礦用皮帶機(jī)機(jī)尾螺旋輸送機(jī)自清理設(shè)計(jì)

趙晉斌

（汾西礦業(yè)集團(tuán)中興煤業(yè)公司，山西 交城 030500）

0 引 言

礦用皮帶機(jī)又稱為膠帶輸送機(jī)，它被廣泛運(yùn)用于井下煤炭及設(shè)備等的運(yùn)入運(yùn)出，與井下生產(chǎn)的各個(gè)環(huán)節(jié)息息相關(guān)。皮帶機(jī)具有貨物運(yùn)輸量大、支持遠(yuǎn)距離運(yùn)輸、承載力較大、節(jié)能管飽和維護(hù)量小且簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，能夠適用于煤礦井工開采中復(fù)雜及惡劣的生產(chǎn)環(huán)境。目前，礦用皮帶機(jī)在生產(chǎn)中普遍存在機(jī)尾煤矸石堆積的問題，煤矸石在皮帶機(jī)機(jī)尾淤積過多時(shí)，會(huì)導(dǎo)致皮帶機(jī)機(jī)尾跑偏、撕裂等現(xiàn)象。礦方往往要花費(fèi)大量人力和時(shí)間去清理，清理效率低且具有較高危險(xiǎn)性。因此，設(shè)計(jì)一種新型的機(jī)尾自清理裝置具有重要的實(shí)用價(jià)值，不僅可以解決以上問題，而且可以提高皮帶機(jī)的使用效率，對(duì)礦井的高產(chǎn)高效生產(chǎn)具有重要意義。

1 皮帶機(jī)機(jī)尾架及滾筒組件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖1所示為本次設(shè)計(jì)的皮帶機(jī)機(jī)尾結(jié)構(gòu)示意圖，如圖所示，機(jī)尾架及其兩側(cè)底架主要由鋼板焊接而成，其中兩側(cè)底架焊接使用鋼板的厚度為5mm，采用間隔添加加強(qiáng)筋板的方式提高承載強(qiáng)度。同時(shí)，在兩側(cè)底架后部、皮帶機(jī)機(jī)尾及中部設(shè)置的螺旋輸送機(jī)上安設(shè)法蘭。將兩側(cè)底架通過焊接連接起來，在其前端布置鋼絲繩架，用于牽引綜掘機(jī)。下部設(shè)置為滑輪結(jié)構(gòu)，可以減小皮帶移動(dòng)時(shí)的阻力，增加其移動(dòng)的穩(wěn)定性。

圖1 皮帶機(jī)機(jī)尾結(jié)構(gòu)示意圖

按皮帶寬度為800mm考慮研究，確定機(jī)尾架寬為1300mm，其長(zhǎng)度尺寸則要綜合考慮機(jī)尾滾筒、法蘭和清理等裝置安裝位置，最終確定機(jī)尾架長(zhǎng)度為1400mm最為合適，而通過查閱皮帶輸送機(jī)規(guī)格確定機(jī)尾架高度為300mm。機(jī)尾滾筒安設(shè)圖如下圖2所示，機(jī)尾滾筒尺寸為：長(zhǎng)度945mm，直徑400mm。

圖2 機(jī)尾滾筒結(jié)構(gòu)安設(shè)示意圖

2 自清理螺旋輸送機(jī)主要參數(shù)確定及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 螺旋輸送機(jī)葉片選型

螺旋葉片是焊接在螺旋軸上的重要結(jié)構(gòu)，通過螺旋軸轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)螺旋葉片，刮下機(jī)尾滾筒上附著的煤泥。因此，確定合理的螺旋葉片結(jié)構(gòu)參數(shù)，對(duì)本次設(shè)計(jì)的螺旋輸送機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)有著較大影響。

本次設(shè)計(jì)的螺旋葉片選用2mm～8mm的薄鋼板，根據(jù)皮帶機(jī)機(jī)尾空間尺寸，采用焊接有實(shí)體型螺旋葉片的水平螺旋輸送機(jī)，其具有高效的煤泥輸送能力。綜合考慮經(jīng)濟(jì)性和實(shí)用性，最終使用Q235型碳素結(jié)構(gòu)鋼制作螺旋葉片。

