刮板鏈條運(yùn)行速度的選擇

張立建

（河北蘋樂面粉機(jī)械集團(tuán)有限公司，石家莊 050899）

在糧食行業(yè)中埋刮板輸送機(jī)可以輸送小麥、玉米、高粱、玉米渣、稻殼及麩皮等顆粒狀物料，也可以輸送面粉、玉米糝及玉米粉等粉狀物料。具有使用范圍廣、輸送量大、輸送距離遠(yuǎn)等諸多優(yōu)點(diǎn)。刮板鏈條是埋刮板輸送機(jī)的核心部件，刮板鏈條運(yùn)行速度的選擇是所有參數(shù)中最重要的一個數(shù)據(jù)，因?yàn)樗苯記Q定了設(shè)備的產(chǎn)量、功耗、噪音等，還影響了刮板鏈條的壽命以及傳動鏈輪、設(shè)備機(jī)殼和鏈條托架諸多零部件的磨損程度等。

刮板鏈條速度的選用原則應(yīng)根據(jù)被輸送物料的特性、機(jī)型的特征及工藝要求等多種條件進(jìn)行選用。速度選用過高會使物料滯后于鏈條的現(xiàn)象嚴(yán)重，使生產(chǎn)率下降、動耗增大、構(gòu)件磨損加快、機(jī)械的使用壽命降低。對于原糧的輸送，鏈條速度可選高些，對于流動性好、懸浮性大、磨損性較大、容易破碎、易燃易爆及料胚等物料，鏈條速度應(yīng)選用低些；對于水平輸送，速度可以選用大些，對于垂直輸送，鏈條速度應(yīng)選低些[1]。

在國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 10596-2011《埋刮板輸送機(jī)》中將刮板鏈條速度v的值進(jìn)行了系列化規(guī)定，分別為：0.04、 0.063、 0.08、 0.10、 0.125、0.16、0.20、0.25、0.315、0.40、0.50、0.63、0.80、1.00 m/s。

那么刮板鏈條的速度的選取受到哪幾方面因素的制約?下面我們來分析一下：

1 產(chǎn)量因素對刮板鏈條速度的影響

埋刮板輸送機(jī)的產(chǎn)量與速度成正比關(guān)系，以水平直線輸送物料為例，埋刮板輸送機(jī)的生產(chǎn)效率按下式計(jì)算：

式中：Q為埋刮板輸送機(jī)的生產(chǎn)率，t/h；B為料槽的有效寬度，m；h為物料層高度，m；v為刮板鏈條平均運(yùn)動速度，m/s；γ 為物料的容重，t/m3；η 為設(shè)備輸送效率。

由公式（1）可以看出，提高刮板鏈條的運(yùn)行速度可以有效地提高設(shè)備的輸送產(chǎn)量，但在速度提升到一定程度后，料槽內(nèi)的物料會產(chǎn)生滯后性現(xiàn)象，速度越大，滯后性越嚴(yán)重。

另外根據(jù)：

式中：vmax為刮板鏈條的最大速度，m/s；Z為刮板鏈輪的齒數(shù)；t為刮板鏈條節(jié)距，m；f內(nèi)為物料內(nèi)摩擦系數(shù)；f外為機(jī)槽側(cè)壁對物料的摩擦系數(shù)；B為機(jī)槽有效寬度，m；n為物料側(cè)壓系數(shù)；h上為上層物料的高度，m。

公式（2）是刮板鏈條的最大允許運(yùn)行速度，一旦大于這個速度，物料就會產(chǎn)生滯后性。

以TGSS32埋刮板輸送機(jī)輸送小麥為例，B=0.32 m，h上=0.28m(這是承載段料槽高度0.32 m減去刮板高度0.04 m得出的結(jié)果)；t0=0.10 m：Z=8；f內(nèi)=0.649；f外=0.404；n=0.295；通過計(jì)算得出：

vmax=1.32 m/s；當(dāng)此埋刮板輸送輸送小麥過程中，一旦刮板鏈條速度大于1.32 m/s時(shí)，機(jī)槽上層物料就會產(chǎn)生滯后現(xiàn)象，降低生產(chǎn)效率。以這個速度根據(jù)公式 （1）來計(jì)算水平運(yùn)輸小麥的產(chǎn)量，得出TGSS32 產(chǎn)量為：Q=237 t/h，其中 h=0.32 m；γ=0.75 t/m3，η=0.65。

