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平煤器故障碰撞安全保護結構的設計和平煤阻力分析

文檔作者：郭建明１郭旭東２文檔來源：１．西山煤電建筑工程集團有限公司礦建第一分公司２．河北工程大學機電工程學院		點擊數(shù)：	更新時間： 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結構的設計和
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有限公司礦建第一分公司，山西太原０３００５３ ；
２．河北工程大學機電工程學院， 河北邯鄲０５６０３８ ）
摘要：煤礦裝車平煤過程中，若平煤器的平煤板抬起發(fā)生故障，就會造成平煤器
損壞、火車牽引絞車燒毀，甚至更嚴重后果。通過對平煤板的受力分析，找出其
薄弱環(huán)節(jié)，從切向破壞力入手，設計平煤器故障碰撞安全保護結構，并提供其選
材依據(jù)。
關鍵詞：裝車平煤器；平煤板；切向破壞力；碰撞安全保護結構
中圖分類號：ＴＤ６３４；Ｕ２９４．２　文獻標志碼：Ａ
文章編號：１００６ －０８９８（２０１６）０４ －０００６ －０５
　　門式平煤器是煤炭裝車站常用設
備，用于對裝入車廂的煤料進行平整。
平煤器在工作過程中，平煤板從車廂頭
部深入車廂，車廂向前運行至尾部接近
平煤器時，平煤板提起。平煤器出現(xiàn)機
械故障、控制繼電器觸點接觸不靈敏或
工作人員操作失誤等情況時，平煤板不
能及時收起而與車廂前端或尾部發(fā)生碰
撞，會對火車車廂造成損害，嚴重時甚至
拖垮整個平煤器或燒壞火車牽引絞車。
在此，通過分析平煤板受力情況，設計了
一種平煤板故障碰撞安全保護結構，以
減輕平煤板提升不當突發(fā)事件造成的損
失。
1 　結構及工作過程
門式平煤器主要由平煤板、平煤支撐
架、驅動電機、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，驅動電機
放松鋼絲繩，使平煤板沿軌道落下并進
入車廂內(nèi)部，到達下限位塊時停止下降，
車廂在牽引絞車的拖動下向前低速運
行，平煤板開始平整煤炭；平整完一個車
廂后，驅動電機拉動鋼絲繩，牽引平煤板
沿軌道上升，到達上限位塊停止，等待下
一車廂的到來，從而避開與運煤車廂前
后邊緣的碰撞。
６
第４ 期
２０１６ 年１２ 月
水力采煤與管道運輸
ＨＹＤＲＡＵＬＩＣ ＣＯＡＬ ＭＩＮＩＮＧ ＆ ＰＩＰＥＬＩＮＥ ＴＲＡＮＳＰＯＲＴＡＴＩＯＮ
Ｎｏ．４
Ｄｅｃ．２０１６
萬方數(shù)據(jù)
１ －平煤板；２ －運煤車廂；３ －平煤支撐架；４ －驅動電機；５ －鋼絲繩；６ －平煤板連接架；
７ －連接銷；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　龍門式平煤器框架
2 　安全保護結構設計及受力分析
無論是平煤器平煤過程還是平煤板
與車廂發(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平煤
板及其連接結構的影響，根據(jù)圖１ 的龍門
式平煤器，利用Ｐｒｏ ／Ｅ 軟件構建了平煤
板、連接銷及平煤器連接架的三維實體
模型，并導入ＡＮＳＹＳ Ｗｏｒｋｂｅｎｃｈ 中，在經(jīng)
過劃分網(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
架之間的銷軸上，且在兩個同樣的銷軸
上，下面的受力最大（圖中用紅色英文字
母“Ｍａｘ”標出），即最容易發(fā)生破壞。
圖２　平煤板應力云圖
７
２０１６ 年１２ 月郭建明等：平煤器故障碰撞安全保護結構的設計和平煤阻力分析第４ 期
萬方數(shù)據(jù)
　　根據(jù)仿真分析結果，設計了一種平煤
板故障碰撞安全保護結構，在平煤板連接
架與平煤板對接處采用一個粗銷軸、多個
細銷的固定方法，其中粗銷軸起連接、支
撐并提供維持平煤板平衡的作用力F０ ，
水平排列的多細銷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Fｍ 作用點距離細銷為L，距離粗銷
軸為H，粗銷軸對平煤板的作用力F０ ，全
部細銷對平煤板作用力F總與平煤板受到
外界碰撞力為Fｍ 。當平煤板正常工作
時，由受力平衡可知：由于粗銷軸為鉸接，
將其視為豎直彎矩作用點，根據(jù)彎矩平衡
可知：（H －L）F總－HFｍ ＝０。
１ －粗銷軸；２ －細銷
圖３　平煤板碰撞安全保護結構及其
受力示意圖
當平煤板因故障無法正常抬起與車
廂發(fā)生碰撞時，由于防脫落橫梁的保護，
其碰撞部位不會超過平煤板平煤部位，沖
撞力的作用使F總－F０ ＜Fｍ ，因為同種材
料的粗銷軸比細銷的承載能力強，所以造
成細銷被剪斷。平煤板在彎矩的作用下，
沿粗銷軸發(fā)生旋轉，使碰撞力不會繼續(xù)增
大，達到保護平煤器和牽引絞車的作用。
而此處選用的細銷既要滿足平煤所受的
阻力要求，又要在平煤板與車廂發(fā)生碰撞