螺旋角α是螺旋葉片主要的參數(shù)之一，指垂直于滾筒軸線的平面與螺旋線切線的夾角。影響著螺旋葉片的運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度及螺旋輸送機(jī)的輸送能力，其大小主要與葉片的螺距和直徑有關(guān)，螺旋角α計(jì)算公式如下式（1）所示：

式中：α為螺旋角，°；L為螺旋葉片的螺距，mm；D為螺旋葉片的直徑，mm。

2.2 自清理螺旋輸送機(jī)主要參數(shù)選取

螺旋輸送機(jī)主要參數(shù)包括輸送機(jī)輸送能力、螺旋葉片螺距、螺旋軸直徑、螺旋軸旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速等。根據(jù)皮帶機(jī)機(jī)尾實(shí)際空間尺寸，初步確定選用直徑為200mm的螺旋輸送機(jī)。

1）螺旋輸送機(jī)輸送能力確定。螺旋輸送機(jī)的輸送能力Q與其直徑D有關(guān)，關(guān)系式如下式（2）所示：

式中：ψ為無聊充填系數(shù)，取0.25；ρ為物料松散密度，取1.2t/m3；C為螺旋輸送機(jī)的傾角系數(shù)，取1.0；D為螺旋輸送機(jī)直徑，為200mm；K為物料特性系數(shù)，取0.0537。

將各參數(shù)代入上式（2）計(jì)算得輸送能力為8.0t/h，顯然可以滿足本文自清理系統(tǒng)的使用要求。

2）螺旋葉片螺距及螺旋軸直徑的確定。綜合考慮螺旋面與煤泥顆粒之間的受力關(guān)系及螺旋葉片速度分量的分布關(guān)系，本文采用式（3）來確定螺旋輸送機(jī)的螺距L。

代入?yún)?shù)計(jì)算得螺旋葉片螺距L為0.16m。

螺旋軸直徑與螺旋葉片螺距關(guān)系密切，螺旋軸直徑過小或者過大，都會(huì)影響螺旋輸送機(jī)的輸送效率。因此，綜合考慮兩者關(guān)系，在能夠滿足螺旋輸送機(jī)輸送能力的前提下，確定螺旋軸的直徑d為0.042m。

3）螺旋軸旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)速。

螺旋軸旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)速與螺旋輸送機(jī)的運(yùn)輸能力成正比，但并不是螺旋軸轉(zhuǎn)速越高越好，當(dāng)其轉(zhuǎn)速超過一定程度時(shí)，輸送機(jī)上的物料會(huì)由于離心力過大而被拋出。因此，設(shè)計(jì)螺旋轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速，不能超過一個(gè)固定的臨界值。通過分析螺旋軸重力與其旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力的平衡關(guān)系，確定螺旋軸轉(zhuǎn)速的簡(jiǎn)化關(guān)系式如下式（4）所示：

式中：A為物料的綜合特性系數(shù)，取40。代入式（4）計(jì)算得出螺旋軸轉(zhuǎn)速n≤nmax=88.9r/min。

4）螺旋輸送機(jī)驅(qū)動(dòng)功率的確定。螺旋輸送機(jī)輸送總功率p0的公式如下式（5）所示：

其中，Q指螺旋輸送機(jī)輸送能力，前面計(jì)算得8.0t/h；γ指運(yùn)行時(shí)的阻力系數(shù)，取1.5；L'指水平投影距離，取1.5m；H指垂直投影距離，取0m；D指螺旋輸送機(jī)直徑，其值為200mm。

式（5）計(jì)算得的所需驅(qū)動(dòng)功率通常要小于實(shí)際所需驅(qū)動(dòng)功率，因此對(duì)上式進(jìn)行修正，得出螺旋輸送機(jī)實(shí)際所需驅(qū)動(dòng)功率P公式如式（6）所示：

