超重型刮板輸送機(jī)機(jī)尾架磨損實(shí)測分析

曹正坤 孫 松

（1.中煤張家口煤礦機(jī)械有限責(zé)任公司，河北 張家口 076250 ；2.河北省高端智能礦山裝備技術(shù)創(chuàng)新中心，河北 張家口 076250）

0 引言

為適應(yīng)年產(chǎn)千萬噸煤礦開采的需要，對煤礦井下重要運(yùn)輸設(shè)備刮板輸送機(jī)的整體性能和使用壽命提出了更高的要求，設(shè)備必須滿足過煤千萬噸進(jìn)行一次大修的要求，機(jī)尾架作為刮板輸送機(jī)最重要部件之一，不僅起到支撐傳動部件的作用，而且還調(diào)節(jié)著刮板輸送機(jī)鏈條的松緊，使刮板鏈處于良好的運(yùn)行狀態(tài)。因此，超重型刮板輸送機(jī)機(jī)尾架的使用壽命關(guān)系到整機(jī)設(shè)備的使用性能，機(jī)尾架一旦失效將導(dǎo)致輸送機(jī)不能進(jìn)行正常的運(yùn)輸工作。

目前針對超重型刮板輸送機(jī)機(jī)尾架的失效研究主要集中在機(jī)尾架能否具備伸縮功能上，對機(jī)尾架的磨損失效研究較少，而磨損失效對超重型刮板輸送機(jī)機(jī)尾架的影響是一個不容忽視的問題。該文對某礦工作面過煤量千萬噸的超重型刮板輸送機(jī)機(jī)尾架磨損進(jìn)行現(xiàn)場實(shí)測和分析，進(jìn)而綜合評估機(jī)尾架的磨損行為，所得結(jié)論對后續(xù)機(jī)尾架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及維修具有現(xiàn)實(shí)的參考價值。

1 超重型刮板輸送機(jī)機(jī)尾架磨損形態(tài)實(shí)測分析

某礦設(shè)計(jì)年產(chǎn)能力1500萬t，該煤層厚度5.80m~8.58m，平均厚度7.43m，工作面走向長5706m，工作面長度300m，超重型刮板輸送機(jī)機(jī)尾架主要由固定架體、活動架體、活上翼板和左右壓板構(gòu)成。機(jī)尾架主要技術(shù)參數(shù)：伸縮行程1000mm，手動/自動控制，上中板厚60mm，材料Hardox450，下中板厚50mm，材料Hardox400，槽幫采用高強(qiáng)度耐磨鑄造材料ZG30MnSiMo，槽幫硬度HB260-300，上、下內(nèi)口寬1400mm。為準(zhǔn)確掌握整個機(jī)尾架的磨損規(guī)律及形態(tài)，現(xiàn)場應(yīng)用金屬測厚儀對其機(jī)尾架的上中板、下中板進(jìn)行標(biāo)記測量。

1.1 機(jī)尾架上中板磨損測量

為準(zhǔn)確掌握機(jī)尾架體的磨損情況，并盡可能的全面反應(yīng)機(jī)尾架上、下中板的磨損量，現(xiàn)分別對機(jī)尾架固定架體和活動架上、下中板的鏈道位置、中間位置，兩側(cè)刮板斧頭位置采取間隔標(biāo)記測量。固定架體上中板標(biāo)記測量點(diǎn)1，2，3，4，5，每個點(diǎn)位每間隔200mm測量3個位置，測量位置如圖1，測量厚度取平均值，數(shù)據(jù)整理見表1。

圖1 機(jī)尾架固定架上中板測量點(diǎn)位（單位：mm）

表1 機(jī)尾固定架上中板磨損后平均厚度值

數(shù)據(jù)分析可知，機(jī)尾固定架上中板4，5鏈道點(diǎn)位磨損大于其他點(diǎn)位，刮板斧頭2，3點(diǎn)位磨損大于1中間點(diǎn)位，2點(diǎn)位磨損大于3點(diǎn)位磨損，將4，5鏈道點(diǎn)位取平均值Σ=48.25mm，非鏈道點(diǎn)位1，2，3取平均值Σ=51.26mm，鏈道大于非鏈道處磨損。

