礦井皮帶運(yùn)輸機(jī)落煤裝置的設(shè)計(jì)

王 健

（山西晉煤集團(tuán)坪上煤業(yè)有限公司，山西晉城 048203）

0 引言

對(duì)于高效率、大產(chǎn)量的礦井而言，皮帶運(yùn)輸機(jī)已經(jīng)成為礦井開展機(jī)械化開采的核心設(shè)備，而作為原煤運(yùn)輸?shù)囊粋€(gè)關(guān)鍵組成，落煤設(shè)備在其中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。通常情況下，落煤設(shè)備處于皮帶運(yùn)輸機(jī)的下部，利用緩沖裝置來降低煤流速度，使皮帶所受到的沖擊力降低，保障煤炭可以在皮帶上正常運(yùn)行；但是由于礦井生產(chǎn)的環(huán)境較為復(fù)雜，工人操作較為繁瑣，時(shí)常會(huì)產(chǎn)生落煤現(xiàn)象，從而對(duì)皮帶運(yùn)輸機(jī)的裝煤效率及礦井的正常生產(chǎn)造成嚴(yán)重的影響。因此，設(shè)計(jì)一臺(tái)實(shí)用性較強(qiáng)、效率較高的井下落煤裝置對(duì)煤炭的運(yùn)輸有著十分重要的作用[1]。本文把落煤裝置設(shè)計(jì)成三角形結(jié)構(gòu)，并從緩沖片三角形夾角的具體設(shè)計(jì)、材料的選取、具體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等方面介紹了落煤裝置的設(shè)計(jì)。該設(shè)計(jì)促使煤炭精確地下落至下方皮帶運(yùn)輸機(jī)上，減輕漏煤井的損傷，提高工作效率。

1 皮帶運(yùn)輸機(jī)運(yùn)送煤炭存在問題

在煤礦開展運(yùn)輸作業(yè)的過程中，由皮帶運(yùn)輸機(jī)所運(yùn)輸?shù)拿禾繌母咛幝湎聲r(shí)，是利用漏煤井與下部皮帶運(yùn)輸機(jī)進(jìn)行連接的；同時(shí)，在實(shí)際的生產(chǎn)中，礦井中的生產(chǎn)環(huán)境較為復(fù)雜，存在較多無法控制的因素。由于皮帶運(yùn)輸具有較高的運(yùn)行速率，因此當(dāng)煤炭由一臺(tái)皮帶運(yùn)輸機(jī)下落至另一臺(tái)皮帶運(yùn)輸機(jī)上的時(shí)候，煤炭與皮帶、漏煤井壁及煤壁之間會(huì)產(chǎn)生碰撞，從而出現(xiàn)了磨損，導(dǎo)致皮帶受到損壞及斷裂，煤炭產(chǎn)生浪費(fèi)。

在設(shè)計(jì)與制造漏煤井的過程中，其內(nèi)部大多采用網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，由普通鋼板所制成。這類鋼板有著較大的硬度，不能產(chǎn)生緩沖的效果，因此在長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)煤后，漏煤井會(huì)因碰撞而出現(xiàn)變形，導(dǎo)致漏煤井受到損壞；煤塊與漏煤井壁或煤壁產(chǎn)生碰擊之后，會(huì)四處濺落，這些破碎的煤塊會(huì)對(duì)井下生產(chǎn)人員的安全造成威脅，同時(shí)對(duì)生產(chǎn)設(shè)備造成損壞；這些煤塊在濺落之后一般不會(huì)精確地落至下一個(gè)皮帶運(yùn)輸機(jī)上，因此導(dǎo)致煤炭產(chǎn)生了浪費(fèi)，運(yùn)輸效率不斷降低。因此，在設(shè)計(jì)漏煤井的時(shí)候必須增加漏煤裝置，該裝置可以緩沖煤炭的下落沖擊，降低煤炭的重力勢(shì)能，避免皮帶受到煤炭的沖擊，在對(duì)漏煤井進(jìn)行保護(hù)的基礎(chǔ)上來降低漏煤井的損傷，同時(shí)使煤炭的運(yùn)輸效率得以提升，改善煤炭的浪費(fèi)問題，延長(zhǎng)皮帶的壽命[2]。

