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平煤器故障碰撞安全保护结构的设计和平煤阻力分析

文档作者：郭建明１郭旭东２文档来源：１．西山煤电建筑工程集团有限公司矿建第一分公司２．河北工程大学机电工程学院		点击数：	更新时间： 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护结构的设计和
平煤阻力分析
郭建明１ 　郭旭东２
（１．西山煤电建筑工程集团有限公司矿建第一分公司，山西太原０３００５３ ；
２．河北工程大学机电工程学院， 河北邯郸０５６０３８ ）
摘要：煤矿装车平煤过程中，若平煤器的平煤板抬起发生故障，就会造成平煤器
损坏、火车牵引绞车烧毁，甚至更严重后果。通过对平煤板的受力分析，找出其
薄弱环节，从切向破坏力入手，设计平煤器故障碰撞安全保护结构，并提供其选
材依据。
关键词：装车平煤器；平煤板；切向破坏力；碰撞安全保护结构
中图分类号：ＴＤ６３４；Ｕ２９４．２　文献标志码：Ａ
文章编号：１００６ －０８９８（２０１６）０４ －０００６ －０５
　　门式平煤器是煤炭装车站常用设
备，用于对装入车厢的煤料进行平整。
平煤器在工作过程中，平煤板从车厢头
部深入车厢，车厢向前运行至尾部接近
平煤器时，平煤板提起。平煤器出现机
械故障、控制继电器触点接触不灵敏或
工作人员操作失误等情况时，平煤板不
能及时收起而与车厢前端或尾部发生碰
撞，会对火车车厢造成损害，严重时甚至
拖垮整个平煤器或烧坏火车牵引绞车。
在此，通过分析平煤板受力情况，设计了
一种平煤板故障碰撞安全保护结构，以
减轻平煤板提升不当突发事件造成的损
失。
1 　结构及工作过程
门式平煤器主要由平煤板、平煤支撑
架、驱动电机、钢丝绳、平煤板连接架、挂
钩、平煤板轨道、上限位、下限位组
成［１ －２］ ，如图１ 所示。工作时，驱动电机
放松钢丝绳，使平煤板沿轨道落下并进
入车厢内部，到达下限位块时停止下降，
车厢在牵引绞车的拖动下向前低速运
行，平煤板开始平整煤炭；平整完一个车
厢后，驱动电机拉动钢丝绳，牵引平煤板
沿轨道上升，到达上限位块停止，等待下
一车厢的到来，从而避开与运煤车厢前
后边缘的碰撞。
６
第４ 期
２０１６ 年１２ 月
水力采煤与管道运输
ＨＹＤＲＡＵＬＩＣ ＣＯＡＬ ＭＩＮＩＮＧ ＆ ＰＩＰＥＬＩＮＥ ＴＲＡＮＳＰＯＲＴＡＴＩＯＮ
Ｎｏ．４
Ｄｅｃ．２０１６
万方数据
１ －平煤板；２ －运煤车厢；３ －平煤支撑架；４ －驱动电机；５ －钢丝绳；６ －平煤板连接架；
７ －连接销；８．挂钩；９ －平煤板轨道；１０ －上限位；１１ －下限位；１２ －防脱落横梁
图１　龙门式平煤器框架
2 　安全保护结构设计及受力分析
无论是平煤器平煤过程还是平煤板
与车厢发生意外碰撞，力的作用位置均
在平煤板上。为了得到垂直载荷对平煤
板及其连接结构的影响，根据图１ 的龙门
式平煤器，利用Ｐｒｏ ／Ｅ 软件构建了平煤
板、连接销及平煤器连接架的三维实体
模型，并导入ＡＮＳＹＳ Ｗｏｒｋｂｅｎｃｈ 中，在经
过划分网格、固定和施加垂直作用力等
处理后，得到平煤板的应力云图，如图２
所示。在垂直载荷的作用下，平煤板受
到影响最大的部位处于平煤板与其连接
