门式刮板取料机及其行走机构设计要点 门式刮板取料机及其行走机构设计要点
孙 雪1，程 佳1，刘红卫1，张 凯2
(1.北方重工集团有限公司，辽宁 沈阳 110141；2.沈阳新松机器人自动化股份有限公司，辽宁 沈阳 110168)
摘要：介绍了门式刮板取料机的基本结构和取料行走的工作原理，以及半连续定点取料和连续取料的工艺过程及特点，并对取料能力、速度和行走阻力这几个重要参数进行了说明。
关键词：门式刮板取料机；取料工艺；行走机构；设计
0 引言
门式刮板取料机在水泥建材、电力、交通运输、冶金、煤炭、化工等领域的应用非常广泛，主要用于料场对散状物料如原煤、黏土、石灰石等的刮取作业，适用于跨度大、有跨堆作业要求的料场。其操作简单、取料能力大，且运行平稳，检修、维护方便，主要受所堆存物料的性质、数量、可提供的堆存面积、要求的装卸生产能力和现场气候条件的影响。
1 门式刮板取料机的工作原理
本文介绍的门式刮板取料机用于巴基斯坦某电厂输煤系统，由刮板取料系统、变幅机构、门架、固定端行走机构、摆动端行走机构、地面装置、刮板系统导向槽、电缆卷盘、干雾除尘系统、照明系统、电缆布线、控制室及检测系统等部分组成，其结构简图如图1所示。
图1 门式刮板取料机结构简图
本取料机在堆场中与堆料机配合使用，取料机在轨道上往复行走，通过刮板取料系统把物料卸到导料槽内，再由导料槽送到出料胶带机上运出。取料臂每取完一层物料后按预置的指令下降相应的高度(即相应的取料厚度)，并在相应的取料运行速度下将物料逐层取出，直至该料堆的物料全部取净。
当取料机按指令调入即将取料的料堆区域时，即限定了该料堆区域左、右两端的行走极限位置，取料机将在该极限位置内按预定的程序做往复取料运行。安装在电动葫芦上的编码器可以按设定数值准确控制刮板臂的下降角度，保证取料机恒定的取料能力。
2 取料工艺及特点
2.1 半连续定点取料
半连续定点取料是指按生产调度指令，取料机在某一料堆区域的指定位置点进行的取料作业。进行定点取料作业时，行走机构处于停机状态,卷扬系统将取料臂降至料堆既有高度开始取料，随着物料不断被刮板取出料场，卷扬系统控制取料臂不断降低，逐层向下取料。为防止取料点处料堆与相邻点料堆间高差过大，造成高点物料坍塌，当高差达到一定位置时，卷扬系统将取料臂重新提升至相邻料堆高度，行走机构向左或右行走一个刮板宽度的距离，重复前述取料过程，直至收到停机调度指令。
2.2 连续取料
连续取料是指按生产调度指令，取料机在指定取料区域进行的取料作业。进行连续取料作业时，行走机构、卷扬系统和刮板取料系统均处于工作状态，取料机在沿轨道行走的同时，刮板取料系统在料堆区域取料，卷扬系统在取料机每完成一个单向行程后，控制取料臂下降一个设定高度，取料机重新反向运行，重复前一取料过程至该取料区域另一行程控制点。如此循环往复直至该取料区域物料全部取完。
3 门架及行走机构
门架和行走端梁的作用是支承整机结构并驱动取料机在轨道上往复运行。
行走端梁分为固定端梁和摆动端梁，均由车轮组、驱动装置和支承结构梁组成，驱动装置分别设在固定端梁和摆动端梁上。
门架一侧用螺栓与固定端梁刚性连接(相当于两个支撑点)，另一侧与摆动端梁铰接，相当于一个支撑点，最终形成三点接触的静定结构。
固定端梁(见图2)采用4轮支撑，2个车轮构成一组，共两组，每组车轮配有一套驱动，共2套驱动，每个车轮组均通过铰轴构成1个支撑点，保证两个车轮受力相同，最终与固定端梁体构成两个支撑点。固定端梁两端设置挡轮组，用来抵抗取料机在工作中产生的垂直轨道的作用力(阻力)。这种结构可以有效保证车轮不啃轨。
摆动端梁(见图3)采用4轮支撑，2个车轮构成一组，共两组，每组车轮配有一套驱动，共2套驱动，每个车轮组均通过铰轴构成1个支撑点，两组车轮组最终通过端梁顶部的球铰构成一个支撑点。
图2 固定端梁结构示意图
图3 摆动端梁结构示意图
4 行走计算
4.1 取料能力的计算
门式刮板取料机的行走速度是由其取料能力决定的，而刮板取料机取料作业主要是通过刮板来实现的，刮板取料机的取料能力与刮板的宽度及有效高度、物料密度、刮板链速和刮板间距有关。刮板的生产能力Q(t/h)计算公式为：
.
