礦用皮帶機機尾螺旋輸送機自清理設計

趙晉斌

（汾西礦業集團中興煤業公司，山西 交城 030500）

0 引 言

礦用皮帶機又稱為膠帶輸送機，它被廣泛運用于井下煤炭及設備等的運入運出，與井下生產的各個環節息息相關。皮帶機具有貨物運輸量大、支持遠距離運輸、承載力較大、節能管飽和維護量小且簡單等特點，能夠適用于煤礦井工開采中復雜及惡劣的生產環境。目前，礦用皮帶機在生產中普遍存在機尾煤矸石堆積的問題，煤矸石在皮帶機機尾淤積過多時，會導致皮帶機機尾跑偏、撕裂等現象。礦方往往要花費大量人力和時間去清理，清理效率低且具有較高危險性。因此，設計一種新型的機尾自清理裝置具有重要的實用價值，不僅可以解決以上問題，而且可以提高皮帶機的使用效率，對礦井的高產高效生產具有重要意義。

1 皮帶機機尾架及滾筒組件結構設計

圖1所示為本次設計的皮帶機機尾結構示意圖，如圖所示，機尾架及其兩側底架主要由鋼板焊接而成，其中兩側底架焊接使用鋼板的厚度為5mm，采用間隔添加加強筋板的方式提高承載強度。同時，在兩側底架后部、皮帶機機尾及中部設置的螺旋輸送機上安設法蘭。將兩側底架通過焊接連接起來，在其前端布置鋼絲繩架，用于牽引綜掘機。下部設置為滑輪結構，可以減小皮帶移動時的阻力，增加其移動的穩定性。

圖1 皮帶機機尾結構示意圖

按皮帶寬度為800mm考慮研究，確定機尾架寬為1300mm，其長度尺寸則要綜合考慮機尾滾筒、法蘭和清理等裝置安裝位置，最終確定機尾架長度為1400mm最為合適，而通過查閱皮帶輸送機規格確定機尾架高度為300mm。機尾滾筒安設圖如下圖2所示，機尾滾筒尺寸為：長度945mm，直徑400mm。

圖2 機尾滾筒結構安設示意圖

2 自清理螺旋輸送機主要參數確定及結構設計

2.1 螺旋輸送機葉片選型

螺旋葉片是焊接在螺旋軸上的重要結構，通過螺旋軸轉動帶動螺旋葉片，刮下機尾滾筒上附著的煤泥。因此，確定合理的螺旋葉片結構參數，對本次設計的螺旋輸送機的運行狀態有著較大影響。

本次設計的螺旋葉片選用2mm～8mm的薄鋼板，根據皮帶機機尾空間尺寸，采用焊接有實體型螺旋葉片的水平螺旋輸送機，其具有高效的煤泥輸送能力。綜合考慮經濟性和實用性，最終使用Q235型碳素結構鋼制作螺旋葉片。

螺旋角α是螺旋葉片主要的參數之一，指垂直于滾筒軸線的平面與螺旋線切線的夾角。影響著螺旋葉片的運動強度及螺旋輸送機的輸送能力，其大小主要與葉片的螺距和直徑有關，螺旋角α計算公式如下式（1）所示：

式中：α為螺旋角，°；L為螺旋葉片的螺距，mm；D為螺旋葉片的直徑，mm。

2.2 自清理螺旋輸送機主要參數選取

螺旋輸送機主要參數包括輸送機輸送能力、螺旋葉片螺距、螺旋軸直徑、螺旋軸旋轉轉速等。根據皮帶機機尾實際空間尺寸，初步確定選用直徑為200mm的螺旋輸送機。

1）螺旋輸送機輸送能力確定。螺旋輸送機的輸送能力Q與其直徑D有關，關系式如下式（2）所示：

式中：ψ為無聊充填系數，取0.25；ρ為物料松散密度，取1.2t/m3；C為螺旋輸送機的傾角系數，取1.0；D為螺旋輸送機直徑，為200mm；K為物料特性系數，取0.0537。

