李晨曦

（神華粵電珠海港煤炭碼頭有限公司，廣東省珠海市，519000）

作為煤炭精加工的主要組成部分之一，煤炭對(duì)經(jīng)過篩分塔篩分后的塊煤要求比較嚴(yán)格，因此在篩分后煤炭轉(zhuǎn)運(yùn)過程當(dāng)中需要做到防破碎最大化，由于煤炭本身的硬度及脆性較小，故在篩分和運(yùn)輸過程當(dāng)中極易產(chǎn)生破碎現(xiàn)象，造成大量塊煤二次破碎。通過篩分之后，篩分出來的塊煤經(jīng)過帶式輸送機(jī)轉(zhuǎn)送至堆場。由于各帶式輸送機(jī)間落差較大，而且目前所用溜槽為曲線式溜槽，篩分出來的塊煤通過上層垂直下落到下層帶式輸送機(jī)上，結(jié)果使得篩分過后的塊煤再次破碎，通過技術(shù)測試，在9 m高度下煤炭從上層帶式輸送機(jī)落至下層，其二次破碎率約為10%。而由于煤炭相互撞擊產(chǎn)生的煙塵也對(duì)現(xiàn)場工作人員的健康造成不小傷害。因此，將曲線式溜槽改為螺旋溜槽成為減少篩分后的二次破碎以及降低煤塵的一種絕佳方案。

針對(duì)以上問題，部分溜槽設(shè)計(jì)公司和廠商已經(jīng)開始著手將螺旋溜槽推向市場?，F(xiàn)階段已經(jīng)有計(jì)算機(jī)輔助軟件開發(fā)出來以輔助螺旋溜槽的設(shè)計(jì)和計(jì)算。由于螺旋溜槽出現(xiàn)時(shí)間較短，而由于曲線溜槽制造簡單、設(shè)計(jì)方便、安裝迅速等優(yōu)點(diǎn)，被廣大企業(yè)所青睞。與此同時(shí)，在長時(shí)間使用過程當(dāng)中，雖然相對(duì)于直線溜槽其良好的防破碎功能產(chǎn)生了作用，但是隨著用戶對(duì)產(chǎn)品的需求精細(xì)化，曲線溜槽已經(jīng)滿足要求，而具有更高的防破碎性能的螺旋溜槽也逐漸出現(xiàn)在各個(gè)企業(yè)的視野當(dāng)中。

本文在設(shè)計(jì)螺旋溜槽上選擇了現(xiàn)今較為成熟的方法，即利用不同的溜槽傾角使溜槽同時(shí)具有加速段、減速段，從而使煤炭在溜筒當(dāng)中的撞擊減少，從而達(dá)到減少煤炭破碎的目的。與此同時(shí)，本文在設(shè)計(jì)過程當(dāng)中對(duì)煤炭通過機(jī)頭溜槽時(shí)拋物線的計(jì)算，設(shè)計(jì)改變拋物線角度，來達(dá)到避免煤炭撞擊襯板，使其更加平滑地落到螺旋溜槽上，以此降低煤炭破碎率。同時(shí)，為了更加詳細(xì)地解釋螺旋溜槽的特性，本文將描述螺旋溜槽的力學(xué)模型和受力分析。

1 設(shè)計(jì)要求

溜槽的總體設(shè)計(jì)原則是使物料自由平穩(wěn)地流動(dòng)，避免產(chǎn)生堆積于堵塞，盡可能地使溜槽和物料之間的磨損減小，同時(shí)最大限度地降低煤塵的產(chǎn)生。

1.1 設(shè)計(jì)所需參數(shù)及設(shè)計(jì)要點(diǎn)及方案說明

表1所示為凈空高度煤炭破碎實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

經(jīng)過技術(shù)員詳細(xì)的數(shù)據(jù)采集和實(shí)驗(yàn)，最終得出在此過程當(dāng)中塊煤二次破碎率高達(dá)12%，假設(shè)帶式輸送機(jī)額定最大運(yùn)量3300t／h 計(jì)算，則每小時(shí)將使已經(jīng)篩分過得塊煤二次破碎396t／h。