表1是其它幾種型號的埋刮板輸送機(jī)的最大鏈條速度值。表1中刮板鏈條速度不但已經(jīng)超出了國標(biāo)系列中的最大值，而且由于受到其它限制因素的影響，國內(nèi)廠家也很少有采用這些速度的。如果我們能夠改善其它制約條件，可通過提高刮板鏈條速度增加設(shè)備產(chǎn)能，這應(yīng)是我們研究和改進(jìn)的重要目標(biāo)。

表1 其它幾種型號的埋刮板輸送機(jī)的最大速度值

2 功耗因素對刮板鏈條速度的影響

式中：N為電機(jī)功率，kW;K為功率系數(shù)，取值0.0025～0.003之間；Q 為產(chǎn)量，t/h；C為輸送長度，m。

將公式（1）代入公式（3）中得出：

我們將刮板鏈條的運(yùn)行速度分別取值：0.5、0.63、0.8、1.0和 1.32 m/s然后以 TGSS32埋刮板輸送機(jī)輸送小麥為例，輸送距離取50 m，分別計(jì)算產(chǎn)量和消耗的功率，K取值0.003,計(jì)算結(jié)果見表2：

表2 不同速度下TGSS32刮板輸送機(jī)產(chǎn)量與功率

由公式（4）和表2看出產(chǎn)量的大小、功耗與速度的取值成正比關(guān)系，我們可以根據(jù)使用廠家的產(chǎn)量需求和功率要求，然后再結(jié)合選取速度的其它因素影響來最終確定速度取值。

3 強(qiáng)度因素對刮板鏈條速度的影響

刮板鏈條受力簡圖如圖1所示，在鏈條繞入頭節(jié)驅(qū)動刮板鏈輪的瞬間，受力達(dá)到最大。

圖1 刮板鏈條受力分析

虛線是刮板鏈條的預(yù)張緊力，實(shí)線表示輸送機(jī)運(yùn)行過程中，鏈條的張力分布。從圖1中可以看出，S1點(diǎn)為受力最大點(diǎn)，此處是驅(qū)動鏈輪與刮板鏈條開始的嚙合點(diǎn)，為什么此點(diǎn)為受力最大點(diǎn)，我們可以對S1點(diǎn)的受力進(jìn)行梳理：S1點(diǎn)要克服所有物料的與機(jī)殼的摩擦力，以及上下層刮板鏈條與機(jī)殼的摩擦力使物料和刮板鏈條運(yùn)行起來，僅此一點(diǎn)刮板鏈條上其余各點(diǎn)受力都要小于S1點(diǎn)；另外，在S1點(diǎn)嚙合的瞬間，產(chǎn)生了加速度使其運(yùn)行方向發(fā)生改變，這是由于受到了來自于鏈輪的額外作用力。這些力疊加起來，使得刮板鏈條在S1點(diǎn)的受力是最大的。

在S1點(diǎn)鏈條瞬時(shí)的最大總張力為：

式中：Sj為鏈條靜載荷張力，N；Sd為鏈條動載荷張力，N。

式中：q為料槽內(nèi)單位長度物料質(zhì)量，kg/m；q0為單位長度刮板鏈條的質(zhì)量，kg/m；L為輸送長度，m；C為折算系數(shù)。當(dāng)L＜25 m時(shí)，C=2.0；當(dāng)L=26-60m 時(shí)，C=1.5；當(dāng) L＞60 m 時(shí)，C=1.0。

式中：v為鏈條工作平均速度，m/s；t為鏈條節(jié)距，m；Z為鏈輪齒數(shù)。

在鏈條靜載荷張力一定的前提下，我們單獨(dú)來分析刮板鏈條運(yùn)行速度與鏈條動載荷張力之間的關(guān)系，根據(jù)公式（5）、（6）、（7）得出：