其中：V为刮板有效容积，m3；ρ为物料密度，t/m3；v链速为刮板链速，m/s；Δ为刮板填充率；t为刮板间距。
4.2 行走速度的计算
取料机的行走速度主要分为取料时行走速度和调车时行走速度。本套设备在两种情况下需要调车，一种情况是需要到维修区域进行检修时；另一种是因为堆取料机需要换堆时要求互相调车，调车速度是取料行走速度的2倍。取料时行走速度的计算公式为：
.
其中：S为料堆有效截面积，m2。由此可以看出行走速度跟刮板有效容积、刮板链速、刮板填充率、刮板间距和物料密度有着密切的关系。
4.3 行走总阻力的计算
行走机构的运行阻力F行走一般包含有运行的摩擦阻力F运行、物料对刮板的切削阻力F1、物料的摩擦阻力F2、在有坡度轨道上运行时必须克服的由取料机重量分力引起的阻力即运行坡度阻力F坡度，如果在室外工作还要考虑到由于风载引起的阻力即风载阻力F风阻。即：
F行走=F运行+F1+F2+F坡度+F风阻.
4.3.1 主机运行摩擦阻力
取料机在无风、水平轨道上运行时，其主要摩擦阻力有车轮踏面在轨道上的滚动摩擦阻力、车轮轴承的摩擦阻力和附加摩擦阻力，其计算公式为：
.
其中：G重为主机重(不包括轨道系统)，t；Ct为附加摩擦力系数，Ct=1.2～1.8；μ为轴承摩擦因数;d轮为轴承内径，m；k为车轮沿轨道的滚动摩擦因数；D轮为车轮直径，m；ω为运行阻力系数。在计算运行摩擦阻力时直接引用阻力系数更方便些，其推荐值见表1。
表1 运行阻力系数推荐值
车轮直径(mm)[***********]0轴枢直径(mm)[**************]20滑动轴承0.0240.0220.0200.0190.0190.019滚动轴承0.0080.00750.0070.0070.00650.0065
4.3.2 物料对刮板的切削阻力
物料对刮板的切削阻力计算公式为：
F1=0.65×τ×h×a.
其中：τ为刮板对物料的线切割力，kg/cm；h为刮板高度，cm；a为物料范围内刮板数量。
4.3.3 物料的摩擦阻力
物料的摩擦阻力计算公式为：
.
其中：G物为所有刮板空间的物料量，kg；b为刮板取料平均系数；f为物料摩擦因数。
4.3.4 运行坡度阻力
轨道理论上是水平的，不存在运行坡度阻力，但实际上轨道是铺设在地基上面的，不可避免地会产生变形。所以计算时要考虑坡度阻力，即取料机在斜坡上因自重而产生的阻力。其计算公式为：
F坡度=K×G重.
其中：K为坡度阻力系数，根据经验推荐门式起重机为0.003。
4.3.5 运行风阻
在室外工作时应考虑风载荷的影响，并认为风载荷是一种任意方向的水平力，计算时应取风力方向垂直于运行方向。风阻计算公式为：
F风阻=q×A×C.
其中：q为计算风压，与空气密度和风速有关，N/m2；A为迎风面积，m2；C为风力系数。
5 结语
门式刮板取料机的来回运行作业是由行走机构完成的，行走的速度又是由取料机的取料能力、物料性质和料堆形式所决定的，行走机构所受到的阻力对于后续计算功率选择驱动装置又是至关重要的。
参考文献：
[1] 张质文.起重机设计手册[M].北京：中国铁道出版社，2013.
[2] 成大先.机械设计手册[M].北京：化学工业出版社，2008.
[3] 张宝国，张起伟.行式斗轮堆取料机行走机构驱动功率的计算及电机选型[J].矿山机械，2009(1)：49-53.
Design of Moving Mechanism of Gantry Scraping Reclaimer
SUN Xue1, CHENG Jia1, LIU Hong-wei1, ZHANG Kai2
(1.Northern Heavy Industries Group Co., Ltd., Shengyang 110141, China; 2.Siasun Robot & Automation Co., Ltd., Shenyang 110168, China)
Abstract：The paper relates the basic structure and working principle of reclaiming and moving of gantry scraping reclaimer, and introduces the technological process and characteristic of semicontinuous fixed point reclaiming and continuous reclaiming. These parameters of reclaiming capacity, speed and moving resistance are described in detail.