時容易被剪斷。
3 　平煤器阻力分析
平煤器的平煤板受到阻力最大時，即
為推動煤體達到煤塊堆積與掉落達到動
態(tài)平衡時［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化為移動
煤體對平煤板的靜止壓力和移動煤體與
車廂內(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數(shù)微小層面，
則任意層面對平煤板產(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)驗公式計算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粘性，
按照經(jīng)驗法取值λ０ ＝０．４３。
當煤炭平整時移動煤體對平煤板的
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輸?shù)冢?期
萬方數(shù)據(jù)
圖４　移動煤體對平煤板擠壓力計算
設平煤寬度為B，平煤板的有效作用
高度為h，則總擠壓力的計算公式為：
P ＝∫∫P０ dy dz ＝∫h
０∫B
０ γZλ０ dｙ dｚ
＝１２
γＢｈ２ λ０
平煤高h ，?。埃担恚矫簩挾菳，取
２．６ｍ，被推移煤體的重度γ＝３．６ｋＮ／ｍ３ ，
對應靜止壓力系數(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
移動煤體與平煤板處于相對靜止平
衡狀態(tài)，在滿足料斗填補待平整的煤量與
平煤板推落的煤體即平煤板向兩側推落
的煤量與向前推落煤量相同時，平煤板作
用煤體高度h 為０．５ｍ，５ ～５０ｍｍ 粒級煤
塊的內(nèi)摩擦角為３５°，因此向前推動煤體
的長度為：
I ＝ ０．５
ｔａｎ（３５°） ＝０．７ｍ
將移動媒體由拱形最大化到矩形，上
調摩擦力對平煤板的作用點位置，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，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 　細銷選用
通過測得龍門式平煤器平煤板尺寸
可知，當忽略銷的筋板尺寸時，F(xiàn)ｍ 作用點
到細銷距離L ＝２３
×０．５ ＝０．３３３ｍ，到粗
銷軸距離H ＝０．２４ ＋２３
×０．５ ＝０．５７３ｍ。
由平煤板的彎矩平衡的０．２４F總－
０．５７３Fｍ ＝０，得細銷部分所提供支撐力
F總＝７ ４５８Ｎ，平煤板單側的細細銷提供
的支撐力F ＝３ ７２９Ｎ。
單側細銷所受剪力Fｓ ＝F ＝３ ７２９Ｎ，
細銷抗剪強度：
τｍａｘ ＝Fｓ S
ID ＝
Fｓ
d３
１２
〔πd４
６４ 〕d ＝１６
３
Fｓ
πd２ ≤［τ］
式中：［τ］為銷軸許用剪切力，d 為細
銷的公稱直徑。
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 個細銷（ｎ ＝２）所需公
稱直徑：
d ＝ １６
３
１．１Fｓ πn［τ］ ＝７．６２ｍｍ
由設計手冊［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結構的設計和平煤阻力分析第４ 期
萬方數(shù)據(jù)
板細銷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 ，遠遠小于火車牽引絞車牽引力的
３０ ～１００ｋＮ，
所以在滿足平煤需求的情況下，又可
以達到故障碰撞而截斷的目的。
5 　結論
通過提供的平煤器故障碰撞安全保
護結構，實現(xiàn)簡單，便于加工維護，造價低
廉，在火車前進或后退的情況下均可以實
現(xiàn)故障保護，大大降低了工作人員的誤操
作和電氣設備失靈等意外事故造成的損
失。
　　參考文獻：
［１］ 　潘越，劉建廣，趙新平，等．淺談幾種煤礦裝車平煤裝置
［ Ｊ］ ．礦山機械，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用
［ Ｊ］ ．礦山機械，２０１０（２２） ：８３ －８５．
［３］ 　沈銀斌．臨界滑動場法的改進與應用［ Ｄ］ ．合肥工業(yè)大
學，２０１３．
［４］　計三有，孫國正，沈成武，等． 散粒體臨界狀態(tài)下的變形
規(guī)律［ Ｊ］ ．武漢交通科技大學學報，１９９８ （０６） ：２４ －２８．
［５］ 　黃立群．Ｌ 型擋土墻結構受力與變形分析［ Ｄ］ ．西南交
通大學，２０１５ ．
［６］ 　聞邦椿．機械設計手冊［ Ｍ］ ．北京： 機械工業(yè)出版社，
２０１１ ．
作者簡介：
郭建明（１９７１—） ，男，山西省盂縣人，工程師，從事機電設
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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