65m大跨距防爆多機(jī)共軌的智能化全封閉煤料場(chǎng)門式刮板取料機(jī)設(shè)計(jì)*

高 勇 劉紅力 李大慶 張 強(qiáng) 王增暉

1 北方重工集團(tuán)有限公司 沈陽 110000 2 北京起重運(yùn)輸機(jī)械設(shè)計(jì)研究院有限公司 北京 100007

0 引言

門式刮板取料機(jī)作為一種大宗散狀物料連續(xù)裝卸設(shè)備，廣泛應(yīng)用于港口、電力、建材、冶金、礦山、煤炭等國民經(jīng)濟(jì)行業(yè)，具有費(fèi)用低廉、處理量大、維修簡便等顯著特點(diǎn)。隨著國民經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展，對(duì)散狀物料的預(yù)處理提出了新的要求，即料場(chǎng)跨距逐漸加大、運(yùn)量逐漸增大、自動(dòng)化程度要求提高，同時(shí)提出無公害環(huán)保堆取散狀物料。

門式刮板取料機(jī)在國內(nèi)的應(yīng)用起步相對(duì)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(yè)應(yīng)用，常規(guī)跨距范圍30～54 m，但一直未超過60 m[2]。

隨著技術(shù)發(fā)展和市場(chǎng)需求，門式刮板取料機(jī)技術(shù)逐漸向大跨度、大取料量方向發(fā)展。而由于大跨距門式刮板取料機(jī)的自身結(jié)構(gòu)問題，有門架變形大、物料存在刮取盲區(qū)、殘余料堆大等特點(diǎn)同時(shí)易發(fā)生啃軌等現(xiàn)象[3]；同時(shí)由于環(huán)保等要求的提高，設(shè)備需在棚內(nèi)運(yùn)行，以及煤炭等倉儲(chǔ)料場(chǎng)特有的防爆要求等，都極大地限制了門式刮板取料機(jī)向大型化、智能化、低能耗、高環(huán)保等要求的發(fā)展。因此，研制具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)、大型化、智能化、低能耗、高環(huán)保的門式刮板取料機(jī)技術(shù)已成為國內(nèi)外高端裝備行業(yè)的主要目標(biāo)。

為拓展門式刮板取料機(jī)產(chǎn)品應(yīng)用領(lǐng)域，突破大跨度、大運(yùn)量、滿足防爆門式刮板取料機(jī)的技術(shù)限制，本文研制了65m大跨距防爆多機(jī)共軌的智能化全封閉煤料場(chǎng)門式刮板取料機(jī)。

1 設(shè)計(jì)研究內(nèi)容分析

某堆取料機(jī)項(xiàng)目65m大跨距防爆多機(jī)共軌的智能化全封閉煤料場(chǎng)門式刮板取料機(jī)，單機(jī)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(shè)備跨度大，門架變形大，易發(fā)生啃軌，剛度、強(qiáng)度要求均較以往設(shè)備高出許多；設(shè)備用于全封閉的煤料場(chǎng)，要求所有電器元件必須滿足防爆要求；為了應(yīng)對(duì)用戶不同煤質(zhì)的取料工藝需求，門式刮板取料機(jī)需要與另一臺(tái)橋式刮板取料機(jī)對(duì)應(yīng)共軌作業(yè)在同一條帶式輸送機(jī)上，2 種不同取料工藝、不同結(jié)構(gòu)形式的設(shè)備共軌對(duì)較以往的2 相同設(shè)備共軌提出了新的要求；設(shè)備要求達(dá)到智能化無人值守的功能等。

對(duì)比國內(nèi)外門式刮板取料機(jī)制造商類似產(chǎn)品業(yè)績與參數(shù)如表1所示。

表1 國內(nèi)外門式刮板取料機(jī)參數(shù)

比較分析結(jié)果，可知示例門式刮板取料機(jī)相較于其他2 家國外企業(yè)的產(chǎn)品，軌道跨距略大，取相同物料能力相近，刮板運(yùn)行速度略快，總拉力小，獨(dú)立運(yùn)行。設(shè)備布置時(shí)可采用多機(jī)共軌布置，車輪組數(shù)量少，降低土建費(fèi)用。該機(jī)整機(jī)防爆，可應(yīng)用于更加嚴(yán)酷環(huán)境。同時(shí)采用無人值守的控制方式，控制水平更高。