將各參數代入上式（2）計算得輸送能力為8.0t/h，顯然可以滿足本文自清理系統的使用要求。

2）螺旋葉片螺距及螺旋軸直徑的確定。綜合考慮螺旋面與煤泥顆粒之間的受力關系及螺旋葉片速度分量的分布關系，本文采用式（3）來確定螺旋輸送機的螺距L。

代入參數計算得螺旋葉片螺距L為0.16m。

螺旋軸直徑與螺旋葉片螺距關系密切，螺旋軸直徑過小或者過大，都會影響螺旋輸送機的輸送效率。因此，綜合考慮兩者關系，在能夠滿足螺旋輸送機輸送能力的前提下，確定螺旋軸的直徑d為0.042m。

3）螺旋軸旋轉的轉速。

螺旋軸旋轉的轉速與螺旋輸送機的運輸能力成正比，但并不是螺旋軸轉速越高越好，當其轉速超過一定程度時，輸送機上的物料會由于離心力過大而被拋出。因此，設計螺旋轉軸的轉速，不能超過一個固定的臨界值。通過分析螺旋軸重力與其旋轉產生的離心力的平衡關系，確定螺旋軸轉速的簡化關系式如下式（4）所示：

式中：A為物料的綜合特性系數，取40。代入式（4）計算得出螺旋軸轉速n≤nmax=88.9r/min。

4）螺旋輸送機驅動功率的確定。螺旋輸送機輸送總功率p0的公式如下式（5）所示：

其中，Q指螺旋輸送機輸送能力，前面計算得8.0t/h；γ指運行時的阻力系數，取1.5；L'指水平投影距離，取1.5m；H指垂直投影距離，取0m；D指螺旋輸送機直徑，其值為200mm。

式（5）計算得的所需驅動功率通常要小于實際所需驅動功率，因此對上式進行修正，得出螺旋輸送機實際所需驅動功率P公式如式（6）所示：

式中：K1為驅動功率備用系數，取4；η為電機傳遞效率，一般取0.8。

將各參數代入，最終計算得出實際驅動功率為0.5kW。

2.3 螺旋輸送機驅動裝置選型

結合實際礦井工作環境，且保障井下安全生產要求的條件下，本次設計的螺旋輸送機的驅動裝置選用氣動馬達。對于電動機其優點主要有：①高功率且尺寸較小；②可以適應井下復雜惡劣的工作環境，保證驅動裝置運行使用的安全性；③氣動馬達可以快速的啟動和停機，可以適應于井下生產情況；④操作靈活，可以無級調速。

根據以上理論計算得出的螺旋輸送機主要參數，本次設計最終選用黃風機械公司生產的型號為TMYJ3-42的氣動馬達，其主要工作參數為：額定轉速為76r/min，額定功率為2.8kW。顯然，該型號氣動馬達可以滿足本次設計要求。

2.4 自清理螺旋輸送機在機尾架上的設計

本次設計采用臥式自清理螺旋輸送機，自清理系統在螺旋輸送機上的裝配圖如下圖3所示。該裝置具有安裝簡單，構造緊湊，安全可靠等特點。可以實現對皮帶機機尾附著的煤矸泥等的自動化清理和去除，解決機尾因附著過多煤泥而發生皮帶機跑偏或撕裂等問題，同時可以節省大量人力及時間，防止工人人力清理時發生的危險事故，提高井下煤矸石的運輸效率，有效的實現更快、更好的發展目標。

圖3 自清理系統在螺旋輸送機上的裝配示意圖

3 結 論

本文以目前礦用皮帶機普遍存在機尾煤矸石堆積的問題為研究背景，通過設計一種新型的機尾自清理裝置去解決煤矸石堆積導致的皮帶機機尾跑偏、撕裂等現象。通過理論計算，并結合實際礦井情況，確定了自清理螺旋輸送機的主要參數為：螺旋葉片選用實體葉片型螺旋葉片，螺旋輸送機的輸送能力為8.0t/h，螺旋葉片螺距為0.16m，螺旋軸的直徑為0.042m，螺旋軸轉速最大值不得超過88.9r/min，實際驅動功率為0.5kW，驅動裝置選用型號為TMYJ3-42的氣動馬達，可以滿足設計要求。新設計的臥式自清理螺旋輸送機，可以解決目前存在的機尾煤矸石堆積問題，在提高煤矸石運輸效率的同時，使井下生產更加安全。