本文選自《起重運輸機械》雜誌，如需轉載，請註明出處
作者：張起偉 葉 阜 毛翼虎 王俊華
摘 要：介紹圓形料場的原理、主要結構形式及刮板取料的工作特點，分析了刮板的受力特點，論述了專利技術鏤空刮板的技術特點、工作原理、結構優勢以及實際應用意義。
關鍵詞：圓形料場；刮板取料機；鏤空刮板；設計
Abstract: This paper introduces the principle, main structure and working characteristics of scraper in circular stockyard,analyzes the stress characteristics of scraper, and discusses the technical characteristics, working principle, structural advantages and practical application significance of patented hollow scraper.
Keywords: circular stockyard; scraper reclaimer; hollow scraper; design
圓形料場以其存儲量大、環保、效率高、能全天侯全自動工作等諸多優點，應用日漸增多。華電重工上海分公司經過近20 年的努力，通過消化吸收國外先進技術，自行研發可代替進口設備的圓形料場成套技術和設備，經過不斷地研究、開發與創新，已經擁有了圓形料場的一批創新技術和專利。
1 圓形料場的分類及刮板取料機的特點[1，2]
1.1 圓形料場特點
圓形料場堆取料機是把棧橋帶式輸送機上的物料轉載到迴轉堆料機，堆存在圓形料場內，再通過迴轉刮板取料機，從圓形料場內把物料取走，經過地下廊道帶式輸送機輸送出去。整個料場用一個鋼結構網架和彩鋼板組成封閉的儲料場，環保性好。圓形料場圓周都設擋牆來提高堆料高度。堆取料設備均圍繞中心柱工作，便於實現全自動化作業。
1.2 圓形料場分類
圓形料場按堆料機形式可分為固定式和俯仰式；圓形料場的取料機一般為刮板式，按刮板取料機支撐結構形式可分為懸臂式和門架式。門架式圓形料場採用一根橋式梁來支撐刮板取料機，梁的兩端分別由中心立柱迴轉平臺處的鉸點和擋牆軌道處的車輪支撐（見圖1）。該形式受力比較明確，中心立柱處和車輪都只受垂直方向的力。但是它對擋牆的軌道鋪設是有要求的，在設計時要考慮工作過程中圓形料場堆存物料的各種工況及放下刮板取料機時其承載車輪不會脫離軌道。
懸臂式刮板取料機採用「撐杆—拉杆—配重」形式來支撐刮板取料機（見圖2）。其結構特點是懸臂式結構由於自身平衡，著力點由中心大軸承傳遞給立柱，沒有設備在擋牆上，對擋牆的施工精度要求不高。所以這種結構形式多用於地質比較軟，擋牆產生漂移較大的工況。但其缺點也比較明顯，整個取料部分的重力全部加載在中心立柱上，力所經過的地方都需要比較強的承載能力，地基處理的費用較高。
1.3 刮板取料機的工作特點
無論是懸臂式的還是門架式的圓形料場，其刮板取料機的原理都是相同的，即通過循環運動的刮板，配合迴轉的刮板取料臂動作把物料源源不斷刮取到中心立柱下方的大料鬥裡。取料臂下降到一定高度，讓刮板能夠接觸下方物料並挖掘一定深度（過程中刮板一直在循環刮取動作），然後取料臂水平迴轉，同時刮板循環運動，對物料進行一層層的剝離動作。
圖1 門架式圓形料場
圖2 懸臂式取料機圓形料場
1.4 刮板的受力特徵
刮板刮取物料的過程是散料被動受壓的過程，由於堆積時間和物料特性的關係，受力不能按照簡單的散體物料顆粒來考慮，因為板結時常發生。根據經驗，不同的物料、不同的堆積高度、不同的氣候造成的板結密實度是不一樣的。當物料發生板結時，或單個刮板邊緣碰到了較大的、埋得較深的石塊，刮板的受力會成數量級增大，這種情況時有發生，在靜強度設計時需要重點考慮。單個刮板的受力突然增大時，對整個刮板驅動的受力不會產生大的影響，因為同時受力的刮板較多，另外，整個刮板體系運行的慣性也會吸收和緩衝單個刮板的異常受力。
所以對於單個刮板，設計時需要考慮：最大偶然荷載、正常工作荷載、偶然荷載和工作荷載後的疲勞壽命設計。而現實中最大靜載荷的取值需要考慮經濟性，過大則刮板設計太重，過小則時常容易壞掉。
2 刮板的優化
作為刮板取料機（見圖3）上的重要活動部件，刮板的減重優化能直接改善整個取料機的荷載和工作狀態。刮板驅動功率、俯仰鋼絲繩、門架結構、迴轉（行走）驅動等部件都將受益。
圖3 刮板取料機
