS。按照圖11中受力情況，對刮刀模型添加載荷和約束，求解得到刮刀體的等效應力如圖12。

圖12 靜態工況刮刀等效應力Fig. 12 Equivalent stress of a scraper under the static condition

最大等效應力位置為刮刀片與刮刀體焊接位置，σmax=5.276 9 MPa，遠遠小于Q345B鋼材的屈服強度345 MPa，所以刮刀在靜態工作壓力下結構強度達到使用要求。

4.2 沖擊條件下強度分析

考慮在凍黏層的沖擊載荷條件下受力如圖13所示。

圖13 沖擊條件下刮刀受力Fig. 13 Force of a scraper under the impact condition

將模型導入 ANSYS軟件。FN與 FT添加方式與靜態強度分析時相同，同時在刮刀頂端中部5 mm寬度的表面施加力FC=500 N以模擬刮刀與凍黏層接觸時對刮刀產生的沖擊力。為了簡化模型，不考慮慣性力和阻尼，用結構靜力學分析代替瞬態動力學分析。

如圖14所示，在沖擊力載荷下，刮刀最大等效應力位置為刮刀臂加強筋處，值為σmax=58.989 MPa，遠遠小于Q345B鋼材的屈服強度345 MPa；刮刀片與刮刀體焊接位置等效應力值σ1=12.707 MPa，刮刀片上最大應力位置為其頂部，值為σ2=19.13 MPa。所以在沖擊力載荷下，刮刀體與刮刀片的結構強度都滿足使用要求。

圖14 沖擊條件下刮刀等效應力Fig. 14 Equivalent stress of a scraper under the impact condition

5 雙向清掃器運動特性

雙向清掃器設置兩個工作位置。在輸送機正向（反向）運行時，通過驅動電機帶動清掃器變換到相應工作位置，另一側退出工作位置。刮刀部分可以有效適應不平的膠帶表面，刮掃效率較高。刮刀片采用耐磨合金鋼，且自身通過設置扭簧定位，相較橡膠緩沖方式，扭簧性能更加優越，為清掃器的壽命和可靠性提供了保證。雙向轉換裝置結構簡單，安裝方便，可以根據實際工作環境改變連桿尺寸，以滿足安裝空間要求，驅動方便，部件制作簡單。

6 結論

本文設計的帶式輸送機回程雙向清掃機在某發電廠實際安裝應用以來，未發生任何故障。刮刀緩沖裝置效果明顯，既實現了良好的清掃效果，也最大程度避免刮刀損傷；利用四連桿機構實現雙向轉換，簡單可靠，滿足了設計要求。使用該清掃器后，輸煤車間線路煤料散落情況明顯改善，膠帶表面殘余水分刮除效果良好，避免了冬季時張緊輥筒形成冰棱的情況，有效減少了膠帶跑偏以及打滑現象的發生。