活動架體上中板經(jīng)現(xiàn)場實(shí)際測量，其主要磨損發(fā)生在與固定架體伸縮搭接或與舌板銜接處的上中板，活動架體上中板伸縮搭接范圍內(nèi)磨損與機(jī)尾架固定架上中板磨損相當(dāng)，活動架體上中板舌板銜接處鏈道磨損剩余厚度54 mm，非鏈道處磨損剩余厚度57 mm，活動架體上中板凹弧段基本無磨損。

對上述數(shù)據(jù)及形態(tài)分析可知，機(jī)尾架固定架體上中板的鏈道處大于非鏈道處磨損，刮板斧頭兩側(cè)點(diǎn)位大于中間點(diǎn)位磨損，機(jī)尾架伸縮段到機(jī)尾架出口端范圍的上中板磨損大于與舌板銜接處的上中板磨損。機(jī)尾架活動架體上中板凹弧段基本無磨損發(fā)生，主要原因是刮板鏈在運(yùn)行狀態(tài)時處于被拉伸懸浮狀態(tài)，在該區(qū)段與上中板不接觸。鏟板側(cè)刮板斧頭點(diǎn)位大于擋板側(cè)刮板斧頭點(diǎn)位磨損，鏟板側(cè)刮板斧頭點(diǎn)位大于擋板側(cè)刮板斧頭點(diǎn)位磨損的主要原因是采煤機(jī)割下的煤料會以一定的速度沖擊機(jī)尾架的上中板，造成沖擊磨損，而鏟煤板一側(cè)離煤壁最近最易受到?jīng)_擊，同時在推溜過程中，煤料會堆積在鏟板側(cè)，造成鏟板側(cè)煤料量大于擋板側(cè)。因此，煤料的下落沖擊和煤料堆積狀態(tài)是造成機(jī)尾架鏟板側(cè)刮板斧頭點(diǎn)位上中板磨損大于擋板側(cè)的原因之一。

1.2 機(jī)尾架下中板磨損測量

從機(jī)尾架固定架體與活動架體搭接伸縮起點(diǎn)處起，沿機(jī)尾架下中板取13個測量點(diǎn)，如圖2所示，其中、、、測量點(diǎn)在固定架體下中板上，每點(diǎn)間隔300 mm，，，，、、、、、測量點(diǎn)在活動架體下中板，其中~點(diǎn)位每點(diǎn)間隔165 mm，~點(diǎn)位每點(diǎn)間隔350 mm，13個測量點(diǎn)按照圖1測量點(diǎn)位1、2、3、4、5，對中間點(diǎn)位、鏟板側(cè)刮板斧頭點(diǎn)位、擋板側(cè)刮板斧頭點(diǎn)位、鏟板側(cè)鏈道點(diǎn)位、擋板側(cè)鏈道點(diǎn)位進(jìn)行測量，為方便統(tǒng)計(jì)，取13個測量點(diǎn)處的4、5點(diǎn)位鏈道4處厚度的平均值和非鏈道1，2，3點(diǎn)位厚度的平均值，其統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)見表2。

表2 機(jī)尾架下中板磨損后平均厚度值

采用數(shù)據(jù)擬合法將13個~測量點(diǎn)的鏈道4，5點(diǎn)位平均厚度值和非鏈道1、2、3點(diǎn)位平均厚度值用平滑曲線連接，連接形成的曲線可近似代表其下中板的基本磨損形態(tài)曲線，圖2中，下中板鏈道磨損曲線封閉的灰色區(qū)域是鏈道磨損剩余厚度，從圖2中擬合曲線可以直觀地看出，下中板磨損最嚴(yán)重的區(qū)域?yàn)閪點(diǎn)，固定架體下中板從~點(diǎn)磨損趨勢增大，活動架體從~點(diǎn)磨損趨勢變緩，其中固架體下中板與活動架體下中板搭接的~點(diǎn)區(qū)間的鏈道磨透。

