基于仿生學(xué)原理的勻礦機設(shè)計及應(yīng)用

劉和生，厲汝文，胡書文

（1.江西下壟鎢業(yè)有限公司，江西 大余 341518；2.江西環(huán)境工程學(xué)院，江西 贛州 341000）

中國大多數(shù)鎢礦山企業(yè)目前仍然采用比較傳統(tǒng)的丟廢選別方式。當(dāng)井下運來的礦石進入選礦廠后，經(jīng)過篩分設(shè)備分級成幾個粒級不同的礦石，然后在手選皮帶機運行過程中進行人工選別。為提高手選效果，往往需要在皮帶傳送過程中進行勻礦,目前鎢礦山的勻礦基本上均是人工勻礦。人工勻礦勞動強度大，且勻礦效果不佳。為此，設(shè)計一種自動勻礦設(shè)備可大大改善礦山手選作業(yè)條件。

1 現(xiàn)狀分析

某鎢礦山企業(yè)有近百年的開采歷史，礦山年采掘綜合能力為25萬t。礦產(chǎn)品采用由井下原礦、選礦粗選篩分、重選分級、精選選別等流程。在粗選篩分環(huán)節(jié)，井下礦石進入選礦廠后，經(jīng)過彈片篩、振動篩的篩分，分級成幾個粒級不同的礦石，在手選皮帶機運行過程中進行脈礦石與廢石的人工選別。選礦廠皮帶機的手選皮帶分成兩組，其中礦石粒度為25～30 mm的標(biāo)記為3#手選皮帶，粒度為19～25 mm的為4#手選皮帶。振動篩篩板與皮帶機交叉成直角安裝，皮帶成弧形承接礦石，篩分口溜出到皮帶機上的礦石形成條形層壓狀分布。因此，人工手選之前，必須把皮帶上的礦石均勻平鋪開來，才有利于人工選別。此項工作長期以來一直是由人工操作，操作工用扒齒將礦石左右扒開，使其均勻平鋪。但人工扒礦，勞動強度較大，且扒礦效果均勻性差，另外，由于每條皮帶都要有人操作，用工量也大。

為改善手選作業(yè)條件，該選礦廠曾經(jīng)作過一些嘗試，試圖用非人工方法將皮帶上的礦石鋪攤均勻，如：在與皮帶機垂直方向安裝固定扒齒，采取阻擋礦石運行，強行將礦石分散的方式，但由于扒齒的作用力方向與礦石的行進方向同一直線，不能形成左右的往復(fù)力，因而未能達到預(yù)期的勻礦效果。又曾將篩分口段皮帶的下托滾改成平直形，造就皮帶的平整狀，以期溜出至皮帶上的礦石平整鋪開。此法也未能解決礦石自由下落后仍成層壓的問題，且出現(xiàn)部分礦石濺出皮帶外的現(xiàn)象。由于這些改進均未能達到預(yù)期效果，因而該礦山仍延續(xù)著手工扒礦方式。

2 勻礦機的設(shè)計及工作原理

2.1 設(shè)計原理

由于勻礦具有動作簡單、重復(fù)性等機械特點，使用機械替代人工勻礦應(yīng)具有可行性。但鑒于前兩次設(shè)計的經(jīng)驗，因此在設(shè)計思路中嘗試運用仿生學(xué)原理進行設(shè)計。對設(shè)計對象的主要動作參數(shù)和運行軌跡模仿人工勻礦動作，使設(shè)備體現(xiàn)人工勻礦的作業(yè)特點，達到人工勻礦的工藝要求。

仿生學(xué)研究生物體的結(jié)構(gòu)、功能和工作原理,并將這些原理移植于工程技術(shù)之中,發(fā)明性能優(yōu)越的儀器、裝置和機器，創(chuàng)造新技術(shù)[1]。仿生機械學(xué)是以力學(xué)或機械學(xué)作為基礎(chǔ)的，綜合生物學(xué)、醫(yī)學(xué)及工程學(xué)的一門邊緣學(xué)科。在新技術(shù)設(shè)備的設(shè)計與制造方面采用仿生學(xué)原理，包含著對生物現(xiàn)象進行力學(xué)研究，對生物的運動、動作進行工程分析，使設(shè)計的人造技術(shù)系統(tǒng)具有類似生物系統(tǒng)的特征。根據(jù)設(shè)計目標(biāo)要求，其設(shè)計的出發(fā)點主要是從適應(yīng)作業(yè)的形態(tài)來考慮，設(shè)計具有工作效率最高的機械。從勻礦機的設(shè)計上，為了實現(xiàn)機械勻礦的功能，按照兩步走的目標(biāo)，第一步是盡可能地采用與人類手工勻礦時完全一樣的肢體動作和工作頻率，替代人工勻礦，第二步的目標(biāo)是進行優(yōu)化改進。