Key words：gantry scraping reclaimer; reclaiming technology; moving mechanism; design
文章编号：1672- 6413(2017)01- 0132- 02
收稿日期：2016- 07- 07；
修订日期：2016- 12- 05
作者简介：孙雪(1984-)，女，辽宁沈阳人，工程师，硕士，从事露天矿山设备设计工作。
中图分类号：TD63+4
文献标识码：A
门式刮板取料机及其行走机构设计要点 门式刮板取料机及其行走机构设计要点
孙 雪1，程 佳1，刘红卫1，张 凯2
(1.北方重工集团有限公司，辽宁 沈阳 110141；2.沈阳新松机器人自动化股份有限公司，辽宁 沈阳 110168)
摘要：介绍了门式刮板取料机的基本结构和取料行走的工作原理，以及半连续定点取料和连续取料的工艺过程及特点，并对取料能力、速度和行走阻力这几个重要参数进行了说明。
关键词：门式刮板取料机；取料工艺；行走机构；设计
0 引言
门式刮板取料机在水泥建材、电力、交通运输、冶金、煤炭、化工等领域的应用非常广泛，主要用于料场对散状物料如原煤、黏土、石灰石等的刮取作业，适用于跨度大、有跨堆作业要求的料场。其操作简单、取料能力大，且运行平稳，检修、维护方便，主要受所堆存物料的性质、数量、可提供的堆存面积、要求的装卸生产能力和现场气候条件的影响。
1 门式刮板取料机的工作原理
本文介绍的门式刮板取料机用于巴基斯坦某电厂输煤系统，由刮板取料系统、变幅机构、门架、固定端行走机构、摆动端行走机构、地面装置、刮板系统导向槽、电缆卷盘、干雾除尘系统、照明系统、电缆布线、控制室及检测系统等部分组成，其结构简图如图1所示。
图1 门式刮板取料机结构简图
本取料机在堆场中与堆料机配合使用，取料机在轨道上往复行走，通过刮板取料系统把物料卸到导料槽内，再由导料槽送到出料胶带机上运出。取料臂每取完一层物料后按预置的指令下降相应的高度(即相应的取料厚度)，并在相应的取料运行速度下将物料逐层取出，直至该料堆的物料全部取净。
当取料机按指令调入即将取料的料堆区域时，即限定了该料堆区域左、右两端的行走极限位置，取料机将在该极限位置内按预定的程序做往复取料运行。安装在电动葫芦上的编码器可以按设定数值准确控制刮板臂的下降角度，保证取料机恒定的取料能力。
2 取料工艺及特点
2.1 半连续定点取料
半连续定点取料是指按生产调度指令，取料机在某一料堆区域的指定位置点进行的取料作业。进行定点取料作业时，行走机构处于停机状态,卷扬系统将取料臂降至料堆既有高度开始取料，随着物料不断被刮板取出料场，卷扬系统控制取料臂不断降低，逐层向下取料。为防止取料点处料堆与相邻点料堆间高差过大，造成高点物料坍塌，当高差达到一定位置时，卷扬系统将取料臂重新提升至相邻料堆高度，行走机构向左或右行走一个刮板宽度的距离，重复前述取料过程，直至收到停机调度指令。
2.2 连续取料
连续取料是指按生产调度指令，取料机在指定取料区域进行的取料作业。进行连续取料作业时，行走机构、卷扬系统和刮板取料系统均处于工作状态，取料机在沿轨道行走的同时，刮板取料系统在料堆区域取料，卷扬系统在取料机每完成一个单向行程后，控制取料臂下降一个设定高度，取料机重新反向运行，重复前一取料过程至该取料区域另一行程控制点。如此循环往复直至该取料区域物料全部取完。
3 门架及行走机构
门架和行走端梁的作用是支承整机结构并驱动取料机在轨道上往复运行。
行走端梁分为固定端梁和摆动端梁，均由车轮组、驱动装置和支承结构梁组成，驱动装置分别设在固定端梁和摆动端梁上。
门架一侧用螺栓与固定端梁刚性连接(相当于两个支撑点)，另一侧与摆动端梁铰接，相当于一个支撑点，最终形成三点接触的静定结构。
固定端梁(见图2)采用4轮支撑，2个车轮构成一组，共两组，每组车轮配有一套驱动，共2套驱动，每个车轮组均通过铰轴构成1个支撑点，保证两个车轮受力相同，最终与固定端梁体构成两个支撑点。固定端梁两端设置挡轮组，用来抵抗取料机在工作中产生的垂直轨道的作用力(阻力)。这种结构可以有效保证车轮不啃轨。
摆动端梁(见图3)采用4轮支撑，2个车轮构成一组，共两组，每组车轮配有一套驱动，共2套驱动，每个车轮组均通过铰轴构成1个支撑点，两组车轮组最终通过端梁顶部的球铰构成一个支撑点。
图2 固定端梁结构示意图
图3 摆动端梁结构示意图
4 行走计算
4.1 取料能力的计算
门式刮板取料机的行走速度是由其取料能力决定的，而刮板取料机取料作业主要是通过刮板来实现的，刮板取料机的取料能力与刮板的宽度及有效高度、物料密度、刮板链速和刮板间距有关。刮板的生产能力Q(t/h)计算公式为：
.