架之间的销轴上，且在两个同样的销轴
上，下面的受力最大（图中用红色英文字
母“Ｍａｘ”标出），即最容易发生破坏。
图２　平煤板应力云图
７
２０１６ 年１２ 月郭建明等：平煤器故障碰撞安全保护结构的设计和平煤阻力分析第４ 期
万方数据
　　根据仿真分析结果，设计了一种平煤
板故障碰撞安全保护结构，在平煤板连接
架与平煤板对接处采用一个粗销轴、多个
细销的固定方法，其中粗销轴起连接、支
撑并提供维持平煤板平衡的作用力F０ ，
水平排列的多细销有固定平煤板并且整
体提供横向平煤力F总，如图３ 所示。
设Fｍ 作用点距离细销为L，距离粗销
轴为H，粗销轴对平煤板的作用力F０ ，全
部细销对平煤板作用力F总与平煤板受到
外界碰撞力为Fｍ 。当平煤板正常工作
时，由受力平衡可知：由于粗销轴为铰接，
将其视为竖直弯矩作用点，根据弯矩平衡
可知：（H －L）F总－HFｍ ＝０。
１ －粗销轴；２ －细销
图３　平煤板碰撞安全保护结构及其
受力示意图
当平煤板因故障无法正常抬起与车
厢发生碰撞时，由于防脱落横梁的保护，
其碰撞部位不会超过平煤板平煤部位，冲
撞力的作用使F总－F０ ＜Fｍ ，因为同种材
料的粗销轴比细销的承载能力强，所以造
成细销被剪断。平煤板在弯矩的作用下，
沿粗销轴发生旋转，使碰撞力不会继续增
大，达到保护平煤器和牵引绞车的作用。
而此处选用的细销既要满足平煤所受的
阻力要求，又要在平煤板与车厢发生碰撞
时容易被剪断。
3 　平煤器阻力分析
平煤器的平煤板受到阻力最大时，即
为推动煤体达到煤块堆积与掉落达到动
态平衡时［３］ 。在料斗洒落煤量能够保持
平煤板正向推落煤块接近自由掉落的前
提下［４］ ，平煤板所受阻力可简化为移动
煤体对平煤板的静止压力和移动煤体与
车厢内基体的摩擦力之和。
3 ．1 　平煤板静止挤压力
将被推移的煤体分作无数微小层面，
则任意层面对平煤板产生的压力为［５］ ：
P０ ＝γZλ０
式中： γ为被推移煤体的重度，
ｋＮ／ｍ３ ；Z 为所求层面距离煤体表面的深
度，ｍ；λ０ 为静止压力系数。
可根据半经验公式计算λ０ ＝１ －
ｓｉｎφ０ ，φ０ 为被推移煤体的重度综合内摩
擦角，（°）。由于被平整的煤块无粘性，
按照经验法取值λ０ ＝０．４３。
当煤炭平整时移动煤体对平煤板的
挤压力自上而下近似成三角形分布，合力
P 的作用点位于平煤板有效作用高度向
下三分之二处，如图４ 所示。
８
２０１６ 年１２ 月水力采煤与管道运输第４ 期
万方数据
图４　移动煤体对平煤板挤压力计算
设平煤宽度为B，平煤板的有效作用
高度为h，则总挤压力的计算公式为：
P ＝∫∫P０ dy dz ＝∫h
０∫B
０ γZλ０ dｙ dｚ
＝１２
γＢｈ２ λ０
平煤高h ，取０．５ｍ，平煤宽度B，取
２．６ｍ，被推移煤体的重度γ＝３．６ｋＮ／ｍ３ ，
对应静止压力系数λ０ ＝０．４３。因此平煤
器所受的最大挤压力：
P ＝１２
γBh２ λ０ ≈０．５０３ｋＮ
3 ．2 　煤体间摩擦力
移动煤体与平煤板处于相对静止平
衡状态，在满足料斗填补待平整的煤量与
平煤板推落的煤体即平煤板向两侧推落
的煤量与向前推落煤量相同时，平煤板作
用煤体高度h 为０．５ｍ，５ ～５０ｍｍ 粒级煤
块的内摩擦角为３５°，因此向前推动煤体
的长度为：
I ＝ ０．５