此外，部分頭部導(dǎo)料槽屬于分叉引導(dǎo)式導(dǎo)料槽，在煤炭落入下流帶式輸送機(jī)前會(huì)通過擋板將煤炭導(dǎo)入預(yù)定帶式輸送機(jī)。具體設(shè)計(jì)如圖1所示：

如圖1所示，在位置A 的上方是帶式輸送機(jī)頭部，位置A 處設(shè)置擋板將煤流引入預(yù)定帶式輸送機(jī) （BDQ-1、BDQ-2）。帶式輸送機(jī)頭部至擋板位置相差近2 m，所以在此位置除了破碎問題外，伴隨著大量的煤塵，嚴(yán)重危害現(xiàn)場工作人員的身體健康。與此同時(shí)，在煤炭經(jīng)過溜槽撞擊膠帶過程中由于其凈空高度高于9m，且下落過程中無緩沖，煤塵問題更加嚴(yán)重。

表1 塊煤撞擊破碎實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù) （帶式輸送機(jī)測試）凈空高度

4.5 50.18 47.74 2.44 4.86 50.12 48.17 1.95 3.89 50.38 47.70 2.68 5.32 50.08 47.33 2.75 5.49 50.11 48.00 2.11 4.21 4.75 5.0 50.01 46.24 3.77 7.54 50.06 45.95 4.11 8.21 50.17 46.02 4.15 8.27 50.01 46.55 3.46 6.92 50.01 46.62 3.39 6.78 7.54精塊5（三九塊）5.5 50.34 46.38 3.96 7.87 50.06 45.87 4.19 8.37 50.16 45.69 4.47 8.91 50.06 46.21 3.85 7.69 50.00 46.03 3.97 7.94 8.16 6.0 50.04 45.92 4.12 8.23 50.03 45.76 4.27 8.53 50.10 45.88 4.22 8.42 50.04 45.49 4.55 9.09 50.12 46.01 4.11 8.20 8.50 6.5 50.40 44.37 6.03 11.96 50.02 44.92 5.10 10.20 50.04 44.85 5.19 10.37 50.02 44.80 5.22 10.44 50.11 44.71 5.40 10.78 10.75 4.5 50.45 48.44 2.01 3.98 50.40 49.03 1.37 2.72 50.02 48.71 1.31 2.62 50.38 49.20 1.18 2.34 50.20 47.85 2.35 4.68 3.27 5.0 50.11 48.40 1.71 3.41 50.08 48.55 1.53 3.06 50.02 48.28 1.74 3.48 50.17 47.99 2.18 4.35 50.01 47.71 2.30 4.60 3.78大塊煤（90～200 mm）5.5 49.97 46.10 3.87 7.74 50.07 46.70 3.37 6.73 50.12 45.96 4.16 8.30 50.11 46.08 4.03 8.04 50.04 46.03 4.01 8.01 7.77 6.0 50.03 45.29 4.74 9.47 50.38 45.92 4.46 8.85 50.01 45.63 4.38 8.76 50.01 45.73 4.28 8.56 50.16 45.73 4.43 8.83 8.90 6.5 50.00 45.07 4.93 9.86 50.03 45.11 4.92 9.83 50.12 44.00 6.12 12.21 50.04 44.61 5.43 10.85 50.10 45.15 4.95 9.88 10.53

1.2 設(shè)計(jì)方案

1.2.1 溜槽傾角的設(shè)計(jì)

相對(duì)于直線溜槽和曲線溜槽，螺旋溜槽可以使物料自由平穩(wěn)地流動(dòng)，而且避免產(chǎn)生堆積于堵塞，盡可能地使溜槽和物料之間的磨損減小，同時(shí)可以最大限度地降低煤塵的產(chǎn)生。