式中：K1為驅(qū)動(dòng)功率備用系數(shù)，取4；η為電機(jī)傳遞效率，一般取0.8。

將各參數(shù)代入，最終計(jì)算得出實(shí)際驅(qū)動(dòng)功率為0.5kW。

2.3 螺旋輸送機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置選型

結(jié)合實(shí)際礦井工作環(huán)境，且保障井下安全生產(chǎn)要求的條件下，本次設(shè)計(jì)的螺旋輸送機(jī)的驅(qū)動(dòng)裝置選用氣動(dòng)馬達(dá)。對(duì)于電動(dòng)機(jī)其優(yōu)點(diǎn)主要有：①高功率且尺寸較?。虎诳梢赃m應(yīng)井下復(fù)雜惡劣的工作環(huán)境，保證驅(qū)動(dòng)裝置運(yùn)行使用的安全性；③氣動(dòng)馬達(dá)可以快速的啟動(dòng)和停機(jī)，可以適應(yīng)于井下生產(chǎn)情況；④操作靈活，可以無級(jí)調(diào)速。

根據(jù)以上理論計(jì)算得出的螺旋輸送機(jī)主要參數(shù)，本次設(shè)計(jì)最終選用黃風(fēng)機(jī)械公司生產(chǎn)的型號(hào)為TMYJ3-42的氣動(dòng)馬達(dá)，其主要工作參數(shù)為：額定轉(zhuǎn)速為76r/min，額定功率為2.8kW。顯然，該型號(hào)氣動(dòng)馬達(dá)可以滿足本次設(shè)計(jì)要求。

2.4 自清理螺旋輸送機(jī)在機(jī)尾架上的設(shè)計(jì)

本次設(shè)計(jì)采用臥式自清理螺旋輸送機(jī)，自清理系統(tǒng)在螺旋輸送機(jī)上的裝配圖如下圖3所示。該裝置具有安裝簡(jiǎn)單，構(gòu)造緊湊，安全可靠等特點(diǎn)?？梢詫?shí)現(xiàn)對(duì)皮帶機(jī)機(jī)尾附著的煤矸泥等的自動(dòng)化清理和去除，解決機(jī)尾因附著過多煤泥而發(fā)生皮帶機(jī)跑偏或撕裂等問題，同時(shí)可以節(jié)省大量人力及時(shí)間，防止工人人力清理時(shí)發(fā)生的危險(xiǎn)事故，提高井下煤矸石的運(yùn)輸效率，有效的實(shí)現(xiàn)更快、更好的發(fā)展目標(biāo)。

圖3 自清理系統(tǒng)在螺旋輸送機(jī)上的裝配示意圖

3 結(jié) 論

本文以目前礦用皮帶機(jī)普遍存在機(jī)尾煤矸石堆積的問題為研究背景，通過設(shè)計(jì)一種新型的機(jī)尾自清理裝置去解決煤矸石堆積導(dǎo)致的皮帶機(jī)機(jī)尾跑偏、撕裂等現(xiàn)象。通過理論計(jì)算，并結(jié)合實(shí)際礦井情況，確定了自清理螺旋輸送機(jī)的主要參數(shù)為：螺旋葉片選用實(shí)體葉片型螺旋葉片，螺旋輸送機(jī)的輸送能力為8.0t/h，螺旋葉片螺距為0.16m，螺旋軸的直徑為0.042m，螺旋軸轉(zhuǎn)速最大值不得超過88.9r/min，實(shí)際驅(qū)動(dòng)功率為0.5kW，驅(qū)動(dòng)裝置選用型號(hào)為TMYJ3-42的氣動(dòng)馬達(dá)，可以滿足設(shè)計(jì)要求。新設(shè)計(jì)的臥式自清理螺旋輸送機(jī)，可以解決目前存在的機(jī)尾煤矸石堆積問題，在提高煤矸石運(yùn)輸效率的同時(shí)，使井下生產(chǎn)更加安全。