新型井下動篩排矸機系統設計及運動學仿真

曹　杏

（山西焦煤集團霍州煤電豐峪煤業有限公司，山西　霍州　031400）

引言

隨著新技術、新工藝、新設備不斷被應用到煤炭開采中，大型現代化礦井的不斷出現和煤炭開采量日益增大，目前煤炭企業普遍實行的開采方式為，采煤與選煤為相對獨立的兩個生產系統，矸石直接從井下運輸到地面，再在選煤廠進行分選。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]，矸石的長期堆積淋溶破壞土壤結構、污染水體，矸石山防護不當會自燃造成空氣污染，導致煤礦企業治理費用成本上升，增加企業運營壓力。因此，發展井下選煤技術與裝備，設計一種適應煤礦井下巷道布置和使用條件的煤矸分離設備，實現井下安全、準確、高效地分離煤和矸石尤為重要。

1　井下排矸機系統設計及選擇

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，要求設備防爆及穩定可靠故障率低便于維修等，動篩排矸具有用水少，入選度范圍大，工藝系統簡單等優點，因此，井下排矸設備可將目前廣泛使用的機械驅動式動篩排矸機，通過改進其機體和排料提升機構，重新設計驅動機構，以適應井下的使用條件。

圖1　選煤方式分類示意圖

1.1　煤礦井下動篩排矸工藝系統流程

井下煤炭生產過程中產生的煤與矸石為大小不一的不規則塊狀物，而動篩排矸機對原煤顆粒的入洗上、下限有嚴格要求，一般入洗顆粒不超過400mm，否則會出現卡死現象使篩體不能進行上、下往復擺動，甚至造成驅動機構構件損壞。其次若較小粒徑進入入選系統，會增大洗選水的濃度，降低分選率。井下進行煤矸分離所需的流程如圖2所示。

圖2　煤礦井下動篩排矸的流程

1.2　煤礦井下動篩排矸的設置方式

煤礦井下動篩排矸的應用要在保證洗選率的基礎上不能影響原有的煤炭運輸量，將整個井下動篩排矸系統作為一個分支系統布置在獨立設計的斜巷或硐室中，當系統出現重大故障時，可直接采用無排矸系統出煤，這種布置不僅便于故障維修，而且對原有的運輸系統不影響生產，其系統布置流程如圖3所示。

圖3　設置方式

1.3　煤礦井下煤泥水處理系統工藝流程

在生產過程中產生的煤泥水采用設置沉淀池德爾方式進行處理，井下巷道內建設沉淀池澄清水，保證動篩排矸機的補水要求，簡化工藝流程（如圖4所示），降低成本。

圖4　煤礦井下的煤泥水處理流程

2　井下動篩排矸機的總體結構

煤礦井下動篩排矸機主要由提升機、動篩體、驅動機構、排矸機構等組成。為保證動篩排矸機在井下有限空間的正常使用，采用兩臺“S”型布置波狀擋邊帶式輸送機變立式提升輪為傾斜布置的提升機構，有效地減低了整機高度，對動篩排矸的驅動機構尺寸進行改進，使其六桿機構尺寸、空間布置滿足井下巷道高度要求，如圖5所示。

圖5　煤礦井下動篩排矸機整體結構圖

2.1　驅動連桿機構建模

目前井下運輸巷道一般為3m左右高，通過調節固定鉸接點位置及連接桿尺寸，采用傾斜布置的提升機構，見圖6。機架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。

應用UG建立改進后的驅動機構實體模型如圖7所示。通過UG軟件和ADAMS軟件之間的數據接口，將UG仿真模型導入到ADAMS軟件[3-5]，根據實際施加外部載荷與添加運動副，篩體的工作頻率最大為50 r/min，則曲柄圓盤轉速為300 r/s，同理旋轉驅動設為300 r/s，設置合理的時間與步數，進行仿真運動與測試。篩床的急回運動特性、擺動幅度、跳汰振幅、V型擺桿兩端鉸接點的位移變化是評價改進的主要參數，所以通過模擬得出相關的參數變化曲線。

圖6　改進后的驅動機構示意圖

圖7　動篩排矸驅動機構

2.2　急回運動的特性

根據篩床Y向的位移與時間曲線，見圖8，取一個周期內篩床在Y方向的極值點，計算其急回特性為K≈1.28，滿足工程設計的要求[1.25，3]，因此驅動機構能保證煤矸有效分層。

圖8　篩床位移與時間曲線

2.3　篩床擺動幅度角

根據動篩床繞銷軸的擺角曲線，見下頁圖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°，滿足設計需求。

圖9　篩床擺角曲線

2.4　跳汰振幅

根據吊桿鉸接點與篩床在Y方向位移曲線，見圖10，鉸接點在Y方向最大位移值2.542m，最小位移值2.190m，其振幅為0.352m，滿足設計的要求0～400mm。

2.5　V型擺桿兩端鉸接點的位移變化

根據V型擺桿兩端鉸接點在Y方向的位移曲線（圖11所示），其最大位移小于3m，說明驅動機構符合井下空間布置的要求。

圖10　篩床吊桿鉸接點位移曲線

圖11　V型擺桿鉸接點位移曲線

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[4]鐘雯，胡家杰.機械類課程設計、畢業設計與選題精選[M].北京：化學工業出版社，2010.

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