翹尾式刮板機鏈條自動液壓張緊系統技術研究

摘 要：本文介紹了鏈條張緊型式的選擇方法，以某項目為例，通過計算鏈條的張緊力來選擇合適的張緊油缸，計算了不同角度對應的壓力值。同時采用牛頓迭代法確定懸鏈系數，并求解懸鏈曲線，計算了不同角度對應的鏈長。分析了在工程使用中鏈條張緊系統設備運行不暢的原因，采用角度與壓力匹配法調整鏈條張緊系統的鏈條張力，解決了現場實際問題。提出采用角度與行程匹配法調整鏈條張緊的新型刮板取料機鏈條張緊系統方案，不同角度對應的張緊行程和張緊力的準確性會直接影響設備的工作狀態和運行穩定性。

關鍵詞：翹尾式；刮板取料機；懸鏈曲線；新型鏈條張緊系統

中圖分類號：TH 227" " " 文獻標志碼：A

刮板取料機具有占地小、儲量大、產能大、全封閉、自動化程度高、生產工藝靈活、維護成本低以及可實現無人職守等優點，廣泛應用于鋼鐵、水泥、煤炭、電力和化工等行業，并逐步擴展到造紙、倉儲和港口等行業。根據地面皮帶布置，刮板取料機可分為水平式、傾斜式和翹尾式3種結構，與其他2種結構相比，翹尾式土建成本較低，受到業主青睞，是長型料場首選設備之一。

在翹尾式半門刮板取料機中，鏈條是傳遞力的主要部件，鏈條張緊狀態直接影響設備的工作狀態和運行穩定性。為防止鏈條松弛或過緊導致的運行不暢問題，鏈條張緊系統的技術研究至關重要。

1 鏈條張緊型式的選擇

鏈條張緊包括2種結構形式，分別為手動液壓張緊和自動液壓張緊。手動液壓張緊采用手動調整鏈條松緊，調整一次后可長期使用，適用于非翹尾式半門刮板取料機。自動液壓張緊由液壓系統控制液壓缸的伸縮，可以根據設備需要，實時測量鏈條張緊度，始終保持鏈條張緊狀態在適當范圍內。與手動張緊方式相比，自動液壓張緊方式具有調整精度高的優點。

2 鏈條張緊系統的技術研究

翹尾式半門刮板取料機常規刮取煤、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，采用調整鏈接數或調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，張緊系統僅考慮臂架上仰、下俯時的張緊力即可。

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

該項目中的鏈條自動液壓張緊系統在設備調試過程中出現飄鏈、拖鏈現象，下文將詳細描述鏈條自動液壓張緊系統的設計、問題分析和整改措施，并開發新型鏈條張緊系統。

2.1 液壓張緊系統設計

設計布置時，由于刮板鏈上仰角度為0°～46°，在確保鏈條不飄鏈的狀態下，調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整成鏈條節距的整數倍，也無法將0°～46°鏈條長度調整至相等狀態，因此決定采用液壓自動張緊系統。

2.1.1 鏈條張緊液壓系統工作原理

刮板與鏈條通過螺栓栓接一體，鏈條與鏈輪相嚙合，由鏈條驅動裝置驅動并繞鏈輪旋轉，帶動刮板實現物料刮取。為了保障刮板鏈系統能安全運轉，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，設置鏈條張緊系統以調整鏈條張力（如圖2所示）。

2.1.2 鏈條張緊力計算

鏈條張緊力在輸送機運行過程中呈線性分布，鏈條張緊力F張由初張力F0和不同工況的負載力F負組成[1]。

2.1.2.1 鏈條初張力F0

鏈條初張力根據經驗采用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的所有阻力之和，由4個部分組成。F1為刮板切削阻力，F2為物料沿刮板方向摩擦阻力，F3為刮板鏈摩擦阻力，F4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量n和單位厘米內刮板的切削阻力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量G物與摩擦阻力系數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為刮板數量；k為平均系數。

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動的各零件與軌道產生摩擦力的總和。

（2）

式中：G刮+鏈+導輪為隨鏈條一起在軌道上轉動部件的質量總和；R為鏈條滾輪半徑；r為滑套半徑；f為摩擦系數；k為平均滾動摩擦力臂。

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 不同工況下負載力F負

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

F負=（G刮+鏈+導輪-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油缸壓力如公式（5）所示。

（5）

根據計算所得，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選擇16MPa，系統壓力等級選擇25MPa。

計算得出的刮板鏈不同角度時鏈條張緊力和油缸工作壓力見表1，現場可根據理論數據微調，確保刮板鏈在各工況下均滿足實際使用要求。

2.2 鏈條張緊系統問題分析

在現場調試過程中，設備反饋刮板鏈處于低角度時會飄鏈（如圖3所示），刮板鏈處于高角度狀態下停機時會脫鏈（如圖4所示），造成鏈條與設備本體刮碰，并在刮板鏈運轉過程中異常響動和振動。

2.2.1 原因分析

刮板鏈出現的飄鏈、脫鏈現象與鏈條張緊密切相關，現場實際情況如下所示。1）刮板與傾斜導槽高差較小，鏈條張力設定值不合理時容易刮碰。2）鏈條張緊型式選擇手動泵控制，刮板鏈處于高點后調整困難。3）油缸介質采用2號鋰基脂，油脂過于黏稠，加壓較慢。4）張緊力控制系統未考慮刮板鏈俯仰過程中鏈傳動部件重力作用產生的張緊力變化差異大，而將張緊力設定為某一定值。5）角度與壓力值匹配計算不準確。