2 技術(shù)方案

2.1 主副刮板取料裝置分體式獨(dú)立結(jié)構(gòu)

門式刮板取料機(jī)可以裝有1～3 個(gè)刮板取料系統(tǒng)[4]，傳統(tǒng)主副刮板為整體式結(jié)構(gòu)，主副刮板始終處于門架的下方和料堆的上方，在料場(chǎng)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(shí)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(zhǔn)設(shè)計(jì)、控制以保證副刮板側(cè)的物料可以順利推送到主刮板側(cè)并被主刮板取走。

傳統(tǒng)的大跨距門式雙刮板取料機(jī)中主副刮板取料裝置之間為鉸接結(jié)構(gòu)，懸臂俯仰采用單卷揚(yáng)機(jī)或雙卷揚(yáng)機(jī)。單卷揚(yáng)機(jī)結(jié)構(gòu)為一套卷揚(yáng)機(jī)帶動(dòng)主副刮板懸臂進(jìn)行俯仰，副刮板側(cè)設(shè)置導(dǎo)向滑道以控制刮板臂運(yùn)行軌跡；雙卷揚(yáng)結(jié)構(gòu)副刮板側(cè)通過增加1 套卷揚(yáng)機(jī)代替滑道。2 套刮板鉸接結(jié)構(gòu)造成副刮板一部分質(zhì)量由主刮板懸臂頭部承擔(dān)，另一部分匯質(zhì)量由滑道或副刮板卷揚(yáng)機(jī)承擔(dān)。鉸接的主副刮板在懸臂降落到最低點(diǎn)時(shí)，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(jié)構(gòu)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(qū)。

二者相比單卷揚(yáng)結(jié)構(gòu)相對(duì)結(jié)構(gòu)簡單，門架需要承載能力大，卷揚(yáng)機(jī)負(fù)荷大，驅(qū)動(dòng)功率大；雙卷揚(yáng)結(jié)構(gòu)門架所需承載能力相對(duì)較小，雙卷揚(yáng)機(jī)單個(gè)功率較小，總功率較單卷揚(yáng)機(jī)大。單卷揚(yáng)結(jié)構(gòu)采用一套驅(qū)動(dòng)，控制較為簡單，雙卷揚(yáng)結(jié)構(gòu)副刮板運(yùn)行時(shí)需要保證與主刮板的協(xié)同作業(yè)，控制較為復(fù)雜。

上述2 種方案的門式刮板取料機(jī)工作時(shí)，無論刮板是否刮取物料均需2 套刮板同時(shí)運(yùn)行。而在設(shè)備取料的初期的相當(dāng)長一段時(shí)期內(nèi)，僅依靠主刮板取料工作即可，并不需要副刮板動(dòng)作，所以副刮板的運(yùn)行直接造成設(shè)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(jī)提出了主副刮板分開，2 套刮板系統(tǒng)各帶獨(dú)立卷揚(yáng)機(jī)結(jié)構(gòu)的全新結(jié)構(gòu)方案，如圖1所示。以達(dá)到設(shè)備運(yùn)行損耗低、結(jié)構(gòu)可靠的目的。65m大跨距防爆多機(jī)共軌的智能化全封閉煤料場(chǎng)門式刮板取料機(jī)，主刮板工作時(shí)，副刮板驅(qū)動(dòng)及副刮板卷揚(yáng)機(jī)可以不工作。經(jīng)測(cè)算，副刮板可以在運(yùn)行周期的1/4～1/3 時(shí)間內(nèi)不工作，極大降低設(shè)備能耗。

