薄煤层综采工作面刮板输送机传动结构的优化设计

杨东明

（阳煤忻州通用机械有限责任公司， 山西 忻州 034000）

引言

随着能源结构性矛盾的不断深化，煤炭工业在未来相当长的一段时间里仍然会是国内能源产业的重点，煤炭工业健康稳定发展是社会经济持续发展的重要保障。随着我国煤炭开采技术的不断发展，自动化的刮板运输机逐渐成为煤矿综采工作面的重要煤炭运输设备。随着我国煤炭储量减少，设计研发适用于薄煤层综采工作面的刮板输送机，对提高煤炭利用率、节约能源和保护环境都有着重要的意义。

1 刮板机结构组成和工作原理

1.1 刮板机结构组成

刮板机是由牵引机构牵引进行煤炭连续运输的矿业设备，其牵引机构又称刮板链，刮板机依靠溜槽承装煤炭。虽然目前各刮板机生产厂家因设计理念的区别导致产品的形式差异较大，但刮板机的基本结构组成是类似的，总体上可以分为机头、溜槽、刮槽、刮板链和机尾等结构。

1.2 刮板机工作原理

刮板机依靠牵引机构的牵引力提供动力，带动机头转动，进而使机头上的链轮启动，这时刮板链就可以循环运动，沿着溜槽传送煤炭至矿井顶部机头上方进行卸料。在运输过程中，由于刮板链的运动轨迹是多边形，致使刮板链在运行中的速度和加速度也不是定值。

2 刮板机传动系统设计方案

刮板机传动系统是刮板机的主要结构构成，其示意图如图1所示。刮板机电动机启动后，通过液力耦合器带动减速器运动，进而启动链轮组件，带动刮板链在机头和机尾部分进行循环往返运动，将溜槽里的煤炭运送至指定位置。

图1 刮板机传动系统示意图

本文以阳煤忻州通用机械有限责任公司生产的SGZ1250/3×855型薄煤层综采工作面刮板机为例开展传动系统设计研究。该产品设计长度为200 m，运输能力为1 000 t/h，刮板链速度为2 m/s。刮板链采用中双链结构，卸载方式采用端卸式，溜槽采用开低式E形结构，设置位置为中部，动力装置选用单速异步电动机布置于刮板机机头和机尾。

2.1 薄煤层综采工作面刮板机结构特点

不同于普通刮板机，薄煤层综采工作面刮板机主要使用于厚度为0.8～1.3 m的缓倾斜煤层工作面，其结构形式的特点主要包括：

1）刮板机机头和机身较短，且能够进行快速安拆，方便不同薄煤层间进行转场使用。

2）刮板机控制系统集成化程度较高，并采用故障自动识别检测机制，将故障信号作为自动停机的主要参数。

2.2 刮板机运行阻力和牵引力的计算

刮板机运行过程中的阻力主要来自刮板链与巷道壁之间的摩擦力，以及斜巷在水平方向的分力。在计算阻力时，要分别对两种情况进行考虑，即直线段和曲线段。刮板机在斜巷中运行时，主要需要克服煤炭对刮板运行的摩擦阻力，同时也包括了煤炭和刮板链重力在水平方向的分力。

在重段直线段运行的阻力为：

刮板链在空段直线段的运行阻力为：

式中：w、wl分别为煤炭、刮板链的阻力系数；β为刮板机铺设角度；L刮为板机长度，m；ql为刮板链单位长度的质量，kg/m；g为重力加速度，m/s。

SGZ1250/3×855型薄煤层综采工作面刮板机参数如表1所示。

表1 刮板机设计参数表

将设备参数分别代入式（1）（2），可知在重段直线段和空段直线段的运行阻力分别为：Wxh=144632.7 N，Wk=116 223.8 N。再将Wxh和Wk带入式（3），可知总牵引力W0=315 636.4 N。

2.3 电动机功率的计算

对于机械化采煤，设计时考虑刮板机处于极端状态，即设备满负荷运行时的电动机功率为：

式中：W0为刮板输送机总牵引力，N；v为刮板链条速度，m/s，取值为2 m/s；η为传动装置的总效率，取值为0.8。

将第2.2节计算的刮板机总牵引力W0带入公式（4），计算得到电动机功率Nmax=789.1 kW。

2.4 刮板链强度验算

刮板机刮板链的强度验算采用逐点张力计算方法，对刮板链应力集中点的拉力值进行计算。受篇幅限制，仅列出强度验算结果。

根据《埋刮板输送机安全规范》（GB/T10596-2011）的要求，刮板链安全系数K不得小于3.5。在本案例中，刮板链安全系数的计算如下：

式中：Sp为单条刮板链子的抗拉力，取值为850×103N；λ为双链负荷不均匀系数，取值为0.88；Smax为刮板链体系的抗拉力，本文取极限状态，即Smax=W0=315 636.4 N。

代入数据计算得K=3.95＞3.5，故刮板链安全系数满足规范要求。

3 刮板机的试运行分析

为了验证刮板输送机的设计合理性和可靠性，参考规范《刮板运输机型式检验规范》（MT/T 104—93）中的实验方法，对产品进行了试运行实验，并对实验过程中刮板输送机的状态进行检查。实验采集了刮板机电动机功率和刮板链条强度数据，如表2所示。

表2 刮板机试运行实验数据表

对实验数据与设计计算结果的精度进行分析，结果如图2所示。

图2 实验结果精度分析

实验结果表明：电动机功率精度绝对值最大为0.68%，均值精度绝对值为0.16%，满足规范规定的1%要求；刮板链条强度精度绝对值最大为1.84%，均值精度绝对值为1.39%，满足规范规定的2%要求，说明本方案的设计合理。

4 结论

在对薄煤层开采工作面刮板输送机结构设计中，采用中双链形式。通过对传统机构的运行阻力、牵引力、电机功率和刮板强度进行计算，以及进行空载和负载运行试验，结果表明刮板输送机中双链形式的刮板链结构更合理，连接更加紧凑。