2.2 參數(shù)采集與分析

勻礦機設(shè)計思路上應(yīng)用仿生學(xué)原理，首先需要對模仿對象的動作進行觀察，測試，以獲得關(guān)鍵參數(shù)，人工勻礦動作簡單，但此類動作參數(shù)未見前人研究。經(jīng)分析，人工勻礦的主要動作為在與礦石隨皮帶運行相垂直的方向上往復(fù)推出與收回扒齒，運輸皮帶上成堆的礦石在往復(fù)推力下平鋪均勻，便于后續(xù)的脈石與廢石分選[2]。扒齒的這個往復(fù)運行動作，完全可以采用一個曲柄滑塊機構(gòu)模仿之[3]。為取得手臂動作頻率與活動范圍，為此，對6名勻礦扒礦工人進行了扒礦頻率的統(tǒng)計，如表1所示。

表1 人工扒礦基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

根據(jù)人工扒礦平均次數(shù)為60.33次/min，因此，將機械扒礦頻率設(shè)計為60次/min；根據(jù)人的手臂活動范圍為300～560 mm之間，皮帶寬度600 mm，取扒礦寬度450 mm。

2.3 樣機設(shè)計

根據(jù)以上參數(shù)，進行樣機設(shè)計計算。

電動機轉(zhuǎn)速及曲柄半徑（即轉(zhuǎn)盤偏心距）的計算：

減速箱輸出軸轉(zhuǎn)速n2=60 r/min，也即為扒礦頻率，次/min。

減速箱輸入軸轉(zhuǎn)速：

電動機轉(zhuǎn)速：

曲柄半徑（即轉(zhuǎn)盤偏心距）：

式中：n0、n1、n2分別為電動機、減速箱輸入軸、輸出軸的轉(zhuǎn)速，r/min；D0、D1為電動機皮帶輪、減速箱輸入軸皮帶輪的計算直徑120 mm；i為減速箱速比23.34；e為曲柄半徑（即轉(zhuǎn)盤偏心距），mm；B為扒礦寬度，mm。

電動機負荷較輕，取1.1 kW。選取電動機型號為 Y90S—4，1.1 kW，1400 r/min，380 V。

新設(shè)計的勻礦機由機架、手選皮帶、走輪（305軸承）、走輪軸、扒齒及其固定架、鉸鏈座、可調(diào)連桿、減速器、三角膠帶、三角帶輪、電動機等組成[4-5]，如圖1、圖2所示。

圖1 手選勻礦機設(shè)計方案

圖2 扒齒結(jié)構(gòu)設(shè)計

勻礦機的工作原理是：電機通過三角膠帶將動力傳遞給減速器高速軸，經(jīng)減速后，低速軸輸出，帶動轉(zhuǎn)盤（相當(dāng)于曲柄）做圓周運動，轉(zhuǎn)盤再通過與其鉸接的連桿帶動扒齒（相當(dāng)于滑塊）作左右往復(fù)運動，使扒齒產(chǎn)生了與手工扒礦頻率一樣的扒礦動作。扒齒的安裝方向與皮帶橫向平行，運動方向與皮帶運行方向垂直，扒齒作左右方向的往復(fù)運動時，推動或帶動皮帶上的礦石在左右方向展開，達到勻礦效果[6-7]。