我們以TGSS32埋刮板輸送機(jī)使用節(jié)距為100mm的滾子鏈刮板鏈條輸送小麥，輸送長度L=30m為例，來計(jì)算不同速度下鏈條動載荷的數(shù)值：

q0=11.6 kg/m；C=1.5；Z=8；通過計(jì)算得出結(jié)果如表3和圖2所示。

表3 不同速度下TGSS32埋刮板輸送機(jī)鏈條的動載荷

圖2 刮板鏈條動載荷與速度曲線圖

根據(jù)表3和圖2所示，隨著刮板鏈條速度的增加，刮板鏈條的動載荷張力會成二次方指數(shù)進(jìn)行增加。在速度小于1 m/s時(shí)，動載荷隨著速度的增加要小于正比關(guān)系，所以動載荷增加比較緩慢，也就是圖2中 v＜1.0 m/s曲線比較平緩；在速度 v＞1 m/s時(shí)，動載荷隨著速度的增加要大于正比關(guān)系，所以動載荷的增加就非?？焖倭?，也就是圖2中，v＞1 m/s后，曲線就非常陡峭了。這也是國家標(biāo)準(zhǔn)將最高速度定在了1 m/s的原因之一。所以如果選用的速度偏高，特別是v＞1 m/s時(shí)，會對刮板鏈條產(chǎn)生很大的拉力，造成鏈條加劇磨損。

下面我們分析一下刮板鏈條的磨損原因：

刮板鏈條結(jié)構(gòu)見圖3。刮板鏈條在承載段和回程段的水平運(yùn)行過程中，鏈條內(nèi)部的外鏈板、內(nèi)鏈板、滾子、套筒、銷軸之間基本沒有相對運(yùn)動，所以很少有磨損；鏈條與機(jī)殼底板之間鋪設(shè)有超高板，可以有效減少磨損；刮板鏈條與物料之間有相對運(yùn)行時(shí)，會對刮板鏈條產(chǎn)生一定的磨損，這種磨損往往是通過幾年的時(shí)間才會顯現(xiàn)出來，屬于正常磨損；以上列舉的幾種都不會對刮板鏈條產(chǎn)生嚴(yán)重磨損。

圖3 刮板鏈條繞入頭輪分析圖

但是在刮板鏈條繞入繞出頭、尾輪的過程中，外鏈板、銷軸、套筒之間會產(chǎn)生相對運(yùn)行，見圖1中S1、S2、S3和S4點(diǎn)分別為鏈條開始繞入頭輪、鏈條開始繞出頭輪、鏈條開始繞入尾輪和鏈條開始繞出尾輪。因?yàn)镾1點(diǎn)刮板鏈條的受力最大，我們以此進(jìn)行分析：

圖3中在外鏈板開始繞入頭節(jié)后，相對于內(nèi)鏈板開始向上轉(zhuǎn)動。這時(shí)外鏈板與銷軸之間、銷軸與套筒之間就產(chǎn)生了相對運(yùn)動，一旦有了相對運(yùn)動，就會發(fā)生磨損，特別是外鏈板與銷軸之間，接觸面積遠(yuǎn)小于銷軸與套筒之間的接觸面積，所以磨損更加嚴(yán)重。

而如果提升刮板鏈條的運(yùn)行速度，會在兩方面加劇這種磨損：①由表3和圖2可知，速度提升之后，刮板鏈條受到的動載荷也會增加，從而增加磨損；②速度提升之后，同樣的輸送距離和時(shí)間段內(nèi)，鏈條繞進(jìn)和繞出鏈輪的次數(shù)就會增加，這樣鏈條內(nèi)部相對運(yùn)動的次數(shù)就會增加，同樣也會加快磨損。

目前，生產(chǎn)廠家為了解決刮板鏈條相對運(yùn)動的問題，對鏈條進(jìn)行了改進(jìn)，如圖4所示：

圖4 改進(jìn)后刮板鏈條

改進(jìn)后的刮板鏈條外鏈板和銷軸的配合面做成扁形，這樣就可以有效防止外鏈板與銷軸之間的相對運(yùn)動，在很大程度上減少了二者之間的磨損。

但是，速度對磨損方面的影響卻不可忽視。

我們公司在某面粉廠使用了一條TGSS32型埋刮板輸送機(jī)，輸送小麥距離為30 m，產(chǎn)量20 t/h，刮板鏈條為套筒滾子鏈，移動速度為0.8 m/s，刮板鏈條的材質(zhì)分別為：套筒、滾子、銷軸材質(zhì)為40Cr；內(nèi)、外鏈板材質(zhì)為40Mn；以上零件均經(jīng)過熱處理，內(nèi)外鏈板表面硬度＞HRC42，其余強(qiáng)度和硬度均符合國家標(biāo)準(zhǔn)。

