65m大跨距防爆多机共轨的智能化全封闭煤料场门式刮板取料机设计*

高 勇 刘红力 李大庆 张 强 王增晖

1 北方重工集团有限公司 沈阳 110000 2 北京起重运输机械设计研究院有限公司 北京 100007

0 引言

门式刮板取料机作为一种大宗散状物料连续装卸设备，广泛应用于港口、电力、建材、冶金、矿山、煤炭等国民经济行业，具有费用低廉、处理量大、维修简便等显著特点。随着国民经济的迅猛发展，对散状物料的预处理提出了新的要求，即料场跨距逐渐加大、运量逐渐增大、自动化程度要求提高，同时提出无公害环保堆取散状物料。

门式刮板取料机在国内的应用起步相对较晚，从最初跨距约20 m 逐渐增大[1]，2000年后开始广泛在电厂等行业应用，常规跨距范围30～54 m，但一直未超过60 m[2]。

随着技术发展和市场需求，门式刮板取料机技术逐渐向大跨度、大取料量方向发展。而由于大跨距门式刮板取料机的自身结构问题，有门架变形大、物料存在刮取盲区、残余料堆大等特点同时易发生啃轨等现象[3]；同时由于环保等要求的提高，设备需在棚内运行，以及煤炭等仓储料场特有的防爆要求等，都极大地限制了门式刮板取料机向大型化、智能化、低能耗、高环保等要求的发展。因此，研制具有自主知识产权、大型化、智能化、低能耗、高环保的门式刮板取料机技术已成为国内外高端装备行业的主要目标。

为拓展门式刮板取料机产品应用领域，突破大跨度、大运量、满足防爆门式刮板取料机的技术限制，本文研制了65m大跨距防爆多机共轨的智能化全封闭煤料场门式刮板取料机。

1 设计研究内容分析

某堆取料机项目65m大跨距防爆多机共轨的智能化全封闭煤料场门式刮板取料机，单机轨距65 m，主刮板链速0.7 m/s，副刮板链速0.6 m/s，取料量700 t/h。设备跨度大，门架变形大，易发生啃轨，刚度、强度要求均较以往设备高出许多；设备用于全封闭的煤料场，要求所有电器元件必须满足防爆要求；为了应对用户不同煤质的取料工艺需求，门式刮板取料机需要与另一台桥式刮板取料机对应共轨作业在同一条带式输送机上，2 种不同取料工艺、不同结构形式的设备共轨对较以往的2 相同设备共轨提出了新的要求；设备要求达到智能化无人值守的功能等。

对比国内外门式刮板取料机制造商类似产品业绩与参数如表1所示。

表1 国内外门式刮板取料机参数

比较分析结果，可知示例门式刮板取料机相较于其他2 家国外企业的产品，轨道跨距略大，取相同物料能力相近，刮板运行速度略快，总拉力小，独立运行。设备布置时可采用多机共轨布置，车轮组数量少，降低土建费用。该机整机防爆，可应用于更加严酷环境。同时采用无人值守的控制方式，控制水平更高。

2 技术方案

2.1 主副刮板取料装置分体式独立结构

门式刮板取料机可以装有1～3 个刮板取料系统[4]，传统主副刮板为整体式结构，主副刮板始终处于门架的下方和料堆的上方，在料场高度方向超过料堆，但没有超出门架高度，悬臂承载能力大，同时主副刮板之间需要保持一定距离来防止干涉问题，该距离需要精准设计、控制以保证副刮板侧的物料可以顺利推送到主刮板侧并被主刮板取走。