2.4 樣機開發(fā)與安裝調(diào)試

根據(jù)上述設(shè)計，制作了勻礦機樣機。工作樣機安裝在該企業(yè)選礦廠的3#、4#手選皮帶機位置。樣機采取一臺電動機帶動兩個扒齒的聯(lián)動方式，即：在一個機架上安裝一臺電動機，在減速箱輸出軸安裝一個轉(zhuǎn)盤，在轉(zhuǎn)盤的同一銷軸上疊加裝配兩根連桿，使轉(zhuǎn)盤可以同時拖動機架上的兩個扒齒作往復(fù)運行；為了方便調(diào)節(jié)扒齒勻礦中心位置，連桿設(shè)計成長度可調(diào)的，即：連桿分成三段，兩端桿的外螺紋有一順一反，中間連接套兩端的內(nèi)螺紋也一順一反。組裝后，旋動中間連接套就可以調(diào)節(jié)連桿總長度；走輪（305滾動軸承）的行走導(dǎo)軌長1 m，走輪在加工后的6.3#槽鋼內(nèi)運行。由于槽鋼的刨削加工比較困難且磨損后更換不方便，因此選用6.3#槽鋼作導(dǎo)軌，但在其內(nèi)側(cè)的上下面各增加了一塊80 mm×8 mm扁鋼并用螺絲連接，走輪外徑剛好與槽鋼的內(nèi)空高度相等，不需加工又適合走輪運行。當(dāng)導(dǎo)軌磨損過限后，維修時，只需更換連接于內(nèi)側(cè)的80 mm×8 mm扁鋼；在手選皮帶兩側(cè)設(shè)置了木質(zhì)擋板，以防止扒齒作往復(fù)運行時皮帶上的礦石被左右推出。

該設(shè)備工藝簡單、安裝維修方便，制作成本低。整臺勻礦機的加工、安裝、調(diào)試工作，在礦山企業(yè)的坑口或分廠機修車間就能順利完成。設(shè)備運行噪音小、能耗不高。

3 勻礦機的應(yīng)用與討論

樣機在某鎢礦企業(yè)選礦廠安裝、使用至今，已經(jīng)整整運行了5年，設(shè)備工作狀態(tài)良好。在選礦方面，徹底改變了皮帶運輸機上礦石層壓成堆的狀況，礦石被均勻扒開，選別效率提高50%以上，廢石選出率提高3%以上。另外，該機操作維護簡單，維修工作量極小，除給運行部位加注適量潤滑油外，只需更換由直徑為16 mm圓鋼焊接而成的磨損扒齒。其次，在促進經(jīng)濟效益方面收效特別明顯，至從使用樣機進行選礦作業(yè)以來，一臺勻礦機取代了兩個勞動力，緩解了當(dāng)前勞動力緊張的局面；除此之外，還節(jié)約了生產(chǎn)成本。按目前手選工人人工費每小時20元計算，單班支付工費160元，按兩班計算，則每天支付的人工費為640元，一年支付的費用約為23萬元。該選礦廠有3條自動選礦流水線，如果全部使用這種勻礦機替代人工勻礦，每年可直接節(jié)省成本約70萬元。

目前勻礦機在運行中還存在一些有待改進的地方：當(dāng)給礦量或給礦粒度發(fā)生變化時，因扒齒扒礦頻率固定不變，達不到最佳勻礦效果；個別礦石濺出運輸皮帶之外；整機有點簡陋，不夠美觀。今后，可在扒礦頻率上作些改進，如采用變頻器微調(diào)供電頻率，控制電動機轉(zhuǎn)速，從而改變扒礦頻率。制作與安裝應(yīng)更加規(guī)范，在轉(zhuǎn)盤、連桿等運動部件上加裝防護罩。

在設(shè)計勻礦機的工作頻率時，采用了現(xiàn)場統(tǒng)計的人工扒礦工作頻率60次/min，事實上，此頻率與傳送皮帶的運行速度有關(guān)，而運行速度又是根據(jù)人工速度來設(shè)定的。在采用機械設(shè)備替代人工勻礦后，可以根據(jù)實際情況，提高皮帶運行速度，并使勻礦設(shè)備和給礦機、彈片篩、振動篩、皮帶運輸機等設(shè)備相匹配[8]，提高整條生產(chǎn)線的效率。這些都可以在今后進一步優(yōu)化中研究。

4 結(jié)語

在我國許多鎢礦山選礦廠人工選別作業(yè)中，均應(yīng)用皮帶運輸機，人工勻礦，工人非常辛苦勞累，且勻礦效果不佳。采用勻礦機后，扒齒勻礦，具有良好的勻礦效果、較大的經(jīng)濟效益與廣泛的實用價值。樣機開發(fā)后，經(jīng)某鎢礦山企業(yè)選礦廠運用實踐證明，運行效果特別好，運營成本比較低，可靠性比較高，值得在礦山企業(yè)推廣和使用。

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