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平煤器故障碰撞安全保護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和平煤阻力分析

文檔作者：郭建明１郭旭東２文檔來(lái)源：１．西山煤電建筑工程集團(tuán)有限公司礦建第一分公司２．河北工程大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時(shí)間： 2022年12月09日
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ＤＯＩ：１０．１４１８７ ／ｊ．ｃｎｋｉ．ｃｎ１３ －１１８５ ／ｔｎ．２０１６．１２．００２
平煤器故障碰撞安全保護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和
平煤阻力分析
郭建明１ 　郭旭東２
（１．西山煤電建筑工程集團(tuán)有限公司礦建第一分公司，山西太原０３００５３ ；
２．河北工程大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院， 河北邯鄲０５６０３８ ）
摘要：煤礦裝車(chē)平煤過(guò)程中，若平煤器的平煤板抬起發(fā)生故障，就會(huì)造成平煤器
損壞、火車(chē)牽引絞車(chē)燒毀，甚至更嚴(yán)重后果。通過(guò)對(duì)平煤板的受力分析，找出其
薄弱環(huán)節(jié)，從切向破壞力入手，設(shè)計(jì)平煤器故障碰撞安全保護(hù)結(jié)構(gòu)，并提供其選
材依據(jù)。
關(guān)鍵詞：裝車(chē)平煤器；平煤板；切向破壞力；碰撞安全保護(hù)結(jié)構(gòu)
中圖分類(lèi)號(hào)：ＴＤ６３４；Ｕ２９４．２　文獻(xiàn)標(biāo)志碼：Ａ
文章編號(hào)：１００６ －０８９８（２０１６）０４ －０００６ －０５
　　門(mén)式平煤器是煤炭裝車(chē)站常用設(shè)
備，用于對(duì)裝入車(chē)廂的煤料進(jìn)行平整。
平煤器在工作過(guò)程中，平煤板從車(chē)廂頭
部深入車(chē)廂，車(chē)廂向前運(yùn)行至尾部接近
平煤器時(shí)，平煤板提起。平煤器出現(xiàn)機(jī)
械故障、控制繼電器觸點(diǎn)接觸不靈敏或
工作人員操作失誤等情況時(shí)，平煤板不
能及時(shí)收起而與車(chē)廂前端或尾部發(fā)生碰
撞，會(huì)對(duì)火車(chē)車(chē)廂造成損害，嚴(yán)重時(shí)甚至
拖垮整個(gè)平煤器或燒壞火車(chē)牽引絞車(chē)。
在此，通過(guò)分析平煤板受力情況，設(shè)計(jì)了
一種平煤板故障碰撞安全保護(hù)結(jié)構(gòu)，以
減輕平煤板提升不當(dāng)突發(fā)事件造成的損
失。
1 　結(jié)構(gòu)及工作過(guò)程
門(mén)式平煤器主要由平煤板、平煤支撐
架、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、鋼絲繩、平煤板連接架、掛
鉤、平煤板軌道、上限位、下限位組
成［１ －２］ ，如圖１ 所示。工作時(shí)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)
放松鋼絲繩，使平煤板沿軌道落下并進(jìn)
入車(chē)廂內(nèi)部，到達(dá)下限位塊時(shí)停止下降，
車(chē)廂在牽引絞車(chē)的拖動(dòng)下向前低速運(yùn)
行，平煤板開(kāi)始平整煤炭；平整完一個(gè)車(chē)