传统的大跨距门式双刮板取料机中主副刮板取料装置之间为铰接结构，悬臂俯仰采用单卷扬机或双卷扬机。单卷扬机结构为一套卷扬机带动主副刮板悬臂进行俯仰，副刮板侧设置导向滑道以控制刮板臂运行轨迹；双卷扬结构副刮板侧通过增加1 套卷扬机代替滑道。2 套刮板铰接结构造成副刮板一部分质量由主刮板悬臂头部承担，另一部分汇质量由滑道或副刮板卷扬机承担。铰接的主副刮板在悬臂降落到最低点时，需要副刮板头部位于主刮板刮板链上方，以保证副刮板推送的物料能够被主刮板取走，该结构下副刮板最低位置通常倾斜向上布置，主副刮板间形成一定的料堆死区。

二者相比单卷扬结构相对结构简单，门架需要承载能力大，卷扬机负荷大，驱动功率大；双卷扬结构门架所需承载能力相对较小，双卷扬机单个功率较小，总功率较单卷扬机大。单卷扬结构采用一套驱动，控制较为简单，双卷扬结构副刮板运行时需要保证与主刮板的协同作业，控制较为复杂。

上述2 种方案的门式刮板取料机工作时，无论刮板是否刮取物料均需2 套刮板同时运行。而在设备取料的初期的相当长一段时期内，仅依靠主刮板取料工作即可，并不需要副刮板动作，所以副刮板的运行直接造成设备的能耗很高，且很大部分是在做无用功。

为有效降低工作能耗，本机提出了主副刮板分开，2 套刮板系统各带独立卷扬机结构的全新结构方案，如图1所示。以达到设备运行损耗低、结构可靠的目的。65m大跨距防爆多机共轨的智能化全封闭煤料场门式刮板取料机，主刮板工作时，副刮板驱动及副刮板卷扬机可以不工作。经测算，副刮板可以在运行周期的1/4～1/3 时间内不工作，极大降低设备能耗。

图1 65 m 轨道跨距门架式刮板取料机主副刮板取料装置示意图

主副刮板系统分开，主刮板悬臂不再承担部分副刮板质量，钢结构截面可以有效减小，降低主刮板系统整体质量，进而降低卷扬机载荷，主卷扬机可以降低装机功率，从而进一步减小设备运行损耗。主刮板的质量减轻和卷扬机载荷的减小还可以减小刮板驱动减速器速比，进而降低减速器规格。该方案的实施降低了设备的制造成本。同时，主副刮板系统分开布置，双卷扬机的提升力可以让门架的受力点更加分散，副刮板系统的固定铰接点位于摆动端梁侧门架摆动端梁根部，可以更好地承受副刮板系统所受侧向载荷，该受力点靠近摆动端梁的轨道，对于轨道基础承受的侧向载荷更小，土建成本亦大大降低。

主副刮板分开，2 套设备独立运行，可以降低设备控制的复杂性，将副刮板与主刮板的控制分离开来，简化工艺流程。

2.2 主动连杆式平衡导向机构

大跨距门式刮板取料机的副刮板侧行走端梁较高，门架下方与副刮板距离较远，副刮板在工作时需要刮取最底层物料，不工作时需要高于料堆截面，保证不与物料干涉。

针对此问题，开发了以连杆为主动部件的平衡导向机构技术，平衡导向机构如图2所示。该技术可实现智能全封闭煤料场门式刮板取料机，在65m大跨距防爆多机共轨条件下，最低能耗、全自动取料与智能化控制。以连杆为主动部件的平衡导向机构将原有副刮板取料系统的滑动导向优化为固定铰点的浮动导向，解决了滑动导向对门架和导向架的制造和安装精度要求高，使用过程中定期检查导向架和滑道的磨损和变形等问题。

图2 65 m 轨道跨距门架式刮板取料机平衡导向机构示意图

该技术可以保证副刮板不工作时与料堆脱离接触，工作时可以连续刮取物料，直到刮板系统达到料堆底部，将远离主刮板的物料全部取走。

该方案可以将副刮板布置于门架正下方，以降低和解决刮板位于门架一侧产生的偏载问题，从而降低行走驱动负荷。同时副刮板的推料范围可以进入主刮板侧，保证设备在取料过程中不会发生退料现象。同时可以解决主副刮板间无法处理的料堆死区问题。

