刮板输送机的优化设计

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摘要：本文对刮板输送机的设计机理进行了分析，并建立了以驱动功率为最小目标的数学量化模型，希望在大家的工作中有所借鉴意义。

关键字：设备功率、分析、验算、确定、措施

中图分类号：S611 文献标识码：A 文章编号：

目前工业中经常用到的刮板输送机是一种可以输送颗粒状材料的连续型的可靠运输装备，刮板输送机具有运输力大、可运输物料的高度大，运输安全可靠等优点，它广泛应用于化工、矿山、农业部门、港口物料输送中，也经常被用来作为一种高效的转运设备以及隧道掘进、巷道开拓机械配套使用的辅助装备。各种类型的刮板输送机的主要结构和组成的部件基本是相同的，它由机头、中间部和机尾部等三个部分组成。此外，还有供推移输送机用的液压千斤顶装置和紧链时用的紧链器等附属部件。机头部由机头架、电动机、液力偶合器、减速器及链轮等件组成。中部由过渡槽、中部槽、链条和刮板等件组成。机尾部是供刮板链返回的装置。重型刮板输送机的机尾与机头一样，也设有动力传动装置，从安设的位置来区分叫上机头与下机头。刮板输送机可用于水平运输，亦可用于倾斜运输。沿倾斜向上时，煤层倾角不得超过25°，向下运输时，倾角不得超过20°，当运输物料倾角较大时，应安装防滑装置。可弯曲刮板输送机允许在水平和垂直方向作2°～4°的弯曲。

对于刮板输送机的设计，设计人员主要凭借自己的经验以及类比法上，先要确定刮板输送机的端面尺寸，再定位刮板的链速度，确定牵引力以及校核必要配件的应力强度，根据上面的数据计算出刮板输送机的设备功率。

刮板输送机的设计原理分析

对于刮板输送机的设计可以采用力学模型的方式进行分析，这样可以更加直观对刮板输送机上面两个刮板之间的纵断面散粒体物料系统进行研究。假定刮板输送机的刮板间距为l1，刮板输送机槽宽设定为B，物料高度H1,作用着物料与机槽底之间的运动阻力为F1，由侧压力引起运输机机槽两侧壁给予物料的运动阻力为F2，刮板输送机的链牵引力设定为W。刮板输送机具有高物料输送物料的特性，这是由于刮板输送机在正常运行过程中刮板高度低于物料高度，这样的运输方式属于高物料层运输方式。刮板输送机在正常运输情况下，刮板链在力量牵引下，物料能够随着刮板做相对的整体运行，我们可以确定符合这样整体运行的条件就是刮板输送机的运行机理，在运输物料的高度内，物料之间内摩擦力要大于物料与运输机槽壁及槽底之间的总外摩擦力。另外，为了避免物料之间出现拉层以及塌陷现象，保证刮板输送机的正常运行，物料高度应该小于整体运行时候的极限高度，可以利用如下公式描述本运行机理。

F1+ F2≤W，

H1≥H,

l1≥t，

为此，我们可以把W平均分配到每一个刮板上N,x为动力系数，此动力系数x大小与刮板链速度有关。当链速度不大于0.32m.s-1时，动力系数为1；当链速度大于0.32m.s-1时，动力系数大小为1.5。f1为与运输物料内摩擦角和链速有关的测压系数，f1=x/(1+sinΦ), Φ0为物料内摩擦角，f2为物料与运输机底板、侧壁间的综合阻力系数，f2为介于0.5至0.7之间的数值，F2为由侧压力引起运输机机槽两侧壁给予物料的运动阻力。

刮板输送机有关设计参数的计算

首先对刮板输送机的运输能力进行定量分析，运输能力指数设定为Q，则我们表达运输能力常用的公式为：Q=3600Aναγ0，下面就公式进行分析一下。

Q为刮板输送机的运输能力，A为刮板输送机上面所运输物料的横断面积，A≈BH1+1/(2B2tgΦ1)，H1为刮板输送机机槽的深度，H1≈ H ，Φ1是刮板输送机上块状散体物料的动堆积角，Φ1平常取值约为0.35Φ，Φ为刮板输送机物料静堆积角，α为物料断面减小系数，它随着运输机工作倾角的变化而变化，物料密度是γ0.

刮板输送机牵引力的分析

对于进行有载段以及空载段的运行阻力的计算，工程设计人员一般采用逐点张力法进行分析。在进行刮板输送机的输送带进行张力分析时，其张力大小应该满足如下的两个基本条件才能符合设备安全运行的需要，首先，对于摩擦传动条件，输送带的张力必须保证工作时输送带在传动滚筒上不能够出现打滑跑偏的现象。另外，对于垂直条件，输送带的张力应该保证输送带在两托辊之间的下垂度不超过所规定的限值。由于以上两个条件，我们可以看出，对于输送带的张力，我们可以采用逐点张立法求出各个特殊点的张力值，然后再验算摩擦传动条件以及输送带的垂直度。

对于刮板输送机有载段进行阻力验算

W载为有载段阻力，那么W载=［qf2+（q1+q2）f0］Lcosβ+（q+q1+q2）Lsinβ+f1f2γH2L=［qf2+（q1+q2）f0］L0+（q+q1+q2）H0+ f1f2γH2L。

下面分析下空载段运行阻力，W空=（q1+q2）（f0Lcosβ-Lsinβ）=（q1+q2）(f0L0- H0).