廂后，驅(qū)動(dòng)電機(jī)拉動(dòng)鋼絲繩，牽引平煤板
沿軌道上升，到達(dá)上限位塊停止，等待下
一車(chē)廂的到來(lái)，從而避開(kāi)與運(yùn)煤車(chē)廂前
后邊緣的碰撞。
６
第４ 期
２０１６ 年１２ 月
水力采煤與管道運(yùn)輸
ＨＹＤＲＡＵＬＩＣ ＣＯＡＬ ＭＩＮＩＮＧ ＆ ＰＩＰＥＬＩＮＥ ＴＲＡＮＳＰＯＲＴＡＴＩＯＮ
Ｎｏ．４
Ｄｅｃ．２０１６
萬(wàn)方數(shù)據(jù)
１ －平煤板；２ －運(yùn)煤車(chē)廂；３ －平煤支撐架；４ －驅(qū)動(dòng)電機(jī)；５ －鋼絲繩；６ －平煤板連接架；
７ －連接銷(xiāo)；８．掛鉤；９ －平煤板軌道；１０ －上限位；１１ －下限位；１２ －防脫落橫梁
圖１　龍門(mén)式平煤器框架
2 　安全保護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及受力分析
無(wú)論是平煤器平煤過(guò)程還是平煤板
與車(chē)廂發(fā)生意外碰撞，力的作用位置均
在平煤板上。為了得到垂直載荷對(duì)平煤
板及其連接結(jié)構(gòu)的影響，根據(jù)圖１ 的龍門(mén)
式平煤器，利用Ｐｒｏ ／Ｅ 軟件構(gòu)建了平煤
板、連接銷(xiāo)及平煤器連接架的三維實(shí)體
模型，并導(dǎo)入ＡＮＳＹＳ Ｗｏｒｋｂｅｎｃｈ 中，在經(jīng)
過(guò)劃分網(wǎng)格、固定和施加垂直作用力等
處理后，得到平煤板的應(yīng)力云圖，如圖２
所示。在垂直載荷的作用下，平煤板受
到影響最大的部位處于平煤板與其連接
架之間的銷(xiāo)軸上，且在兩個(gè)同樣的銷(xiāo)軸
上，下面的受力最大（圖中用紅色英文字
母“Ｍａｘ”標(biāo)出），即最容易發(fā)生破壞。
圖２　平煤板應(yīng)力云圖
７
２０１６ 年１２ 月郭建明等：平煤器故障碰撞安全保護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和平煤阻力分析第４ 期
萬(wàn)方數(shù)據(jù)
　　根據(jù)仿真分析結(jié)果，設(shè)計(jì)了一種平煤
板故障碰撞安全保護(hù)結(jié)構(gòu)，在平煤板連接
架與平煤板對(duì)接處采用一個(gè)粗銷(xiāo)軸、多個(gè)
細(xì)銷(xiāo)的固定方法，其中粗銷(xiāo)軸起連接、支
撐并提供維持平煤板平衡的作用力F０ ，
水平排列的多細(xì)銷(xiāo)有固定平煤板并且整
體提供橫向平煤力F總，如圖３ 所示。
設(shè)Fｍ 作用點(diǎn)距離細(xì)銷(xiāo)為L(zhǎng)，距離粗銷(xiāo)
軸為H，粗銷(xiāo)軸對(duì)平煤板的作用力F０ ，全
部細(xì)銷(xiāo)對(duì)平煤板作用力F總與平煤板受到
外界碰撞力為Fｍ 。當(dāng)平煤板正常工作
時(shí)，由受力平衡可知：由于粗銷(xiāo)軸為鉸接，
將其視為豎直彎矩作用點(diǎn)，根據(jù)彎矩平衡
可知：（H －L）F總－HFｍ ＝０。
１ －粗銷(xiāo)軸；２ －細(xì)銷(xiāo)
圖３　平煤板碰撞安全保護(hù)結(jié)構(gòu)及其
受力示意圖
當(dāng)平煤板因故障無(wú)法正常抬起與車(chē)
廂發(fā)生碰撞時(shí)，由于防脫落橫梁的保護(hù)，
其碰撞部位不會(huì)超過(guò)平煤板平煤部位，沖
撞力的作用使F總－F０ ＜Fｍ ，因?yàn)橥N材
料的粗銷(xiāo)軸比細(xì)銷(xiāo)的承載能力強(qiáng)，所以造
成細(xì)銷(xiāo)被剪斷。平煤板在彎矩的作用下，