圖1 65 m 軌道跨距門架式刮板取料機(jī)主副刮板取料裝置示意圖

主副刮板系統(tǒng)分開，主刮板懸臂不再承擔(dān)部分副刮板質(zhì)量，鋼結(jié)構(gòu)截面可以有效減小，降低主刮板系統(tǒng)整體質(zhì)量，進(jìn)而降低卷揚(yáng)機(jī)載荷，主卷揚(yáng)機(jī)可以降低裝機(jī)功率，從而進(jìn)一步減小設(shè)備運(yùn)行損耗。主刮板的質(zhì)量減輕和卷揚(yáng)機(jī)載荷的減小還可以減小刮板驅(qū)動(dòng)減速器速比，進(jìn)而降低減速器規(guī)格。該方案的實(shí)施降低了設(shè)備的制造成本。同時(shí)，主副刮板系統(tǒng)分開布置，雙卷揚(yáng)機(jī)的提升力可以讓門架的受力點(diǎn)更加分散，副刮板系統(tǒng)的固定鉸接點(diǎn)位于擺動(dòng)端梁側(cè)門架擺動(dòng)端梁根部，可以更好地承受副刮板系統(tǒng)所受側(cè)向載荷，該受力點(diǎn)靠近擺動(dòng)端梁的軌道，對(duì)于軌道基礎(chǔ)承受的側(cè)向載荷更小，土建成本亦大大降低。

主副刮板分開，2 套設(shè)備獨(dú)立運(yùn)行，可以降低設(shè)備控制的復(fù)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(dòng)連桿式平衡導(dǎo)向機(jī)構(gòu)

大跨距門式刮板取料機(jī)的副刮板側(cè)行走端梁較高，門架下方與副刮板距離較遠(yuǎn)，副刮板在工作時(shí)需要刮取最底層物料，不工作時(shí)需要高于料堆截面，保證不與物料干涉。

針對(duì)此問題，開發(fā)了以連桿為主動(dòng)部件的平衡導(dǎo)向機(jī)構(gòu)技術(shù)，平衡導(dǎo)向機(jī)構(gòu)如圖2所示。該技術(shù)可實(shí)現(xiàn)智能全封閉煤料場(chǎng)門式刮板取料機(jī)，在65m大跨距防爆多機(jī)共軌條件下，最低能耗、全自動(dòng)取料與智能化控制。以連桿為主動(dòng)部件的平衡導(dǎo)向機(jī)構(gòu)將原有副刮板取料系統(tǒng)的滑動(dòng)導(dǎo)向優(yōu)化為固定鉸點(diǎn)的浮動(dòng)導(dǎo)向，解決了滑動(dòng)導(dǎo)向?qū)﹂T架和導(dǎo)向架的制造和安裝精度要求高，使用過程中定期檢查導(dǎo)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(jī)平衡導(dǎo)向機(jī)構(gòu)示意圖

該技術(shù)可以保證副刮板不工作時(shí)與料堆脫離接觸，工作時(shí)可以連續(xù)刮取物料，直到刮板系統(tǒng)達(dá)到料堆底部，將遠(yuǎn)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(cè)產(chǎn)生的偏載問題，從而降低行走驅(qū)動(dòng)負(fù)荷。同時(shí)副刮板的推料范圍可以進(jìn)入主刮板側(cè)，保證設(shè)備在取料過程中不會(huì)發(fā)生退料現(xiàn)象。同時(shí)可以解決主副刮板間無法處理的料堆死區(qū)問題。

2.3 大跨距門式刮板取料機(jī)門架結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)

門架是設(shè)備主要組成部分之一，總延伸長度為80 m，其自身質(zhì)量占整機(jī)質(zhì)量的30%，但需要承受全機(jī)設(shè)備80%的自重載荷，故門架的優(yōu)化設(shè)計(jì)是保證設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定可靠的關(guān)鍵要素。由于設(shè)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(yùn)輸中陸路及海路的多次轉(zhuǎn)運(yùn)，門架須進(jìn)行分體發(fā)運(yùn)。由于主梁單體部件較大、質(zhì)量重，在進(jìn)行分體制造過程中需要解決結(jié)構(gòu)性變形及焊接變形問題。同時(shí)，門式刮板取料機(jī)在運(yùn)行過程中，取料角度在0°～38°范圍內(nèi)，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(nèi)流動(dòng)性不同、取料每層取料臂架下降高度不同等因素，導(dǎo)致取料機(jī)在一個(gè)完整作業(yè)流程中，門架各部位載荷始終處于變化狀態(tài)。多個(gè)取料流程中，門架各部位載荷始終處于交變狀態(tài)，極易產(chǎn)生結(jié)構(gòu)性疲勞，造成整體變形、鉸點(diǎn)開裂、結(jié)構(gòu)失效等不利情況。