圖1 帶式輸送機(jī)頭部溜槽及曲線溜槽

根據(jù)溜槽的設(shè)計(jì)需求，影響其設(shè)計(jì)的主要因素包括物料的種類、粒度、特性以及落差的傾角四個(gè)方面。而所設(shè)計(jì)的螺旋溜槽應(yīng)當(dāng)具有煤炭作為本次溜槽設(shè)計(jì)當(dāng)中主要的物料種類，其粒度與特性則以日常碼頭裝卸的煤炭為準(zhǔn)。而對(duì)應(yīng)物料的溜槽傾角也可以通過計(jì)算得出，其結(jié)果見表2。

表2 煤炭在基于煤的水分以及粒度級(jí)別上做使用的螺旋溜槽角度

由上表可知，不同煤種的煤炭在粒度級(jí)別都≥30mm 的情況下螺旋溜槽的角度變動(dòng)范圍為20°～35°，因此在設(shè)計(jì)過程當(dāng)中所涉及的非標(biāo)準(zhǔn)螺旋段、標(biāo)準(zhǔn)螺旋段以及調(diào)速段可依照此角度變動(dòng)范圍進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。

1.2.2 溜槽斷面的設(shè)計(jì)

對(duì)于螺旋溜槽斷面的設(shè)計(jì)，其頭部溜槽斷面及尺寸大小應(yīng)取決于其連接設(shè)備的要求。

按照帶式輸送機(jī)輸送能力計(jì)算其斷面的公式為：

式中：A——溜槽截面積；

Q——輸送量；

Ψ——裝滿系數(shù)，相對(duì)于煤炭來說可取0.4；

ν——煤炭在底板上運(yùn)行速度，原煤、精煤、中煤等為1.5；

γ——輸送物料松散存重，煤取0.85。

通過式 （1）計(jì)算得出溜槽斷面面積為1.8 m2。假設(shè)膠帶寬度為1.6 m，則溜槽高度通過公式：

溜槽高度為1.1m。

1.2.3 螺旋溜槽的設(shè)計(jì)

目前螺旋溜槽根據(jù)底板樣式分為兩種，在沒有煤炭堆積現(xiàn)象的情況下，直底板溜槽無疑是最佳選擇。但是若煤炭存在堆積、擁堵現(xiàn)象，則斜底板溜槽可以克服此現(xiàn)象。

勻速段是螺旋溜槽設(shè)計(jì)當(dāng)中相對(duì)簡單的部分，其設(shè)計(jì)參數(shù)包括速度、溜槽螺旋角、傾角、溜槽斷面面積、溜槽高度等。與其相比，螺旋溜槽加速段不論是在計(jì)算或設(shè)計(jì)上都是比較繁瑣的，需要的參數(shù)包括起點(diǎn)和終點(diǎn)的加速度、速度、螺旋角、底板傾角等。其受力分析如圖2所示。

圖2 物料在溜槽底面的受力分析

如圖所示，ABC 為水平面，CD 和BE 垂直于水平面；AD 是外螺旋線的切線。∠CAD 為外螺旋角α，∠BAE 為底板傾角δ，假設(shè)煤炭在A 點(diǎn)時(shí)初速度為0，則煤炭只在重力的作用下向最大傾斜角∠FED 方向滑動(dòng)。

根據(jù)上圖中沒在重力作用下分解，可以得出其運(yùn)動(dòng)方程為：

當(dāng)煤炭進(jìn)行勻速運(yùn)動(dòng)時(shí)：a=0

斜底板傾角δ=tan-1f

式中：Q——運(yùn)動(dòng)質(zhì)點(diǎn)所受到重力；

f——?jiǎng)幽Σ烈驍?shù)；

β——底板傾角；

α——物料加速度。

通過上述分析和計(jì)算，可以看出螺旋溜槽的基本參數(shù)被很多因素所影響，而通過計(jì)算機(jī)的輔助計(jì)算，則上述比較繁瑣的計(jì)算可以很輕松地得出結(jié)果并且做出模擬。