沿粗銷(xiāo)軸發(fā)生旋轉(zhuǎn)，使碰撞力不會(huì)繼續(xù)增
大，達(dá)到保護(hù)平煤器和牽引絞車(chē)的作用。
而此處選用的細(xì)銷(xiāo)既要滿(mǎn)足平煤所受的
阻力要求，又要在平煤板與車(chē)廂發(fā)生碰撞
時(shí)容易被剪斷。
3 　平煤器阻力分析
平煤器的平煤板受到阻力最大時(shí)，即
為推動(dòng)煤體達(dá)到煤塊堆積與掉落達(dá)到動(dòng)
態(tài)平衡時(shí)［３］ 。在料斗灑落煤量能夠保持
平煤板正向推落煤塊接近自由掉落的前
提下［４］ ，平煤板所受阻力可簡(jiǎn)化為移動(dòng)
煤體對(duì)平煤板的靜止壓力和移動(dòng)煤體與
車(chē)廂內(nèi)基體的摩擦力之和。
3 ．1 　平煤板靜止擠壓力
將被推移的煤體分作無(wú)數(shù)微小層面，
則任意層面對(duì)平煤板產(chǎn)生的壓力為［５］ ：
P０ ＝γZλ０
式中： γ為被推移煤體的重度，
ｋＮ／ｍ３ ；Z 為所求層面距離煤體表面的深
度，ｍ；λ０ 為靜止壓力系數(shù)。
可根據(jù)半經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算λ０ ＝１ －
ｓｉｎφ０ ，φ０ 為被推移煤體的重度綜合內(nèi)摩
擦角，（°）。由于被平整的煤塊無(wú)粘性，
按照經(jīng)驗(yàn)法取值λ０ ＝０．４３。
當(dāng)煤炭平整時(shí)移動(dòng)煤體對(duì)平煤板的
擠壓力自上而下近似成三角形分布，合力
P 的作用點(diǎn)位于平煤板有效作用高度向
下三分之二處，如圖４ 所示。
８
２０１６ 年１２ 月水力采煤與管道運(yùn)輸?shù)冢?期
萬(wàn)方數(shù)據(jù)
圖４　移動(dòng)煤體對(duì)平煤板擠壓力計(jì)算
設(shè)平煤寬度為B，平煤板的有效作用
高度為h，則總擠壓力的計(jì)算公式為：
P ＝∫∫P０ dy dz ＝∫h
０∫B
０ γZλ０ dｙ dｚ
＝１２
γＢｈ２ λ０
平煤高h(yuǎn) ，?。埃担?，平煤寬度B，取
２．６ｍ，被推移煤體的重度γ＝３．６ｋＮ／ｍ３ ，
對(duì)應(yīng)靜止壓力系數(shù)λ０ ＝０．４３。因此平煤
器所受的最大擠壓力：
P ＝１２
γBh２ λ０ ≈０．５０３ｋＮ
3 ．2 　煤體間摩擦力
移動(dòng)煤體與平煤板處于相對(duì)靜止平
衡狀態(tài)，在滿(mǎn)足料斗填補(bǔ)待平整的煤量與
平煤板推落的煤體即平煤板向兩側(cè)推落
的煤量與向前推落煤量相同時(shí)，平煤板作
用煤體高度h 為０．５ｍ，５ ～５０ｍｍ 粒級(jí)煤
塊的內(nèi)摩擦角為３５°，因此向前推動(dòng)煤體
的長(zhǎng)度為：
I ＝ ０．５
ｔａｎ（３５°） ＝０．７ｍ
將移動(dòng)媒體由拱形最大化到矩形，上
調(diào)摩擦力對(duì)平煤板的作用點(diǎn)位置，保證相
同的平煤效果。煤塊間摩擦系數(shù)，則由于
平煤板推動(dòng)，煤體間產(chǎn)生摩擦力：
Fｆ ＝fγIBh ＝２．６２０ ８ｋＮ
綜合以上推算，平煤板所受阻力Fｍ
＝P ＋Fｆ ＝３．１２３ ８ｋＮ。
4 　細(xì)銷(xiāo)選用
通過(guò)測(cè)得龍門(mén)式平煤器平煤板尺寸
可知，當(dāng)忽略銷(xiāo)的筋板尺寸時(shí)，F(xiàn)ｍ 作用點(diǎn)
到細(xì)銷(xiāo)距離L ＝２３
×０．５ ＝０．３３３ｍ，到粗
銷(xiāo)軸距離H ＝０．２４ ＋２３
×０．５ ＝０．５７３ｍ。
由平煤板的彎矩平衡的０．２４F總－
０．５７３Fｍ ＝０，得細(xì)銷(xiāo)部分所提供支撐力