对于刮板输送机总牵引力进行分析，总牵引力设定为W，那么W=（W载+ W空）f3.

由上可以整理一个综合的公式，刮板输送机总牵引力W=［q（f2 L0+ H0）+2（q1+q2）f0L0+ f1f2γH2L］f3。

下面就这个导出的方式进行分析一下，此公式中的q为刮板输送机单位长度物料的重力， q1为刮板输送机单位长度链条重力，q2为刮板输送机单位长度刮板的重力，在此为对上面进行简化计算，我们可以把刮板输送机的刮板重力分布到单位长度上，即q2=G1/t。G1为单个刮板的重力，在刮板输送机的形状以及具体空间尺寸结构没有确定下来的时候，单个刮板的重力G1可以近似取数值Bq1，f0为刮板输送机刮板链运行时候的阻力系数，f0的数值可以近似取0.4到0.5之间，其中的L为刮板输送机两端链轮中心距离，其单位可以取m。公式中的L0为刮板输送机两端链轮中心距离水平投影的长度，其单位为m，L0= Lcosβ。H0为刮板输送机两端的高差数值，其单位为m，f3为刮板输送机计算阻力时候的阻力系数，工程设计人员在考虑刮板输送机链轮上刮板链的弯曲以及为防止漂链现象，刮板输送机槽底板呈弧形而引起的附加阻力。

对于刮板输送机的驱动功率的分析，运输机的驱动功率可以由下面的公式求得。

N=Wν/1020η=［q（f2 L0+ H0）+2q1（1+B/t）f0L0+ f1f2γH2L］f3ν/1020η

其中公式中的η为刮板输送机的效率，刮板输送机的效率η取值为介于0.85至0.9之间。

刮板输送机优化分析

刮板输送机目标函数，我们可以把所需驱动功率最小的数值作为目标函数，目标函数可以表示为如下，

F(X)=N= Wν/1020η(min)

刮板输送机设计变量的确定问题

对于刮板输送机的设计遇到的变量问题，一般来说，凡是影响目标函数的独立参数均可以作为设计变量，但对于一定工程所设计的刮板输送机来说，其工作条件和所要运输的物料性质一般也是可以确定的，所以对于上面分析中所用到的参数，比如q，β，f0，q1，这些参数在设计之前就可以初步确定下来。对于刮板输送机槽深H，宽度B，以及刮板链速ν以及刮板间距t这些设计变量，可以组成一个四维的设计变量组合。

刮板输送机设计的约束条件

刮板输送机槽深既要保证物料整体运输的高度，还要不能过低的使运输过程中的物料撒落出去，所以Hmin＜H≤（3/4）Hj, 所以G(1)=x1-Hmin，

G(2)= （3/4）Hj-x1，本公式中Hmin为最低机槽深度，我们可以根据同类刮板运输机的统计的数据以及所要运输的物料的块度来确定。为了保证刮板输送机的安全性，运输机槽底宽度应该满足最大块度的要求，可以用如下公式表示：

B≥dmax+0.2，所以G(3)= x2- dmax-0.2，本公式中的dmax是刮板输送机所运输物料的最大块度。为了使刮板输送机在运转过程中的平稳性，需要对刮板链的运转速度进行限定，

νmin＜ν＜νmax，G(4)= x3-νmin，G(5)= νmax - x3，在刮板输送机在实际使用时为了保障运输机完成所规定的运输量应该使Q＞K1Q额，那么G(6)=3600αγ（x1 x2+1/4tgΦ1x2）x3-K1 Q额,

本公式中的K1为运输能力技术系数，K1大小介于1.2与1.25之间，公式中的Q额为额定生产功率。

前面所描述的四维设计方法其中的变量，对于他们的优化可以选用随机的方法比较合适，设定精度为0.001，那么初值步长H0=0.1，最大方向数值M为50，将初始方案进行优化。

如果所计算的运输量是相同的，那么优化方案比初始方案的消耗功率会降低15%，所以对于优化方案中的参考数值，可以在其他条件不会变化的情况下，对设备的运输能力在一定程度上可以提高。刮板输送机速度的提高对于运输物料的极限高度的影响不是很明显，但是对于我们工程设计人员来说，一味的提高刮板输送机链的速度是不能增加输送机的输送能力的，只会增加对输送机工作零件的冲击以及磨损损伤，另外也会受到机构零部件强度条件的限制。另外，对于刮板输送机整体运行条件的优化，尚需研究物料的块度以及刮板高度对运输物料的影响，在一些基础条件都充足的条件下，对这两个数据应该进行试验测试，以获得更好的设计数据。在满足刮板输送机工作效率的前提下，设计人员可以有限度的增加刮板的宽度，这样可以在一定程度上减轻设备的重量，降低材料的损耗。

以上是对刮板输送机的设计机理以及优化措施进行简单的描述，刮板输送机的设计还要与使用单位的具体要求有关系，所以设计人员要综合考虑。

参考文献：

【1】姚践谦 高物料层运输和参数研究【J】有色金属，2010,NO.17

【2】 高健 机械优化设计基础【J】科学出版社，2006,NO.05