設(shè)備投入使用后，出現(xiàn)了嚴(yán)重的鏈條拉長現(xiàn)象，張緊行程已經(jīng)無法滿足每個月鏈條的張緊量了，必須要去掉2或4節(jié)鏈節(jié)以保持張緊，銷軸和外鏈板配合處出現(xiàn)了嚴(yán)重的磨損現(xiàn)象，見圖5和圖6：

圖5 刮板鏈條銷軸的磨損

圖6 刮板鏈條外鏈板的磨損

這樣的磨損速度其實(shí)已經(jīng)造成設(shè)備不能夠正常使用。隨后，我們將刮板鏈條的運(yùn)行速度降低到了0.63 m/s，其余參數(shù)不變。通過一段時(shí)間的使用，磨損程度得到了較大的緩解，達(dá)到了基本每個月只需張緊2～3次，不需要去除鏈節(jié)了；雖然磨損程度降低了，但并未達(dá)到正常埋刮板輸送機(jī)應(yīng)該有的張緊頻率，即每季張緊次數(shù)≤1次。

根據(jù)這種情況，我們將刮板鏈條的運(yùn)行速度再次調(diào)低，降至0.5 m/s，并運(yùn)行了1年左右，基本達(dá)到了正常的磨損狀態(tài)。

在使用了改進(jìn)后的刮板鏈條，并在較高的速度運(yùn)行時(shí)，為什么銷軸和外鏈板還會出現(xiàn)這么嚴(yán)重的磨損？通過我們觀察，刮板鏈條中的銷軸和外鏈板的配合面雖然已經(jīng)做成了扁形，但是仍有一定的活動余量，它們之間還會產(chǎn)生相對轉(zhuǎn)動而造成磨損。因此，如果將兩者的配合面選用較緊的公差配合，就可以很好地降低這種磨損。

4 其它因素對刮板鏈條速度的影響

由于刮板鏈條速度選取的不合適，除了造成刮板鏈條本身磨損加劇外，同時(shí)還造成了其它相關(guān)零部件的磨損和破壞，影響正常生產(chǎn)。

圖7～圖11是刮板鏈條運(yùn)行速度選取0.8 m/s生產(chǎn)過程中零件損壞的情況。

圖7 刮板輸送機(jī)聚氨酯清掃板的損壞

圖8 開始時(shí)刮板輸送機(jī)傳動鏈輪淬火層被磨掉

圖9 使用一段時(shí)間后刮板輸送機(jī)傳動鏈輪被磨損報(bào)廢

圖10 刮板輸送機(jī)卸料口支撐板的磨損斷裂

圖11 刮板輸送機(jī)鏈條導(dǎo)軌支架的過度磨損

以上刮板鏈條零件的各種磨損形式都是由于刮板鏈條運(yùn)行速度過快造成的，大大降低了各處零部件的使用壽命。在將刮板鏈條的速度降低到了0.5 m/s之后，這些損壞的現(xiàn)象基本得到了消除或緩解。

5 結(jié)論

刮板鏈條的運(yùn)行速度是埋刮板輸送機(jī)中一個非常重要的參數(shù)，設(shè)計(jì)時(shí)選用合適的速度可以直接影響到設(shè)備的生產(chǎn)效率、電量消耗和設(shè)備壽命。通過本次試驗(yàn)，我們找到一個可供參考的經(jīng)驗(yàn)數(shù)值，即運(yùn)行速度選取0.5 m/s時(shí)，基本能夠保證設(shè)備的正常使用。如果選取的刮板鏈條、設(shè)備各部件的強(qiáng)度、耐磨性及配合精度等都有較大幅度提升時(shí)，那么可考慮將速度進(jìn)行適當(dāng)提升，以提高設(shè)備產(chǎn)量。