而在設(shè)計(jì)加速段的過程當(dāng)中，除了設(shè)計(jì)出合理的數(shù)據(jù)外，還應(yīng)當(dāng)保證煤炭在整個(gè)運(yùn)輸過程當(dāng)中保持平穩(wěn)運(yùn)行，避免撒漏煤現(xiàn)象，并且要保證煤炭在落入筒倉或者下流皮帶時(shí)保持相對(duì)靜止。

2 頭部曲線導(dǎo)流槽的設(shè)計(jì)

由于煤炭在離開膠帶時(shí)所具有的法相速度與膠帶前進(jìn)速度相同，部分煤炭破碎也發(fā)生在煤炭拋出并撞擊襯板時(shí)。因此，設(shè)計(jì)頭部曲線導(dǎo)流槽也是減少煤炭破碎的方向之一。針對(duì)這種情況，首先考慮的應(yīng)當(dāng)是煤炭在拋出膠帶時(shí)的拋物線曲線軌跡。而帶式輸送機(jī)落料拋物線軌跡又與托輥直徑、膠帶速度以及單位時(shí)間煤炭重量相關(guān)聯(lián)，因此根據(jù)拋物線公式推導(dǎo)出公式：

式中：x——橫坐標(biāo)值，m；

y——縱坐標(biāo)值，m；

g——重力加速度，取9.8m／s2；

v——帶速，m／s；

α——物料脫離滾筒時(shí)的位置角，（°）。

通過上述公式，設(shè)定出合理的x 值，求出對(duì)應(yīng)的縱坐標(biāo)值并描繪出相應(yīng)曲線示意圖，見圖3。

圖3 機(jī)頭卸料軌跡

2.1 改造前機(jī)頭溜槽的設(shè)計(jì)

根據(jù)實(shí)際考察以及對(duì)部分溜槽制造廠商資料的整理，帶式輸送機(jī)頭溜槽在沒有特殊要求時(shí)是按照常規(guī)型號(hào)進(jìn)行設(shè)計(jì)的，在設(shè)計(jì)過程當(dāng)中并沒有考慮到機(jī)頭落料對(duì)溜槽的沖擊以及沖擊所產(chǎn)生的物料破碎和粉塵問題，并且由于帶式輸送機(jī)帶速相對(duì)較快，所產(chǎn)生的粉塵也較大，常見的機(jī)頭溜槽如圖4所示：

圖4 機(jī)頭溜槽

2.2 改造后機(jī)頭溜槽的設(shè)計(jì)

根據(jù)此公式和不同的x 值可以得到相應(yīng)的y值，見表3。

表3 頭部落料軌跡坐標(biāo) m

根據(jù)以上數(shù)據(jù)，可以得出煤炭落料軌跡線，則落料軌跡在原機(jī)頭溜槽如圖5所示。

圖5 煤炭在機(jī)頭溜槽當(dāng)中的拋物線軌跡

進(jìn)而對(duì)原機(jī)頭溜槽進(jìn)行改造，改造如圖所示通過改變拋物線角度可以使得煤炭撞擊點(diǎn)產(chǎn)生改變或者減緩煤炭下落時(shí)的沖擊力。一般來講，改變拋物線角度的方法有三種，分別是：提高頭部溜筒的高度；降低膠帶速度；假裝頭部曲線擋板。再根據(jù)以上所得出的數(shù)據(jù)，具體溜槽模型如圖6所示。

3 結(jié)論

圖6 曲線溜槽及機(jī)頭溜槽模型

螺旋溜槽在防止煤炭破碎方面具有相當(dāng)大的潛力，并且其結(jié)構(gòu)簡單、使用方便、效果良好。由于沒有被廣泛應(yīng)用，其效果仍然有待時(shí)間的檢驗(yàn)，并且在實(shí)際設(shè)計(jì)、操作和使用當(dāng)中還有大量需要優(yōu)化和改進(jìn)的地方，本次研究通過對(duì)螺旋溜槽以及機(jī)頭溜槽的設(shè)計(jì)，完善了螺旋溜槽的設(shè)計(jì)和計(jì)算。而相較于通用性曲線溜槽，螺旋溜槽將會(huì)是一種更先進(jìn)的煤炭防破碎裝置。

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