ｔａｎ（３５°） ＝０．７ｍ
将移动媒体由拱形最大化到矩形，上
调摩擦力对平煤板的作用点位置，保证相
同的平煤效果。煤块间摩擦系数，则由于
平煤板推动，煤体间产生摩擦力：
Fｆ ＝fγIBh ＝２．６２０ ８ｋＮ
综合以上推算，平煤板所受阻力Fｍ
＝P ＋Fｆ ＝３．１２３ ８ｋＮ。
4 　细销选用
通过测得龙门式平煤器平煤板尺寸
可知，当忽略销的筋板尺寸时，Fｍ 作用点
到细销距离L ＝２３
×０．５ ＝０．３３３ｍ，到粗
销轴距离H ＝０．２４ ＋２３
×０．５ ＝０．５７３ｍ。
由平煤板的弯矩平衡的０．２４F总－
０．５７３Fｍ ＝０，得细销部分所提供支撑力
F总＝７ ４５８Ｎ，平煤板单侧的细细销提供
的支撑力F ＝３ ７２９Ｎ。
单侧细销所受剪力Fｓ ＝F ＝３ ７２９Ｎ，
细销抗剪强度：
τｍａｘ ＝Fｓ S
ID ＝
Fｓ
d３
１２
〔πd４
６４ 〕d ＝１６
３
Fｓ
πd２ ≤［τ］
式中：［τ］为销轴许用剪切力，d 为细
销的公称直径。
考虑弯矩影响而降低了的４５ 钢的许
用剪切力［ τ］ ＝６０ＭＰａ，平煤工作安全系
数为１．１，则采用２ 个细销（ｎ ＝２）所需公
称直径：
d ＝ １６
３
１．１Fｓ πn［τ］ ＝７．６２ｍｍ
由设计手册［６］ 选取d ＝８ｍｍ，则平煤
９
２０１６ 年１２ 月郭建明等：平煤器故障碰撞安全保护结构的设计和平煤阻力分析第４ 期
万方数据
板细销部分可承受最大剪力为：
FｓＭＡＸ ＝２n ３
１６πd２ ［τ］ ＝９ ０４３．２Ｎ
平煤板可承受最大阻力FＭＡＸ ＝３．７９
＞Fｍ ，远远小于火车牵引绞车牵引力的
３０ ～１００ｋＮ，
所以在满足平煤需求的情况下，又可
以达到故障碰撞而截断的目的。
5 　结论
通过提供的平煤器故障碰撞安全保
护结构，实现简单，便于加工维护，造价低
廉，在火车前进或后退的情况下均可以实
现故障保护，大大降低了工作人员的误操
作和电气设备失灵等意外事故造成的损
失。
　　参考文献：
［１］ 　潘越，刘建广，赵新平，等．浅谈几种煤矿装车平煤装置
［ Ｊ］ ．矿山机械，２０１６（０４） ：５ －７．
［２］ 　孙春平，李世忠，周旭升．双向防撞平煤器的研制与应用
［ Ｊ］ ．矿山机械，２０１０（２２） ：８３ －８５．
［３］ 　沈银斌．临界滑动场法的改进与应用［ Ｄ］ ．合肥工业大
学，２０１３．
［４］　计三有，孙国正，沈成武，等． 散粒体临界状态下的变形
规律［ Ｊ］ ．武汉交通科技大学学报，１９９８ （０６） ：２４ －２８．
［５］ 　黄立群．Ｌ 型挡土墙结构受力与变形分析［ Ｄ］ ．西南交
通大学，２０１５ ．
［６］ 　闻邦椿．机械设计手册［ Ｍ］ ．北京： 机械工业出版社，
２０１１ ．
作者简介：
郭建明（１９７１—） ，男，山西省盂县人，工程师，从事机电设
备的管理工作。
Ｅ －ｍａｉｌ：１５８３４１８３９５７＠１６３ ．ｃｏｍ　Ｔｅｌ：１５８３４１８３９５７
收稿日期：２０１６ －１１ －１１
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２０１６ 年１２ 月水力采煤与管道运输第４ 期
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