2.2.2 不同角度對應的張緊行程計算

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

在現實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（粗細與質量分布）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。根據懸鏈線的定義可知鏈條與改向鏈輪分離點處發生的松弛曲線就是懸鏈曲線。

建立直角坐標系，通過原點（0，0）的懸鏈曲線方程如公式（6）所示。

（6）

式中：k為懸鏈系數。

對于特定的懸鏈曲線，k為常數。懸鏈曲線的線型不同，懸鏈系數也不同。

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行計算，懸鏈曲線線長表達式可通過公式（6）進行推導，推導后如公式（7）所示。

（7）

翹尾式刮板取料系統的各鏈輪組間的位置關系如圖6所示。圖6中O為拉升軌道的端點，并將其作為坐標原點。驅動輪與改向輪位置固定，張緊輪繞改向輪中心C進行旋轉。在水平位置，鏈條曲線為CD段，進行上仰時，鏈條曲線為CD'段，鏈條曲線長度根據俯仰角度的變化而變化。

將驅動輪與改向輪間的拉升軌道的端點作為坐標原點O，將此端點與改向輪的中心C點的連線作為X軸、將垂直于OC段（長度為m）并通過此端點的射線作為Y軸建立直角坐標系，D點為軌道水平時的端點，D'為軌道俯仰至θ的端點，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，公式（10）懸鏈曲線通過O（0.0）與D'（xd'，yd'）2點，因此公式（8）～公式（11）中的懸鏈系數不同。

確定刮板取料系統布置方案后，以上各點的位置即已確定，本文以如公式（12）所示的坐標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點和D'點的坐標。

根據公式（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k?？刹捎玫ㄟM行方程式求根，以確定懸鏈系數k，迭代格式如公式（13）所示。

（13）

式中：xn為f（x）的一個接近根S的實根；F（xn）'為xn點的一階導數。

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

（14）

為了求解懸鏈系數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，可得實根k×1。將k×1代入公式（9）即可計算出LOD的鏈長。同理，可以采用牛頓迭代法計算出不同俯仰角度θ下不同的懸鏈系數k·θ，將k·θ代入公式（11）即可計算出不同角度θ下的鏈長LOD'。懸鏈系數k與鏈長變化量、壓力值的對應關系見表2。

3 新型刮板取料機鏈條張緊系統

基于懸鏈線和牛頓迭代法的刮板輸送系統鏈長變化量[2]可以計算出不同俯仰角度的懸鏈系數和鏈長，新型鏈條自動液壓張緊系統可采用角度與行程匹配法（如圖8所示）進行調節，并采用角度與壓力值法進行系統保護設定，確保系統運行安全、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（此項目A≥0m，B≤550m），A表示懸臂角度為0°，鏈條在張緊狀態下油缸的位置。懸臂上升時，油缸伸出；懸臂下降時，油缸縮回。將懸臂升降0°～45°分成9個區域（10個點），每個區域約4°，如F1=0°、F2=10°、……、F10=45°。油缸行程A～B對應分成9個區（10個點），分別以L1、L2、……、L3表示。

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

取料機換堆時，懸臂升至最高點，當Fa=Fb時懸臂上升，液壓電機啟動，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不是整數時，需要滿足下述條件。1）懸臂上升時，刮板禁止轉動。2）刮板鏈上升時，大于x點處，下一個整數點通過壓力傳感器檢測油缸的壓力。例如Fx≤F3時，F4檢測壓力，如果壓力小于壓力傳感器設定的最高壓力，懸臂上升停止，油缸伸出至壓力設定值，懸臂開始繼續上升。要求在懸臂上升狀態下，鏈條始終處在最大張力狀態且油缸伸縮速度比懸臂上仰速度快。此時油缸的位置參數Lb不參與控制，但在F10時保證油缸在L10。

Fa=Fb時，允許刮板轉動，在轉動過程中，在油缸的彈性作用下，Lb有變化，只要a-1lt;blt;a+1，均可認為張力正常。

懸臂下降，液壓電機啟動延時1s，電磁閥a得電，油缸下降，此時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油缸張緊。需要增加角度與壓力值保護，即懸臂角度為0°～15°時，將液壓系統壓力設置為4MPa～8MPa。低于5MPa或高于8MPa時，設備停機報警；懸臂角度為15°～30°時，將液壓系統壓力設置為6MPa～10MPa，低于6MPa或高于10MPa，設備停機報警；懸臂角度為35°～40°時，將液壓系統壓力設置為10MPa～14MPa，低于10MPa或高于14MPa時，設備停機報警。

綜上所述，新型鏈條自動液壓張緊系統采用角度與行程匹配法，可有效解決因設備角度變化導致懸線長度變化，進而造成設備運行不穩定的問題，同時增加壓力保護，保障設備安全、可靠運行。

4 結論

本文介紹了刮板輸送系統中液壓張緊系統的常規設計方法，分析了在工程使用中鏈條張緊系統設備運行不暢的原因。采用角度與壓力匹配法調整鏈條張緊系統的鏈條張力，解決了現場實際問題。驗證了鏈條的懸鏈曲線線型，使用弧長積分方法計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，并開發了一種新型刮板取料機鏈條張緊系統。該系統采用角度與行程匹配法，有效解決了因設備角度變化導致懸線長度變化，進而造成設備運行不穩定的問題，同時增加壓力保護，保障設備安全、可靠運行。

參考文獻

[1]翟建設，楊泉華，王秋敏.橋式抬頭刮板取料機刮板輸送系統的設計與計算[J].科技促進發展，2010（2）：56-57.

[2]唐興華.基于懸鏈線和牛頓迭代法的刮板輸送系統鏈長變化量研究[J].煤炭工程.2017，49（11）：123-126.