2 落煤裝置研制設(shè)計(jì)的必要性

當(dāng)漏煤井尚未安裝落煤裝置的時(shí)候，漏煤井壁的受力圖如圖1所示。由圖可知，在與漏煤井產(chǎn)生碰擊之后，其碰撞部位會(huì)出現(xiàn)一個(gè)力F，根據(jù)相關(guān)定理可知，這個(gè)力可以被分為水平向左的力F1和垂直向下的力F2。其中，F(xiàn)1代表的為井壁撞擊的力，該力大小與漏煤井壁的撞擊程度存在一定的關(guān)系，其數(shù)值越大，撞擊程度越大；F2是煤塊向下運(yùn)動(dòng)時(shí)與漏煤井壁所形成的摩擦力。而在漏煤井內(nèi)安裝落煤設(shè)備之后，由于緩沖裝置的存在，煤塊將會(huì)在以往下落部位的上部與井壁產(chǎn)生碰撞，此時(shí)將會(huì)形成 F′，F(xiàn)1′，F(xiàn)2′。根據(jù)三角形定理可以發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)1=F·cosθ2，F(xiàn)1′=F′·cosθ，又因?yàn)棣?＞θ2，F(xiàn)′＜F，因此F·cosθ2＞ F′·cosθ1，即F1＞F1′。因此通過上述受力分析可以看出，在安裝落煤裝置之后，漏煤井壁所受到的撞擊力不僅極大降低，而且落煤裝置所受到的撞擊力也得以緩沖，從源頭上降低撞擊力的同時(shí)，對(duì)漏煤井也起到了保護(hù)作用，保障了落煤設(shè)備的安裝，促使落煤裝置得以持久使用[3]。

圖1 漏煤井內(nèi)壁的受力分析

此外，由圖1可知，F(xiàn)1=F sinθ2，F(xiàn)2′=F′sinθ1，根據(jù)這 2個(gè)式子可知，在沒有安裝落煤裝置的時(shí)候，煤塊發(fā)生碰撞之后由于受到F2的作用將會(huì)持續(xù)進(jìn)行向下運(yùn)動(dòng)，從而與漏煤井壁產(chǎn)生摩擦，導(dǎo)致其受到損壞；而在加裝落煤裝置之后，煤炭會(huì)由落煤裝置中落下，不會(huì)與井壁產(chǎn)生接觸，自然不會(huì)對(duì)井壁造成損壞。綜上所述，在漏煤井中安裝落煤裝置有著十分重要的作用[4]。

3 落煤裝置的設(shè)計(jì)

3.1 緩沖片三角形夾角的設(shè)計(jì)

在煤塊由高處落下之后，由于重力勢(shì)能的影響，會(huì)對(duì)皮帶造成較大的沖擊。在這種狀況下，由于漏煤井的內(nèi)部結(jié)構(gòu)是由鋼板所焊接，其形狀為網(wǎng)格狀，若落煤部位產(chǎn)生了偏差，則沖擊力將會(huì)對(duì)網(wǎng)格構(gòu)造產(chǎn)生破壞，對(duì)漏煤井的使用造成影響。因此為了使漏煤井免受煤塊的沖擊，落煤裝置可以設(shè)計(jì)為三角形，如圖2所示。這種三角形結(jié)構(gòu)有著較強(qiáng)的穩(wěn)定性，利用這個(gè)特性，三角形的斜邊可以有效地分解撞擊力，以加強(qiáng)該裝置的耐受性及穩(wěn)定性[5]。

根據(jù)煤塊下落的過程可以看出，煤塊與漏煤井壁產(chǎn)生碰撞的過程屬于平拋運(yùn)動(dòng)，通過圖2中受力進(jìn)行分析可知，設(shè)皮帶運(yùn)輸機(jī)運(yùn)行的速度為v0，煤塊下落的時(shí)間為t，則煤塊在碰撞漏煤井壁時(shí)水平方向與垂直方向的速度分別為vx=v0和vy=gt，因此，其合速度為；由于水平方向所產(chǎn)生的位移為y=gt2/2，因此其下落的時(shí)間t= 2y/g，垂直方向與合速度之間的夾角為tanα=vx/vy=v0/gt，α=arctan(v0/gt)，由此將緩沖片三角形夾角加以明確。

