翻斗式礦車結(jié)底清理智能裝置研究與設(shè)計(jì)

鐘 毅，周永堅(jiān)，石 巖，邱福生

（1.贛州有色冶金研究所有限公司，江西 贛州；2.江西滸坑鎢業(yè)有限公司，江西 吉安；3.江西鎢行業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型促進(jìn)中心，江西 贛州）

引言

礦車是礦山采掘工業(yè)中軌道運(yùn)輸?shù)闹饕O(shè)備，在金屬及非金屬礦山中廣泛使用。翻斗式礦車具有可以在任意地點(diǎn)，向車箱任意側(cè)翻轉(zhuǎn)卸礦，靈活性大，適于人力推車及卸礦等優(yōu)點(diǎn)，且結(jié)構(gòu)簡單，運(yùn)轉(zhuǎn)靈活平穩(wěn)[1]，目前中小型礦山中采掘運(yùn)輸設(shè)備主要采用1.2 m3及以下的翻斗式礦車[2]。

在礦山運(yùn)輸中，普遍存在著濕粘性物料(煤炭、矸石、水泥、砂子等)粘結(jié)結(jié)底問題.在寒冷地區(qū)，還存在物料凍結(jié)結(jié)底問題。據(jù)統(tǒng)計(jì)，結(jié)底厚度一般在150～350 mm，有的多達(dá)400～500 mm，使礦車的有效容積減少10～15%，有的甚至減少30～60%[3]。極大地降低了礦車?yán)寐始暗V車運(yùn)輸能力，嚴(yán)重影響了礦井生產(chǎn)水平的發(fā)揮。由于礦石提升運(yùn)輸基本采用的是電機(jī)等用電設(shè)備，浪費(fèi)了大量的電能，綜上所述，礦車結(jié)底清理意義重大[4]。

本文發(fā)明的翻斗式礦車智能結(jié)底清理裝置利用機(jī)械裝置聯(lián)合自動(dòng)化系統(tǒng)按制的方式清理礦車結(jié)底，代替最原始且繁重的人工清理操作。整套系統(tǒng)由泵站和結(jié)底清理裝置組成，泵站由高壓水泵、蓄水池和過濾裝置組成，為結(jié)底清理裝置提供清潔的水源；高壓結(jié)底清理裝置由高壓噴頭、高壓水閥及管路、智能云臺(tái)、PLC 按制系統(tǒng)、操作臺(tái)組成。

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

隨著機(jī)械、計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)等的迅猛發(fā)展，礦業(yè)領(lǐng)域自動(dòng)化、機(jī)械化水平的提高，越來越多的自動(dòng)化、機(jī)械技術(shù)將在礦山發(fā)揮越來越大的作用。而針對(duì)小型翻斗式礦車高效清理成套裝備還未出現(xiàn)。本項(xiàng)目擬采用高壓水射流技術(shù)，研究無損傷的翻斗式礦車結(jié)底清理智能裝備技術(shù)，不僅能夠提高運(yùn)礦作業(yè)的裝備水平、提高礦車使用壽命、降低勞動(dòng)強(qiáng)度、改善工人的作業(yè)條件，而且還能顯著降低礦山生產(chǎn)成本，為礦山的安全、綠色生產(chǎn)提供技術(shù)支撐[5]?，F(xiàn)代結(jié)底清車方法有機(jī)械切削法、高壓射流法、機(jī)械振動(dòng)法、電滲法、化學(xué)法等其他方法[6]。其中高壓射流法因工藝原因不宜在缺水或者寒冷地區(qū)使用[7]；機(jī)械振動(dòng)法的裝置種類最多，應(yīng)用更廣泛；化學(xué)法就是簡單的利用礦物本質(zhì)與其他產(chǎn)物之間的化學(xué)反應(yīng)來達(dá)到結(jié)底清理的目的[8]。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)介紹

本文設(shè)計(jì)和研究的裝置基于江西滸坑鎢業(yè)有限公司所屬的礦山為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，該礦山地處江西省安?？h，不存在缺水及高寒等問題，因此，本項(xiàng)目擬采用高壓射流法來實(shí)現(xiàn)礦車結(jié)底清理問題，該系統(tǒng)自主設(shè)計(jì)開發(fā)，主要工作內(nèi)容有根據(jù)礦石性質(zhì)，研究清理所需最大水壓及噴頭形式；結(jié)底清理裝置機(jī)械部分設(shè)計(jì)；結(jié)底清理裝置電按部分設(shè)計(jì)；安裝調(diào)試結(jié)底清理裝置，并進(jìn)行測(cè)試，直至投入工業(yè)運(yùn)行。

本系統(tǒng)采用機(jī)械裝置結(jié)合自動(dòng)化系統(tǒng)的方式清理礦車結(jié)底，代替原有繁重的人工清理操作，結(jié)底清理智能裝置由泵站和結(jié)底清理裝置組成，泵站由高壓水泵、蓄水池和過濾裝置組成，為結(jié)底清理裝置提供清潔的水源；高壓結(jié)底清理裝置由高壓噴頭、高壓水閥及管路、智能云臺(tái)、PLC 按制系統(tǒng)、操作臺(tái)組成。系統(tǒng)框圖如圖1 所示。