圖2 機(jī)尾架測量點(diǎn)位及磨損剩余厚度曲線

綜合上述分析可知，超重型刮板輸送機(jī)機(jī)尾架上、下中板鏈道磨損大于其他非鏈道處磨損；機(jī)尾架下中板整體磨損大于上中板；除機(jī)尾架左右活動翼板外，機(jī)尾架體的主要磨損發(fā)生在下中板的伸縮段和活動架體下中板過渡圓弧段，其磨損形態(tài)表現(xiàn)如下，固定架體伸縮段沿機(jī)尾鏈輪方向磨損趨勢增大，活動架體伸縮及圓弧過渡段磨損沿機(jī)尾鏈輪方向磨損趨勢驅(qū)緩，其中固定架體與活動架體搭接范圍~點(diǎn)磨損最嚴(yán)重。

2 機(jī)尾架磨損實(shí)測理論分析

在許多摩擦學(xué)專著中都引用E.Rabinowicz簡化模型和數(shù)學(xué)表達(dá)式，這種簡單模型的基本假設(shè)如下：1）將經(jīng)受磨損的材料簡化成一種不產(chǎn)生任何塑性變形的絕對剛體；2）將硬質(zhì)磨料顆粒簡化成一個圓錐體；3）將磨損過程視為簡單的滑動過程。

利用這個簡單模型建立材料體積磨損公式。

式中：-磨損體積；-滑動距離；-接觸應(yīng)力；-材料硬度；-磨粒夾角系數(shù)。

從式中可以看出在固定區(qū)段長度內(nèi)的磨損體積與接觸應(yīng)力成正比，同時接觸應(yīng)力表達(dá)式如下。

式中：-單位時間運(yùn)輸量；-中部槽寬；-物料運(yùn)輸速率；-重力加速度。

從式（2）中可以看出，接觸應(yīng)力與單位時間運(yùn)輸量呈正比，與中部槽寬及其物料運(yùn)輸速率成反比。筆者根據(jù)上述公式作為出發(fā)點(diǎn)找出影響接觸應(yīng)力的主要因素。

刮板輸送機(jī)工作時由機(jī)頭尾的驅(qū)動鏈輪將刮板鏈進(jìn)行驅(qū)動，刮板鏈在中部槽上下鏈道形成閉式循環(huán)運(yùn)動，最終實(shí)現(xiàn)煤料的運(yùn)輸。為增加機(jī)頭啟動效果，機(jī)尾先于機(jī)頭提前0.5s啟動，運(yùn)行過程中，機(jī)頭下鏈道刮板處于近松弛狀態(tài)，而機(jī)尾下鏈道刮板鏈繞上鏈輪時處于繃緊狀態(tài)，當(dāng)刮板鏈從起弧段點(diǎn)進(jìn)入活動架體下中板過渡圓弧段時刮板鏈發(fā)生角度偏轉(zhuǎn)，此時對刮板鏈?zhǔn)芰Ψ治?，如圖3所示，建立直角坐標(biāo)系，受力分析如下。

圖3 刮板鏈?zhǔn)芰κ疽鈭D

通過公式（2）~公式（4）計(jì)算可得公式（6）。

式中：-摩擦系數(shù)；-偏轉(zhuǎn)角；F-鏈輪對刮板鏈拉力；F'-刮板鏈提供的拉力；-刮板鏈單位長度的自身力；N-下中板對刮板鏈的支撐力；N'-刮板鏈對下中板的壓力；f-下中板對刮板鏈的摩擦阻力。

由公式（6）可知，機(jī)尾架下鏈道刮板鏈對下中板的壓力與刮板鏈?zhǔn)苕溳喞?span id="j5i0abt0b" class="emphasis_italic">F，偏轉(zhuǎn)角成正比，與刮板鏈單位長度自身重力成反比，因刮板鏈?zhǔn)苕溳喞?span id="j5i0abt0b" class="emphasis_italic">F與刮板輸送機(jī)功率有關(guān)，驅(qū)動扭矩計(jì)算如下。

式中：-驅(qū)動部功率；-減速器傳動比；-電機(jī)轉(zhuǎn)速。

鏈條受到鏈輪的拉力計(jì)算如下。

式中：-鏈輪節(jié)圓半徑。

綜合公式（6）~公式（8）可得公式（9）。

從式（8）可以看出，刮板鏈對機(jī)尾架下中板的壓力與裝機(jī)功率成正比，與鏈輪節(jié)圓和刮板鏈單位長度自身重力成反比。因此，裝機(jī)功率是影響機(jī)尾架下中板磨損的因素之一。

