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設計*

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裝卸設備，廣泛應用于港口、電力、建材、冶金、礦山、煤炭等國民經濟行業，具有費用低廉、處理量大、維修簡便等顯著特點。隨著國民經濟的迅猛發展，對散狀物料的預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，同時提出無公害環保堆取散狀物料。

門式刮板取料機在國內的應用起步相對較晚，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應用，常規跨距范圍30～54 m，但一直未超過60 m[2]。

隨著技術發展和市場需求，門式刮板取料機技術逐漸向大跨度、大取料量方向發展。而由于大跨距門式刮板取料機的自身結構問題，有門架變形大、物料存在刮取盲區、殘余料堆大等特點同時易發生啃軌等現象[3]；同時由于環保等要求的提高，設備需在棚內運行，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、高環保等要求的發展。因此，研制具有自主知識產權、大型化、智能化、低能耗、高環保的門式刮板取料機技術已成為國內外高端裝備行業的主要目標。

為拓展門式刮板取料機產品應用領域，突破大跨度、大運量、滿足防爆門式刮板取料機的技術限制，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 設計研究內容分析

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。設備跨度大，門架變形大，易發生啃軌，剛度、強度要求均較以往設備高出許多；設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；為了應對用戶不同煤質的取料工藝需求，門式刮板取料機需要與另一臺橋式刮板取料機對應共軌作業在同一條帶式輸送機上，2 種不同取料工藝、不同結構形式的設備共軌對較以往的2 相同設備共軌提出了新的要求；設備要求達到智能化無人值守的功能等。

對比國內外門式刮板取料機制造商類似產品業績與參數如表1所示。

表1 國內外門式刮板取料機參數

比較分析結果，可知示例門式刮板取料機相較于其他2 家國外企業的產品，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。設備布置時可采用多機共軌布置，車輪組數量少，降低土建費用。該機整機防爆，可應用于更加嚴酷環境。同時采用無人值守的控制方式，控制水平更高。

2 技術方案

2.1 主副刮板取料裝置分體式獨立結構

門式刮板取料機可以裝有1～3 個刮板取料系統[4]，傳統主副刮板為整體式結構，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，該距離需要精準設計、控制以保證副刮板側的物料可以順利推送到主刮板側并被主刮板取走。

傳統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構，懸臂俯仰采用單卷揚機或雙卷揚機。單卷揚機結構為一套卷揚機帶動主副刮板懸臂進行俯仰，副刮板側設置導向滑道以控制刮板臂運行軌跡；雙卷揚結構副刮板側通過增加1 套卷揚機代替滑道。2 套刮板鉸接結構造成副刮板一部分質量由主刮板懸臂頭部承擔，另一部分匯質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，該結構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。

二者相比單卷揚結構相對結構簡單，門架需要承載能力大，卷揚機負荷大，驅動功率大；雙卷揚結構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。單卷揚結構采用一套驅動，控制較為簡單，雙卷揚結構副刮板運行時需要保證與主刮板的協同作業，控制較為復雜。

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。而在設備取料的初期的相當長一段時期內，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 套刮板系統各帶獨立卷揚機結構的全新結構方案，如圖1所示。以達到設備運行損耗低、結構可靠的目的。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，副刮板驅動及副刮板卷揚機可以不工作。經測算，副刮板可以在運行周期的1/4～1/3 時間內不工作，極大降低設備能耗。

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

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

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

2.2 主動連桿式平衡導向機構

大跨距門式刮板取料機的副刮板側行走端梁較高，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，開發了以連桿為主動部件的平衡導向機構技術，平衡導向機構如圖2所示。該技術可實現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向機構將原有副刮板取料系統的滑動導向優化為固定鉸點的浮動導向，解決了滑動導向對門架和導向架的制造和安裝精度要求高，使用過程中定期檢查導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向機構示意圖

該技術可以保證副刮板不工作時與料堆脫離接觸，工作時可以連續刮取物料，直到刮板系統達到料堆底部，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產生的偏載問題，從而降低行走驅動負荷。同時副刮板的推料范圍可以進入主刮板側，保證設備在取料過程中不會發生退料現象。同時可以解決主副刮板間無法處理的料堆死區問題。

2.3 大跨距門式刮板取料機門架結構優化設計技術

門架是設備主要組成部分之一，總延伸長度為80 m，其自身質量占整機質量的30%，但需要承受全機設備80%的自重載荷，故門架的優化設計是保證設備運行穩定可靠的關鍵要素。由于設備跨距大，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運，門架須進行分體發運。由于主梁單體部件較大、質量重，在進行分體制造過程中需要解決結構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，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流動性不同、取料每層取料臂架下降高度不同等因素，導致取料機在一個完整作業流程中，門架各部位載荷始終處于變化狀態。多個取料流程中，門架各部位載荷始終處于交變狀態，極易產生結構性疲勞，造成整體變形、鉸點開裂、結構失效等不利情況。

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

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

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工藝安排需要共軌，對應同一條帶式輸送機，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，設計完成所有控制系統；然后在常規檢測的基礎上增加了設備精準定位技術如格雷母線定位技術、RFID 定位技術、雷達檢測防碰撞技術、紅外攝像檢測等，提高檢測手段。利用點云建模技術還原現場料堆及堆取料機的三維圖形，并可隨現場堆取料機工作實施改變圖像，實現數字孿生。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、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，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，取料機各配套設備的控制系統全部由主機控制系統集成至電氣房內，滿足現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提供清潔的氣源，為取料機抑塵系統提供所需水源，實現機上連續供水、供氣。最后利用現有開發的無人值守智能平臺技術及多機共軌技術，對共軌設備的各種工況進行預設，使其具有自我判斷能力，實現對取料機的智能化控制。

3 結語

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，解決了根據工作需求獨立實施驅動控制，實現了無盲區取料作業，節能效果顯著。實現產業化，滿足造紙、電力、冶金等領域散料裝卸工程需求，極大地提高市場競爭力。將綠色、節能的設計理念應用到門式刮板機的設計中，開發出一套大跨距門式刮板取料機門架結構優化設計技術，實現了門架強度、剛度和變形量的最佳匹配及門架輕量化。