刮板取料機在運行時，刮板向前方運動，刮取和帶動物料一起運動。刮板在運動時和物料之間有兩種受力狀態：1）刮取物料時，刮板側面從物料層刮取物料；2）運輸物料時，底面從分離層剝離物料。通常在刮板工作過程中，兩種受力同時存在，隨著刮板往前運動，兩種受力的比例會發生變化。圖4 是刮板的三維圖，可以看出，為了防止過度磨損，刮板的側面增加設計了耐磨板。
圖4 刮板三維圖
根據刮板受力特點，可以對刮板的結構進行一些調整，見圖5。因為荷載主要加載在側面和底面，設計上把支撐筋做成斜的，讓荷載從刮板的主要受載部位直接傳遞到鏈條安裝連接板上，從而簡化傳力路徑，精簡設計。
圖5 刮板背面三維圖
在整個刮板取料機運行過程中，在正常工況下（包括個別刮板刮大塊的情況），驅動力通常是比較均勻的。單塊刮板受到的最大阻力可以表達為阻力之間的倍數關係。那麼平均阻力和倍數係數就是計算靜強度和疲勞強度的荷載。
3 鏤空刮板
在進行刮板支撐筋板改動後，希望能在保證刮板正常工作時足夠的靜強度、剛度和疲勞強度的情況下，對刮板進行進一步的優化，即鏤空刮板，見圖6。鏤空刮板首先要解決的問題是不漏料，鏤空刮板的概念能給刮板優化提供很大的空間。
鏤空刮板是考慮了物料屬性、刮板尺寸和間隔、荷載和應力狀態等多方面因素後的結果。綜合來說，它首先要能滿足取料能力，同時通過力學優化分析能實現質量較低。通過對比分析，最終在現場運用的刮板比原刮板減重約40% 左右。
圖6 鏤空刮板三維圖
3.1 鏤空原理
確保中空的刮板在取料時不發生物料洩漏的現象十分重要。
圖7 是刮板刮取物料的簡圖，在刮板刮取物料時，物料被刮板推動，和刮板一起朝前方運行。對於物料來說，它自身有一個自然的堆積角α ，當刮板主動推動物料時，會有一個額外的壓力角φ 。對於刮板來說，所受物料的荷載主要來自於靠近底層物料的位置，因為上方物料在擠壓和重力作用下處於自平衡的狀態。圖8 是一組刮板取料時的簡圖，當物料的填充率較高時，刮板底部的物料和刮板底部的板形成了一層底部物料，在刮板運行時，在上部物料重力和刮板推力的雙重作用下，底部的這層物料形成了一個明確的運行通道，而上部物料則是把底部物料當作一層傳輸帶，在摩擦力的作用下向前運行。
圖7 單個刮板取料簡圖
圖8 一組刮板取料簡圖
事實上鏤空的刮板並不是不漏物料，只是這種漏料與運行方向無關，是上部浮動物料的自由選擇。實際中會發現刮料時前部總有少部分物料向前翻滾，貼近刮板的地方有少數物料在刮板抖動的作用下向後滾動。
3.2 力學計算
除了保證鏤空刮板的取料功能外，還需保證鏤空刮板不會因受力失效。因此，在運用前，需要做詳細的應力分析，主要內容有：靜強度分析、剛度分析、極限荷載分析、屈曲分析、疲勞分析。見圖9。
圖9 鏤空刮板的應力分析結果
（a）刮板在正常工況時的應力圖 （b）刮板的屈曲計算
4 鏤空刮板的優勢
4.1 降低運營能耗
在鎮海煉化項目上，鏤空刮板做了優化設計，最終的減重40% 左右。減重後，刮板取料機空載運行能耗降低20% 左右，滿載工況下能耗降低約10% 左右。
4.2 結構更安全
刮板減重後，刮板機架的受力減小，半門架所承受的刮板俯仰鋼絲繩荷載也隨之減小。整個取料機結構的安全係數提高了10% 左右。
4.3 機構更安全
刮板減重後，刮板取料機俯仰鋼絲繩荷載降低，直接改善了俯仰機構的受載，特別是提高了俯仰安全制動器的安全制動係數。同時刮板頭部的鏈輪張緊系統的工作荷載也降低，液壓系統安全係數大幅提高。
5 結論
採用散料分析和結構優化方式結合，鏤空刮板實現了傳統刮板的功能，同時可大幅減重。更換鏤空刮板後，減輕了刮板取料機的質量，對已經使用十多年的設備的結構和機構提高安全係數具有十分明顯的優勢。
參考文獻
[1] 葉阜，王俊華，韓剛華. 門架式圓形料場堆取料機結構分析[J]. 起重運輸機械,2009（10）：84-86.
[2] 王汝貴，黃亞夫. 圓形儲料場及其在火力發電廠的應用[J].起重運輸機械，2006（7）：35-37.
七夕節，又名乞巧節、七巧節或七姐誕，發源於中國，是華人地區以及東亞各國的傳統節日，該節日來自於牛郎與織女的傳說，在農曆七月初七慶祝，因為此日活動的主要參與者是少女，而節日活動的內容又是以乞巧為主，所以人們稱這天為「乞巧節」或「少女節」、「女兒節」。2006年5月20日，七夕被中國國務院列入第一批國家非物質文化遺產名錄。
七夕節以牛郎織女的民間傳說為載體，表達的是已婚男女之間不離不棄、白頭偕老」的情感，恪守的是雙方對愛的承諾。隨著時間演變，七夕現已成為中國情人節。