新型井下動(dòng)篩排矸機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)及運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真

曹　杏

（山西焦煤集團(tuán)霍州煤電豐峪煤業(yè)有限公司，山西　霍州　031400）

引言

隨著新技術(shù)、新工藝、新設(shè)備不斷被應(yīng)用到煤炭開采中，大型現(xiàn)代化礦井的不斷出現(xiàn)和煤炭開采量日益增大，目前煤炭企業(yè)普遍實(shí)行的開采方式為，采煤與選煤為相對(duì)獨(dú)立的兩個(gè)生產(chǎn)系統(tǒng)，矸石直接從井下運(yùn)輸?shù)降孛?，再在選煤廠進(jìn)行分選。洗煤廠分離出的矸石形成了煤礦特有的地表“建筑物”—矸石山[1]，矸石的長(zhǎng)期堆積淋溶破壞土壤結(jié)構(gòu)、污染水體，矸石山防護(hù)不當(dāng)會(huì)自燃造成空氣污染，導(dǎo)致煤礦企業(yè)治理費(fèi)用成本上升，增加企業(yè)運(yùn)營(yíng)壓力。因此，發(fā)展井下選煤技術(shù)與裝備，設(shè)計(jì)一種適應(yīng)煤礦井下巷道布置和使用條件的煤矸分離設(shè)備，實(shí)現(xiàn)井下安全、準(zhǔn)確、高效地分離煤和矸石尤為重要。

1　井下排矸機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)及選擇

洗煤廠常用的選煤方式[2]如圖1所示?？紤]到煤礦井下巷道空間有限，要求設(shè)備防爆及穩(wěn)定可靠故障率低便于維修等，動(dòng)篩排矸具有用水少，入選度范圍大，工藝系統(tǒng)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，因此，井下排矸設(shè)備可將目前廣泛使用的機(jī)械驅(qū)動(dòng)式動(dòng)篩排矸機(jī)，通過改進(jìn)其機(jī)體和排料提升機(jī)構(gòu)，重新設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，以適應(yīng)井下的使用條件。

圖1　選煤方式分類示意圖

1.1　煤礦井下動(dòng)篩排矸工藝系統(tǒng)流程

井下煤炭生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的煤與矸石為大小不一的不規(guī)則塊狀物，而動(dòng)篩排矸機(jī)對(duì)原煤顆粒的入洗上、下限有嚴(yán)格要求，一般入洗顆粒不超過400mm，否則會(huì)出現(xiàn)卡死現(xiàn)象使篩體不能進(jìn)行上、下往復(fù)擺動(dòng)，甚至造成驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)構(gòu)件損壞。其次若較小粒徑進(jìn)入入選系統(tǒng)，會(huì)增大洗選水的濃度，降低分選率。井下進(jìn)行煤矸分離所需的流程如圖2所示。

圖2　煤礦井下動(dòng)篩排矸的流程

1.2　煤礦井下動(dòng)篩排矸的設(shè)置方式

煤礦井下動(dòng)篩排矸的應(yīng)用要在保證洗選率的基礎(chǔ)上不能影響原有的煤炭運(yùn)輸量，將整個(gè)井下動(dòng)篩排矸系統(tǒng)作為一個(gè)分支系統(tǒng)布置在獨(dú)立設(shè)計(jì)的斜巷或硐室中，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)重大故障時(shí)，可直接采用無排矸系統(tǒng)出煤，這種布置不僅便于故障維修，而且對(duì)原有的運(yùn)輸系統(tǒng)不影響生產(chǎn)，其系統(tǒng)布置流程如圖3所示。

圖3　設(shè)置方式

1.3　煤礦井下煤泥水處理系統(tǒng)工藝流程

在生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的煤泥水采用設(shè)置沉淀池德爾方式進(jìn)行處理，井下巷道內(nèi)建設(shè)沉淀池澄清水，保證動(dòng)篩排矸機(jī)的補(bǔ)水要求，簡(jiǎn)化工藝流程（如圖4所示），降低成本。