2.3 大跨距门式刮板取料机门架结构优化设计技术

门架是设备主要组成部分之一，总延伸长度为80 m，其自身质量占整机质量的30%，但需要承受全机设备80%的自重载荷，故门架的优化设计是保证设备运行稳定可靠的关键要素。由于设备跨距大，门架变形控制需要兼顾考虑。

门架展开长度为80 m，截面高度大于4 m，整体截面宽度大于2 m，局部大于3 m，为满足长途运输中陆路及海路的多次转运，门架须进行分体发运。由于主梁单体部件较大、质量重，在进行分体制造过程中需要解决结构性变形及焊接变形问题。同时，门式刮板取料机在运行过程中，取料角度在0°～38°范围内，由于取料臂架所处料堆的取料位置不同、料堆高度不同、取料臂架接触物料的长度不同、物料在不同角度范围内流动性不同、取料每层取料臂架下降高度不同等因素，导致取料机在一个完整作业流程中，门架各部位载荷始终处于变化状态。多个取料流程中，门架各部位载荷始终处于交变状态，极易产生结构性疲劳，造成整体变形、铰点开裂、结构失效等不利情况。

针对此问题，提出了一种应力应变叠加的分析方法来计算门架的强度、刚度，在设计过程中，将刮板系统、卷扬机构进行组合分析，对10 余种设计工况进行初步预分析，借助有限元采用强度和刚度的目标函数进行分析（见图3），确保门架结构的合理性。同时优化分析门架内部结构，最大限度减小主梁自重，减少钢材使用量，从而得到最优化的门架结构。

图3 门架有限元分析

2.4 多机共轨堆取料机智能化控制系统

本文所述料场为全封闭的煤料场，要求全部电器元件均需符合防爆要求；门式刮板取料机需要与桥式刮板取料机根据工艺安排需要共轨，对应同一条带式输送机，并达到无人值守的功能。

针对此问题，首先整合所有外配套电气控制部分，设计完成所有控制系统；然后在常规检测的基础上增加了设备精准定位技术如格雷母线定位技术、RFID 定位技术、雷达检测防碰撞技术、红外摄像检测等，提高检测手段。利用点云建模技术还原现场料堆及堆取料机的三维图形，并可随现场堆取料机工作实施改变图像，实现数字孪生。通过扫描仪对带式输送机上的物料进行扫描并计算出单位时间的堆取料量，可对堆取料机运行效率及工作量进行统计分析。通过扫描仪对料场料堆进行三维扫描，计算出料场物料的堆形和储量，可对三维料堆进行旋转、剖切、测量等操作，通过自动存储的料堆信息，用户可得知目前所选料堆的实际状态，并可通过仿真计算推算出所需堆取时间。

其次采用微正压防爆电气房解决取料机配电室的防爆问题，取料机各配套设备的控制系统全部由主机控制系统集成至电气房内，满足现场所需元件防爆要求。采用拖链代替电缆卷筒满足整机供电防爆要求，同时为电气房所需的场外新风系统提供清洁的气源，为取料机抑尘系统提供所需水源，实现机上连续供水、供气。最后利用现有开发的无人值守智能平台技术及多机共轨技术，对共轨设备的各种工况进行预设，使其具有自我判断能力，实现对取料机的智能化控制。

3 结语

65m大跨距防爆多机共轨的智能化全封闭煤料场门式刮板取料机，解决了根据工作需求独立实施驱动控制，实现了无盲区取料作业，节能效果显著。实现产业化，满足造纸、电力、冶金等领域散料装卸工程需求，极大地提高市场竞争力。将绿色、节能的设计理念应用到门式刮板机的设计中，开发出一套大跨距门式刮板取料机门架结构优化设计技术，实现了门架强度、刚度和变形量的最佳匹配及门架轻量化。