圖2 運(yùn)動(dòng)分解

當(dāng)煤塊從皮帶運(yùn)輸機(jī)上下落之時(shí)會(huì)形成1個(gè)煤流范圍，即y2-y1，如果要所有煤塊精確落到落煤裝置上，則必須進(jìn)行詳細(xì)地計(jì)算，以此來明確緩沖片三角形的夾角[6]。以某礦作為案例，該礦井下皮帶運(yùn)輸機(jī)的運(yùn)行速度為v0=3.9 m/s，并且可以通過實(shí)際測(cè)量來獲取y1與y2分別為2.1 m和3 m，則煤塊在漏煤井中的下落時(shí)間分別為：

其中g(shù)為9.8 m/s2。因此緩沖片三角形的夾角α1和α2分別為31.48°和27.03°，最終將該角度明確為29°。

3.2 材料的選取

由于礦井開采所具有的特殊性，煤炭運(yùn)輸系統(tǒng)大約每天有20 h在進(jìn)行煤炭的運(yùn)送工作，因此落煤裝置也處于長(zhǎng)時(shí)間工作狀態(tài)，每天都要受到20 h的沖擊力。該狀況下，落煤裝置必須采用高強(qiáng)度、高耐磨性能的鋼板材料，以避免板材出現(xiàn)不必要的損耗。這類型的鋼板專門應(yīng)用于大面積磨損的狀況，其構(gòu)成主要由低合金鋼或普通低碳鋼和耐磨層復(fù)合所成，經(jīng)過復(fù)合的鋼板具有較大的耐磨性，可以很好的承受工況點(diǎn)的沖擊與震動(dòng)。另外，強(qiáng)度較高的耐磨板還具有較好的耐熱性，即便處于高速摩擦的狀況下，該鋼板也不會(huì)產(chǎn)生較大的變形[7]。

3.3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在實(shí)際應(yīng)用中，為了確保落煤裝置的性能得以充分發(fā)揮，對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行了以下設(shè)計(jì)：

（1）將組成落煤井壁網(wǎng)格構(gòu)造的每塊鋼板設(shè)計(jì)為三角形，并且將與煤流相接觸的斜邊設(shè)計(jì)為銳角，這樣可以使大塊煤受到破碎，避免其對(duì)煤炭運(yùn)輸造成影響；

（2）各個(gè)鋼板之間應(yīng)當(dāng)運(yùn)用100 mm的距離套來進(jìn)行隔離，該距離套所具有的作用是在煤炭下落的過程中完成自動(dòng)篩選，其中在距離套的作用下超出100 mm的煤塊會(huì)先粉碎再下落，小于100 mm的煤塊將直接落下，不僅可以提升煤塊的運(yùn)輸速率，而且可以增強(qiáng)煤炭的質(zhì)量，促使煤塊更加順利的傳送至下1臺(tái)皮帶運(yùn)輸機(jī)上；

（3）為了使落煤裝置具備較強(qiáng)的穩(wěn)定性，運(yùn)用100 mm的軸來連接落煤裝置，再運(yùn)用雙螺母，同時(shí)加設(shè)銷軸來進(jìn)行加固，避免該裝置因煤塊的撞擊而松動(dòng)，同時(shí)還具有預(yù)緊力，確保該緩沖片始終維持水平方向，以便于工作人員的安裝與維護(hù)。

4 使用效果

這種落煤裝置在經(jīng)過以上的設(shè)計(jì)與研制之后，在煤礦下進(jìn)行了應(yīng)用。根據(jù)實(shí)際測(cè)量可知，該裝置可以使漏煤井的受損問題得以解決，極大降低了漏煤井壁與落煤間的磨損狀況，提高了漏煤井的使用期限；在緩沖片三角形鋼板的影響下，煤塊的重力勢(shì)能不斷降低，不僅避免了煤炭及資源的浪費(fèi)，還使皮帶所受到的沖擊力得到極大地緩解；另外，落煤的運(yùn)輸效率得到極大提升，使煤礦生產(chǎn)更加安全高效[8]。

5 結(jié)束語

本文通過緩沖片三角形夾角、材料及結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)選擇，促使煤炭精確地下落至下方皮帶運(yùn)輸機(jī)上，增強(qiáng)了裝煤效率，使漏煤井得到較好地保護(hù)，在提升工作效率的同時(shí)，極大降低了工作人員的作業(yè)強(qiáng)度，另外通過設(shè)計(jì)與制作落煤裝置，還可以為其他礦井漏煤井出現(xiàn)的問題提供有效的解決思路。