為直觀表現(xiàn)刮板鏈間距與下中板過渡圓弧半徑R對磨損的影響，采用圖形法對刮板鏈的運(yùn)行干涉情況進(jìn)行分析，如圖4所示，圖中R為原機(jī)尾架下中板過渡圓弧半徑，R為小于原機(jī)尾架下中板過渡圓弧半徑，R為大于原機(jī)尾架下中板過渡圓弧半徑，為原6環(huán)刮板間距，L為8環(huán)刮板間距，假設(shè)如果中板與刮板鏈條立環(huán)可以嵌入干涉，則干涉量越大，表示立環(huán)對中板的磨損嵌入越大，刮板鏈運(yùn)行至下中板過渡圓弧起弧段點(diǎn)，立環(huán)與下中板干涉量運(yùn)行到圓弧最高點(diǎn)干涉量最大，然后干涉量減少。從R對應(yīng)的圖形線可以看出，刮板間距不變的情況下，過渡圓弧半徑R越短干涉量越大，磨損趨勢越大。反之，過渡圓弧半徑R越大干涉量越小，磨損趨勢越小。當(dāng)刮板間距增大為R時（刮板間距由6環(huán)增加到8環(huán)），從圖形中和R對比可以看出，刮板間距越大刮板鏈對下中板的干涉趨勢越大，磨損趨勢增加。

圖4 機(jī)尾架與刮板鏈接觸磨損形態(tài)

綜合上述分析可知，機(jī)尾架下中板磨損主要與裝機(jī)功率P、偏轉(zhuǎn)角、過渡段圓弧半徑R、刮板間距有關(guān)。裝機(jī)功率越大，刮板鏈從機(jī)尾底鏈道繞行到機(jī)尾鏈輪上時對機(jī)尾架下中板壓力越大，刮板鏈對機(jī)尾架下中板磨損越嚴(yán)重；刮板鏈偏轉(zhuǎn)角越小，刮板鏈對機(jī)尾架下中板壓力越小，機(jī)尾架磨損越輕；機(jī)尾架過渡段圓弧半徑越大刮板鏈條的嵌入干涉量越小，進(jìn)而減輕對機(jī)尾架下中板的磨損；刮板間距越大，刮板鏈條的嵌入趨勢增加，刮板鏈干涉增大，刮板鏈運(yùn)行時加速機(jī)尾下中板的磨損。

3 結(jié)論

某礦工作面過煤量千萬噸超重型刮板輸送機(jī)機(jī)尾架的現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)分析如下：1）超重型刮板輸送機(jī)機(jī)尾架下中板整體磨損量大于上中板磨損量；2）超重型刮板輸送機(jī)機(jī)尾架的上中板磨損主要發(fā)生在固定架體水平段中板上，固定架的上中板整體磨損量大于活動架體上中板磨損量，活動架體上中板凹弧段基本無磨損；3）超重型刮板輸送機(jī)機(jī)尾架下中板鏈道處的磨損量大于下中板其他位置的磨損量，機(jī)尾架下中板磨損主要發(fā)生在固定架和活動架伸縮搭接處及其過渡圓弧段；4）超重型刮板輸送機(jī)機(jī)尾架固定架體下中板及鏈道磨損趨勢表現(xiàn)為沿著機(jī)尾鏈輪方向磨損增加，超重型刮板輸送機(jī)機(jī)尾架活動架體下中板及鏈道磨損趨勢表現(xiàn)為沿著機(jī)尾方向磨損量逐漸減少；5）超重型刮板輸送機(jī)機(jī)尾架下中板的磨損與裝機(jī)功率、偏轉(zhuǎn)角、過渡段圓弧半徑R、刮板間距有關(guān)，裝機(jī)功率越大，偏轉(zhuǎn)角越大，過渡段圓弧半徑越小，刮板間距越大其機(jī)尾架下中板磨損越大，刮板鏈立環(huán)與機(jī)尾架下中板的干涉量，隨著刮板間距的增大而增大，隨著過渡圓弧半徑的增大而變小。