針對(duì)此問題，提出了一種應(yīng)力應(yīng)變疊加的分析方法來計(jì)算門架的強(qiáng)度、剛度，在設(shè)計(jì)過程中，將刮板系統(tǒng)、卷揚(yáng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行組合分析，對(duì)10 余種設(shè)計(jì)工況進(jìn)行初步預(yù)分析，借助有限元采用強(qiáng)度和剛度的目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行分析（見圖3），確保門架結(jié)構(gòu)的合理性。同時(shí)優(yōu)化分析門架內(nèi)部結(jié)構(gòu)，最大限度減小主梁自重，減少鋼材使用量，從而得到最優(yōu)化的門架結(jié)構(gòu)。

圖3 門架有限元分析

2.4 多機(jī)共軌堆取料機(jī)智能化控制系統(tǒng)

本文所述料場(chǎng)為全封閉的煤料場(chǎng)，要求全部電器元件均需符合防爆要求；門式刮板取料機(jī)需要與橋式刮板取料機(jī)根據(jù)工藝安排需要共軌，對(duì)應(yīng)同一條帶式輸送機(jī)，并達(dá)到無人值守的功能。

針對(duì)此問題，首先整合所有外配套電氣控制部分，設(shè)計(jì)完成所有控制系統(tǒng)；然后在常規(guī)檢測(cè)的基礎(chǔ)上增加了設(shè)備精準(zhǔn)定位技術(shù)如格雷母線定位技術(shù)、RFID 定位技術(shù)、雷達(dá)檢測(cè)防碰撞技術(shù)、紅外攝像檢測(cè)等，提高檢測(cè)手段。利用點(diǎn)云建模技術(shù)還原現(xiàn)場(chǎng)料堆及堆取料機(jī)的三維圖形，并可隨現(xiàn)場(chǎng)堆取料機(jī)工作實(shí)施改變圖像，實(shí)現(xiàn)數(shù)字孿生。通過掃描儀對(duì)帶式輸送機(jī)上的物料進(jìn)行掃描并計(jì)算出單位時(shí)間的堆取料量，可對(duì)堆取料機(jī)運(yùn)行效率及工作量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。通過掃描儀對(duì)料場(chǎng)料堆進(jìn)行三維掃描，計(jì)算出料場(chǎng)物料的堆形和儲(chǔ)量，可對(duì)三維料堆進(jìn)行旋轉(zhuǎn)、剖切、測(cè)量等操作，通過自動(dòng)存儲(chǔ)的料堆信息，用戶可得知目前所選料堆的實(shí)際狀態(tài)，并可通過仿真計(jì)算推算出所需堆取時(shí)間。

其次采用微正壓防爆電氣房解決取料機(jī)配電室的防爆問題，取料機(jī)各配套設(shè)備的控制系統(tǒng)全部由主機(jī)控制系統(tǒng)集成至電氣房內(nèi)，滿足現(xiàn)場(chǎng)所需元件防爆要求。采用拖鏈代替電纜卷筒滿足整機(jī)供電防爆要求，同時(shí)為電氣房所需的場(chǎng)外新風(fēng)系統(tǒng)提供清潔的氣源，為取料機(jī)抑塵系統(tǒng)提供所需水源，實(shí)現(xiàn)機(jī)上連續(xù)供水、供氣。最后利用現(xiàn)有開發(fā)的無人值守智能平臺(tái)技術(shù)及多機(jī)共軌技術(shù)，對(duì)共軌設(shè)備的各種工況進(jìn)行預(yù)設(shè)，使其具有自我判斷能力，實(shí)現(xiàn)對(duì)取料機(jī)的智能化控制。

3 結(jié)語

65m大跨距防爆多機(jī)共軌的智能化全封閉煤料場(chǎng)門式刮板取料機(jī)，解決了根據(jù)工作需求獨(dú)立實(shí)施驅(qū)動(dòng)控制，實(shí)現(xiàn)了無盲區(qū)取料作業(yè)，節(jié)能效果顯著。實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，滿足造紙、電力、冶金等領(lǐng)域散料裝卸工程需求，極大地提高市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。將綠色、節(jié)能的設(shè)計(jì)理念應(yīng)用到門式刮板機(jī)的設(shè)計(jì)中，開發(fā)出一套大跨距門式刮板取料機(jī)門架結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了門架強(qiáng)度、剛度和變形量的最佳匹配及門架輕量化。