圖1 結(jié)底清理智能裝置系統(tǒng)框圖

系統(tǒng)采用高壓水射流技術(shù)，以清除礦車結(jié)底為目的，水源的穩(wěn)定與清潔是系統(tǒng)一個(gè)關(guān)鍵因素，本方案擬新建一個(gè)水池，水池的水需經(jīng)過2 級(jí)沉淀及過濾，確保無異物進(jìn)入高壓水管路，以免造成堵塞；采用多級(jí)離心泵對(duì)水進(jìn)行增壓，通過變頻器調(diào)節(jié)出水口壓力；經(jīng)由高壓泵加壓，由不銹鋼高壓管輸送到高壓分配器，并由高壓軟管輸送給高壓噴頭，噴射清洗礦車。同時(shí)噴頭上的氣缸帶動(dòng)噴頭上下擺動(dòng)，以達(dá)到最佳清洗效果。通過操作臺(tái)上的觸摸屏對(duì)系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置，如頻率、清理時(shí)間等，實(shí)時(shí)顯示水壓力等信息；操作臺(tái)也設(shè)置有按鈕及指示燈，手動(dòng)按制沖水時(shí)間及壓力。

2.2 蓄水池設(shè)計(jì)

蓄水池采用長2* 寬2* 高2，體積8 m3，因礦山在雨季時(shí)流入水池的水含有泥沙較為渾濁，因此水池設(shè)計(jì)有2 級(jí)過濾系統(tǒng)過濾，并需定期清理池底。水池安裝有液位按制系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)蓄水池的水位自動(dòng)調(diào)節(jié)功能。

2.3 高壓噴頭設(shè)計(jì)

高壓噴頭定制開發(fā)，通過現(xiàn)場試驗(yàn)確定噴頭形狀及開孔尺寸。為確定最為合適的高壓噴頭，通過在相同條件和清洗動(dòng)作下，使用多種不同的高壓噴頭進(jìn)行現(xiàn)場清洗實(shí)驗(yàn)，最終確定最優(yōu)噴頭形式為縫寬1.5 mm，嘴寬40 mm 的鴨嘴噴頭，見表1。

表1 不同噴頭的效果對(duì)比

2.4機(jī)械執(zhí)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

執(zhí)行機(jī)構(gòu)擬采用可旋轉(zhuǎn)式（左右旋轉(zhuǎn)）方式，也可上下擺動(dòng)，模擬人工沖洗。

旋轉(zhuǎn)方式：使用葉片式旋轉(zhuǎn)氣動(dòng)馬達(dá)上下擺動(dòng)方式：使用直線氣缸驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的機(jī)械設(shè)計(jì)圖如圖2。

圖2 機(jī)械執(zhí)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)裝置圖

2.5 電按系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)功能要求，電按系統(tǒng)采用PLC 按制，采用西門子S7-200SMART 系列PLC 作為核心按制器、通過觸摸屏及操作臺(tái)上的按鈕、指示燈進(jìn)行操作按制，觸摸屏安裝在操作臺(tái)上，就地顯示裝置壓力等參數(shù)等信息以及設(shè)置沖洗時(shí)間等。按制柜要預(yù)留接口按制倒礦機(jī)啟停動(dòng)作按鈕及其他電氣元件。設(shè)定3 擋沖水壓力，根據(jù)不同的結(jié)底情況，選擇不同的檔位。其中部分電按原理圖如圖3 所示。

圖3 部分電按原理圖

2.6 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

依據(jù)按制需求，定制開發(fā)PLC 軟件一套、觸摸屏軟件一套。可依據(jù)現(xiàn)場工礦條件實(shí)現(xiàn)自動(dòng)按制，也可通過切換開關(guān)進(jìn)行手動(dòng)按制，見圖4。

圖4 系統(tǒng)邏輯圖

3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

設(shè)備安裝調(diào)試完畢后，為了測(cè)試該項(xiàng)本目所設(shè)計(jì)的翻斗式礦車結(jié)底智能清理裝置實(shí)際效果，在現(xiàn)場對(duì)設(shè)備效果進(jìn)行測(cè)試（為確保裝置清洗不會(huì)對(duì)生產(chǎn)效率造成影響，每次的清洗時(shí)間需按制在30 S 內(nèi)完成）。測(cè)試過程：第一，清洗前由人工使用測(cè)距儀對(duì)待結(jié)底礦車進(jìn)行測(cè)量并計(jì)算礦斗容積后由翻斗式礦車結(jié)底智能清理裝置對(duì)礦斗進(jìn)行清理結(jié)底工作。第二，清洗完畢后仍然由人工使用測(cè)距儀測(cè)量再次測(cè)量礦斗容積。第三，再根據(jù)公式計(jì)算結(jié)底清除率、礦車的容積利用率等數(shù)據(jù)?，F(xiàn)場運(yùn)行的機(jī)車形式是每一趟機(jī)車牽引8 輛礦車，試驗(yàn)總共采集了100 趟機(jī)車，總共800 個(gè)礦車。由于800 個(gè)礦車數(shù)據(jù)量過大，因此只列出部分測(cè)試結(jié)果見表2。

表2 部分實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

通過現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)測(cè)試，對(duì)該裝置可以達(dá)到的指標(biāo)為；礦車的平均結(jié)底清除率為94.20%，而清洗后礦斗的有效容積平均為94.11%，對(duì)表3 的礦斗清洗時(shí)間平均值達(dá)到了22.64 s。

4 結(jié)論

本項(xiàng)目設(shè)計(jì)完成和實(shí)施以后，可形成具有自有知識(shí)產(chǎn)權(quán)的結(jié)底清理的智能裝備關(guān)鍵技術(shù)，在礦山結(jié)底清理領(lǐng)域又是一大突破與創(chuàng)新。本文研制與開發(fā)的結(jié)底清理裝置，不僅能夠提高運(yùn)礦作業(yè)的裝備水平，降低勞動(dòng)強(qiáng)度，而且還能顯著降低礦山生產(chǎn)成本，為礦山的安全、綠色生產(chǎn)提供技術(shù)支撐。