F總＝７ ４５８Ｎ，平煤板單側(cè)的細(xì)細(xì)銷(xiāo)提供
的支撐力F ＝３ ７２９Ｎ。
單側(cè)細(xì)銷(xiāo)所受剪力Fｓ ＝F ＝３ ７２９Ｎ，
細(xì)銷(xiāo)抗剪強(qiáng)度：
τｍａｘ ＝Fｓ S
ID ＝
Fｓ
d３
１２
〔πd４
６４ 〕d ＝１６
３
Fｓ
πd２ ≤［τ］
式中：［τ］為銷(xiāo)軸許用剪切力，d 為細(xì)
銷(xiāo)的公稱(chēng)直徑。
考慮彎矩影響而降低了的４５ 鋼的許
用剪切力［ τ］ ＝６０ＭＰａ，平煤工作安全系
數(shù)為１．１，則采用２ 個(gè)細(xì)銷(xiāo)（ｎ ＝２）所需公
稱(chēng)直徑：
d ＝ １６
３
１．１Fｓ πn［τ］ ＝７．６２ｍｍ
由設(shè)計(jì)手冊(cè)［６］ 選取d ＝８ｍｍ，則平煤
９
２０１６ 年１２ 月郭建明等：平煤器故障碰撞安全保護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和平煤阻力分析第４ 期
萬(wàn)方數(shù)據(jù)
板細(xì)銷(xiāo)部分可承受最大剪力為：
FｓＭＡＸ ＝２n ３
１６πd２ ［τ］ ＝９ ０４３．２Ｎ
平煤板可承受最大阻力FＭＡＸ ＝３．７９
＞Fｍ ，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于火車(chē)牽引絞車(chē)牽引力的
３０ ～１００ｋＮ，
所以在滿(mǎn)足平煤需求的情況下，又可
以達(dá)到故障碰撞而截?cái)嗟哪康摹?
5 　結(jié)論
通過(guò)提供的平煤器故障碰撞安全保
護(hù)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，便于加工維護(hù)，造價(jià)低
廉，在火車(chē)前進(jìn)或后退的情況下均可以實(shí)
現(xiàn)故障保護(hù)，大大降低了工作人員的誤操
作和電氣設(shè)備失靈等意外事故造成的損
失。
　　參考文獻(xiàn)：
［１］ 　潘越，劉建廣，趙新平，等．淺談幾種煤礦裝車(chē)平煤裝置
［ Ｊ］ ．礦山機(jī)械，２０１６（０４） ：５ －７．
［２］ 　孫春平，李世忠，周旭升．雙向防撞平煤器的研制與應(yīng)用
［ Ｊ］ ．礦山機(jī)械，２０１０（２２） ：８３ －８５．
［３］ 　沈銀斌．臨界滑動(dòng)場(chǎng)法的改進(jìn)與應(yīng)用［ Ｄ］ ．合肥工業(yè)大
學(xué)，２０１３．
［４］　計(jì)三有，孫國(guó)正，沈成武，等． 散粒體臨界狀態(tài)下的變形
規(guī)律［ Ｊ］ ．武漢交通科技大學(xué)學(xué)報(bào)，１９９８ （０６） ：２４ －２８．
［５］ 　黃立群．Ｌ 型擋土墻結(jié)構(gòu)受力與變形分析［ Ｄ］ ．西南交
通大學(xué)，２０１５ ．
［６］ 　聞邦椿．機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)［ Ｍ］ ．北京： 機(jī)械工業(yè)出版社，
２０１１ ．
作者簡(jiǎn)介：
郭建明（１９７１—） ，男，山西省盂縣人，工程師，從事機(jī)電設(shè)
備的管理工作。
Ｅ －ｍａｉｌ：１５８３４１８３９５７＠１６３ ．ｃｏｍ?。裕澹欤海保担福常矗保福常梗担?
收稿日期：２０１６ －１１ －１１
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萬(wàn)方數(shù)據(jù)

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