圖4　煤礦井下的煤泥水處理流程

2　井下動(dòng)篩排矸機(jī)的總體結(jié)構(gòu)

煤礦井下動(dòng)篩排矸機(jī)主要由提升機(jī)、動(dòng)篩體、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、排矸機(jī)構(gòu)等組成。為保證動(dòng)篩排矸機(jī)在井下有限空間的正常使用，采用兩臺(tái)“S”型布置波狀擋邊帶式輸送機(jī)變立式提升輪為傾斜布置的提升機(jī)構(gòu)，有效地減低了整機(jī)高度，對(duì)動(dòng)篩排矸的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)尺寸進(jìn)行改進(jìn)，使其六桿機(jī)構(gòu)尺寸、空間布置滿足井下巷道高度要求，如圖5所示。

圖5　煤礦井下動(dòng)篩排矸機(jī)整體結(jié)構(gòu)圖

2.1　驅(qū)動(dòng)連桿機(jī)構(gòu)建模

目前井下運(yùn)輸巷道一般為3m左右高，通過調(diào)節(jié)固定鉸接點(diǎn)位置及連接桿尺寸，采用傾斜布置的提升機(jī)構(gòu)，見圖6。機(jī)架AD為460mm、DG為3 100 mm、連桿BC為370mm、V型擺桿CD為450mm、DE為470mm、曲柄AB為150mm、吊桿EF為500 mm、篩床FG為3 750mm、V型擺桿夾角∠CDE為80°，基本滿足了井下巷道的布置要求。

應(yīng)用UG建立改進(jìn)后的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)實(shí)體模型如圖7所示。通過UG軟件和ADAMS軟件之間的數(shù)據(jù)接口，將UG仿真模型導(dǎo)入到ADAMS軟件[3-5]，根據(jù)實(shí)際施加外部載荷與添加運(yùn)動(dòng)副，篩體的工作頻率最大為50 r/min，則曲柄圓盤轉(zhuǎn)速為300 r/s，同理旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)設(shè)為300 r/s，設(shè)置合理的時(shí)間與步數(shù)，進(jìn)行仿真運(yùn)動(dòng)與測(cè)試。篩床的急回運(yùn)動(dòng)特性、擺動(dòng)幅度、跳汰振幅、V型擺桿兩端鉸接點(diǎn)的位移變化是評(píng)價(jià)改進(jìn)的主要參數(shù)，所以通過模擬得出相關(guān)的參數(shù)變化曲線。

圖6　改進(jìn)后的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)示意圖

圖7　動(dòng)篩排矸驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)

2.2　急回運(yùn)動(dòng)的特性

根據(jù)篩床Y向的位移與時(shí)間曲線，見圖8，取一個(gè)周期內(nèi)篩床在Y方向的極值點(diǎn)，計(jì)算其急回特性為K≈1.28，滿足工程設(shè)計(jì)的要求[1.25，3]，因此驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)能保證煤矸有效分層。

圖8　篩床位移與時(shí)間曲線

2.3　篩床擺動(dòng)幅度角

根據(jù)動(dòng)篩床繞銷軸的擺角曲線，見下頁(yè)圖9，其最大擺角值為2.502°，最小擺角值為-3.267°，擺角幅度為5.769°＞5°，滿足設(shè)計(jì)需求。

圖9　篩床擺角曲線

2.4　跳汰振幅

根據(jù)吊桿鉸接點(diǎn)與篩床在Y方向位移曲線，見圖10，鉸接點(diǎn)在Y方向最大位移值2.542m，最小位移值2.190m，其振幅為0.352m，滿足設(shè)計(jì)的要求0～400mm。

2.5　V型擺桿兩端鉸接點(diǎn)的位移變化

根據(jù)V型擺桿兩端鉸接點(diǎn)在Y方向的位移曲線（圖11所示），其最大位移小于3m，說明驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)符合井下空間布置的要求。

圖10　篩床吊桿鉸接點(diǎn)位移曲線

圖11　V型擺桿鉸接點(diǎn)位移曲線

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