新型井下动筛排矸机系统设计及运动学仿真

曹　杏

（山西焦煤集团霍州煤电丰峪煤业有限公司，山西　霍州　031400）

引言

随着新技术、新工艺、新设备不断被应用到煤炭开采中，大型现代化矿井的不断出现和煤炭开采量日益增大，目前煤炭企业普遍实行的开采方式为，采煤与选煤为相对独立的两个生产系统，矸石直接从井下运输到地面，再在选煤厂进行分选。洗煤厂分离出的矸石形成了煤矿特有的地表“建筑物”—矸石山[1]，矸石的长期堆积淋溶破坏土壤结构、污染水体，矸石山防护不当会自燃造成空气污染，导致煤矿企业治理费用成本上升，增加企业运营压力。因此，发展井下选煤技术与装备，设计一种适应煤矿井下巷道布置和使用条件的煤矸分离设备，实现井下安全、准确、高效地分离煤和矸石尤为重要。

1　井下排矸机系统设计及选择

洗煤厂常用的选煤方式[2]如图1所示。考虑到煤矿井下巷道空间有限，要求设备防爆及稳定可靠故障率低便于维修等，动筛排矸具有用水少，入选度范围大，工艺系统简单等优点，因此，井下排矸设备可将目前广泛使用的机械驱动式动筛排矸机，通过改进其机体和排料提升机构，重新设计驱动机构，以适应井下的使用条件。

图1　选煤方式分类示意图

1.1　煤矿井下动筛排矸工艺系统流程

井下煤炭生产过程中产生的煤与矸石为大小不一的不规则块状物，而动筛排矸机对原煤颗粒的入洗上、下限有严格要求，一般入洗颗粒不超过400mm，否则会出现卡死现象使筛体不能进行上、下往复摆动，甚至造成驱动机构构件损坏。其次若较小粒径进入入选系统，会增大洗选水的浓度，降低分选率。井下进行煤矸分离所需的流程如图2所示。

图2　煤矿井下动筛排矸的流程

1.2　煤矿井下动筛排矸的设置方式

煤矿井下动筛排矸的应用要在保证洗选率的基础上不能影响原有的煤炭运输量，将整个井下动筛排矸系统作为一个分支系统布置在独立设计的斜巷或硐室中，当系统出现重大故障时，可直接采用无排矸系统出煤，这种布置不仅便于故障维修，而且对原有的运输系统不影响生产，其系统布置流程如图3所示。

图3　设置方式

1.3　煤矿井下煤泥水处理系统工艺流程

在生产过程中产生的煤泥水采用设置沉淀池德尔方式进行处理，井下巷道内建设沉淀池澄清水，保证动筛排矸机的补水要求，简化工艺流程（如图4所示），降低成本。

图4　煤矿井下的煤泥水处理流程

2　井下动筛排矸机的总体结构

煤矿井下动筛排矸机主要由提升机、动筛体、驱动机构、排矸机构等组成。为保证动筛排矸机在井下有限空间的正常使用，采用两台“S”型布置波状挡边带式输送机变立式提升轮为倾斜布置的提升机构，有效地减低了整机高度，对动筛排矸的驱动机构尺寸进行改进，使其六杆机构尺寸、空间布置满足井下巷道高度要求，如图5所示。

图5　煤矿井下动筛排矸机整体结构图

2.1　驱动连杆机构建模

目前井下运输巷道一般为3m左右高，通过调节固定铰接点位置及连接杆尺寸，采用倾斜布置的提升机构，见图6。机架AD为460mm、DG为3 100 mm、连杆BC为370mm、V型摆杆CD为450mm、DE为470mm、曲柄AB为150mm、吊杆EF为500 mm、筛床FG为3 750mm、V型摆杆夹角∠CDE为80°，基本满足了井下巷道的布置要求。

应用UG建立改进后的驱动机构实体模型如图7所示。通过UG软件和ADAMS软件之间的数据接口，将UG仿真模型导入到ADAMS软件[3-5]，根据实际施加外部载荷与添加运动副，筛体的工作频率最大为50 r/min，则曲柄圆盘转速为300 r/s，同理旋转驱动设为300 r/s，设置合理的时间与步数，进行仿真运动与测试。筛床的急回运动特性、摆动幅度、跳汰振幅、V型摆杆两端铰接点的位移变化是评价改进的主要参数，所以通过模拟得出相关的参数变化曲线。

图6　改进后的驱动机构示意图

图7　动筛排矸驱动机构

2.2　急回运动的特性

根据筛床Y向的位移与时间曲线，见图8，取一个周期内筛床在Y方向的极值点，计算其急回特性为K≈1.28，满足工程设计的要求[1.25，3]，因此驱动机构能保证煤矸有效分层。

图8　筛床位移与时间曲线

2.3　筛床摆动幅度角

根据动筛床绕销轴的摆角曲线，见下页图9，其最大摆角值为2.502°，最小摆角值为-3.267°，摆角幅度为5.769°＞5°，满足设计需求。

图9　筛床摆角曲线

2.4　跳汰振幅

根据吊杆铰接点与筛床在Y方向位移曲线，见图10，铰接点在Y方向最大位移值2.542m，最小位移值2.190m，其振幅为0.352m，满足设计的要求0～400mm。

2.5　V型摆杆两端铰接点的位移变化

根据V型摆杆两端铰接点在Y方向的位移曲线（图11所示），其最大位移小于3m，说明驱动机构符合井下空间布置的要求。

图10　筛床吊杆铰接点位移曲线

图11　V型摆杆铰接点位移曲线

[1]张吉雄，缪协兴.煤矿矸石井下处理的研究[J].中国矿业大学学报，2006，35（22）：197-200.

[2]张晋陶.动力煤排矸方法比较[J].内蒙古煤炭经济，2008（2）：94-95.

[3]吕洋波.UG NX7.0动力学与有限元分析从入门到精髓[M].北京：机械工业出版社，2010.

[4]钟雯，胡家杰.机械类课程设计、毕业设计与选题精选[M].北京：化学工业出版社，2010.

[5]赵武云，刘艳妍，吴建民，等.ADAMS基础与应用实例教程[M].北京：清华大学出版社，2012.