其中：V为刮板有效容积，m3；ρ为物料密度，t/m3；v链速为刮板链速，m/s；Δ为刮板填充率；t为刮板间距。
4.2 行走速度的计算
取料机的行走速度主要分为取料时行走速度和调车时行走速度。本套设备在两种情况下需要调车，一种情况是需要到维修区域进行检修时；另一种是因为堆取料机需要换堆时要求互相调车，调车速度是取料行走速度的2倍。取料时行走速度的计算公式为：
.
其中：S为料堆有效截面积，m2。由此可以看出行走速度跟刮板有效容积、刮板链速、刮板填充率、刮板间距和物料密度有着密切的关系。
4.3 行走总阻力的计算
行走机构的运行阻力F行走一般包含有运行的摩擦阻力F运行、物料对刮板的切削阻力F1、物料的摩擦阻力F2、在有坡度轨道上运行时必须克服的由取料机重量分力引起的阻力即运行坡度阻力F坡度，如果在室外工作还要考虑到由于风载引起的阻力即风载阻力F风阻。即：
F行走=F运行+F1+F2+F坡度+F风阻.
4.3.1 主机运行摩擦阻力
取料机在无风、水平轨道上运行时，其主要摩擦阻力有车轮踏面在轨道上的滚动摩擦阻力、车轮轴承的摩擦阻力和附加摩擦阻力，其计算公式为：
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其中：G重为主机重(不包括轨道系统)，t；Ct为附加摩擦力系数，Ct=1.2～1.8；μ为轴承摩擦因数;d轮为轴承内径，m；k为车轮沿轨道的滚动摩擦因数；D轮为车轮直径，m；ω为运行阻力系数。在计算运行摩擦阻力时直接引用阻力系数更方便些，其推荐值见表1。
表1 运行阻力系数推荐值
车轮直径(mm)[***********]0轴枢直径(mm)[**************]20滑动轴承0.0240.0220.0200.0190.0190.019滚动轴承0.0080.00750.0070.0070.00650.0065
4.3.2 物料对刮板的切削阻力
物料对刮板的切削阻力计算公式为：
F1=0.65×τ×h×a.
其中：τ为刮板对物料的线切割力，kg/cm；h为刮板高度，cm；a为物料范围内刮板数量。
4.3.3 物料的摩擦阻力
物料的摩擦阻力计算公式为：
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其中：G物为所有刮板空间的物料量，kg；b为刮板取料平均系数；f为物料摩擦因数。
4.3.4 运行坡度阻力
轨道理论上是水平的，不存在运行坡度阻力，但实际上轨道是铺设在地基上面的，不可避免地会产生变形。所以计算时要考虑坡度阻力，即取料机在斜坡上因自重而产生的阻力。其计算公式为：
F坡度=K×G重.
其中：K为坡度阻力系数，根据经验推荐门式起重机为0.003。
4.3.5 运行风阻
在室外工作时应考虑风载荷的影响，并认为风载荷是一种任意方向的水平力，计算时应取风力方向垂直于运行方向。风阻计算公式为：
F风阻=q×A×C.
其中：q为计算风压，与空气密度和风速有关，N/m2；A为迎风面积，m2；C为风力系数。
5 结语
门式刮板取料机的来回运行作业是由行走机构完成的，行走的速度又是由取料机的取料能力、物料性质和料堆形式所决定的，行走机构所受到的阻力对于后续计算功率选择驱动装置又是至关重要的。
参考文献：
[1] 张质文.起重机设计手册[M].北京：中国铁道出版社，2013.
[2] 成大先.机械设计手册[M].北京：化学工业出版社，2008.
[3] 张宝国，张起伟.行式斗轮堆取料机行走机构驱动功率的计算及电机选型[J].矿山机械，2009(1)：49-53.
Design of Moving Mechanism of Gantry Scraping Reclaimer
SUN Xue1, CHENG Jia1, LIU Hong-wei1, ZHANG Kai2
(1.Northern Heavy Industries Group Co., Ltd., Shengyang 110141, China; 2.Siasun Robot & Automation Co., Ltd., Shenyang 110168, China)
Abstract：The paper relates the basic structure and working principle of reclaiming and moving of gantry scraping reclaimer, and introduces the technological process and characteristic of semicontinuous fixed point reclaiming and continuous reclaiming. These parameters of reclaiming capacity, speed and moving resistance are described in detail.
Key words：gantry scraping reclaimer; reclaiming technology; moving mechanism; design
文章编号：1672- 6413(2017)01- 0132- 02
收稿日期：2016- 07- 07；
修订日期：2016- 12- 05
作者简介：孙雪(1984-)，女，辽宁沈阳人，工程师，硕士，从事露天矿山设备设计工作。
中图分类号：TD63+4
文献标识码：A