礦山用圓筒倉放礦斗門開關異常原因分析

張 建，尹 力，林震源，陳 勇，陶雪宏

（1.安徽馬鋼礦業資源集團南山礦業有限公司高村鐵礦，安徽馬鞍山 243000；2.安徽馬鋼礦業資源集團礦山科技服務有限公司；安徽馬鞍山 243000）

0 引言

礦山作業有很大一部分任務量體現在礦石原料、礦粉等運輸作業上，傳統的運輸人力資源消耗嚴重而且效率低下，現在礦山往往采用的是自動化的運輸線。礦石經過放炮初步炸碎后，再經一次粉碎得到粒徑5 mm 左右的礦渣，這些礦渣由傳送帶運送投入到圓筒倉中，再由圓筒倉下方的放礦斗進行二次分配，放礦斗（圖1）。

圖1 放礦斗

放礦斗的作用是根據需求定量二次分配礦渣，礦渣的二次分配是由放礦斗的斗門開關所控制。對于放礦斗的研究有很多，王曉芳[1]等人研發一種振動放礦機U 形放礦斗，其優點在于能夠清除底板粘結堆積，消除礦石組拱。段海城[2]等人改進一種振動放礦漏斗，極大提高了作業安全性，并且出礦效率提高11%～27%。楊文龍[3]等人利用深度相機提供一種礦斗載礦量的測量方法，這種非接觸式的測量方法能規避許多接觸式測量方法的弊端。胡雙鳳[4]就礦斗溜板磨損問題采用覆蓋礦石法減小沖擊，延長溜板使用壽命。以上關于放礦斗的改進都是針對安全性或者效率的提高，也有一些研究致力于解決放礦斗工作異常問題，例如張遂平[5]針對鶴林公司放礦閘門在地下礦倉有礦時，閘門開、關出現異常，必須通過人工手段才能控制其開、合的問題提出加大驅動裝置驅動力和優化扇門結構的解決方案。馬鋼高村鐵礦的圓筒倉出現斗門偶然性自動開門的故障，這給控制出料量和后續清理工作都帶來很大難度。對于斗門的故障有不少研究，但是這種故障卻鮮有報道，因此研究并解決這一種故障對指導生產作業、提高生產效率有顯著的意義。

1 故障排查思路

開合式斗門廣泛用于礦山和碼頭卸料裝置上[6]，能夠導致放礦斗斗門偶然性開門的原因有很多，主要包括斗門和氣缸桿連接出現松動、氣缸缸體發生塑性變形、氣動控制閥故障[7]、氣缸設計壓力偏小和氣缸竄氣等。其中連接松動、氣缸缸體變形因素和氣動控制閥故障都已經通過檢修排除。如果氣缸設計壓力偏小，可能會出現這種情況：在靜態下能夠保持不開門，但是在圓筒倉內持續加料的過程中因為礦渣下落帶來的沖擊會使斗門受力呈一定波動，在受力的波峰處超過氣缸最大設計壓力，導致斗門打開，該情況也可以解釋斗門故障的偶然性。程控閥氣缸竄氣往往需要采用DCS 曲線判斷法或者現場判斷法[8]，而因車間不具備DCS 曲線法條件且不適用現場判斷法的典型癥狀，因此判斷是否是氣缸竄氣難度較大。目前可能性較高的只有氣缸設計壓力過小和氣缸竄氣兩種因素，因此決定采用排除法，通過驗證是否是氣缸設計壓力過小導致的故障。

2 有限元模擬及結果分析

采用SolidWorks 對圓筒倉和放礦斗建模，對實際形狀作合理簡化，并采用SolidWorks 自帶的SimuLation 模塊進行有限元模擬。加載和約束條件為：在圓筒倉內部填充密度為1580 kg/m3的礦渣，靠自身重力下壓，圓筒倉底部和斗門開關控制桿固定約束。有限元分析得到的模擬結果如圖2 所示。

圖2 模擬結果

從結果可以看出來，在保證礦渣不泄漏的情況下，開、關門控制桿上最大壓強3.4 MPa，桿直徑33 mm，按照壓強上限來折合，根據式（1）可得，受力為2907 N。氣缸壓室直徑160 mm，設計壓強0.8 MPa，同樣根據式（1），受力為16 077 N。可見氣缸提供的力遠大于斗門關緊所需的力，即使考慮到進料時的沖擊和振動因素，氣缸提供的力也是足夠的。因此可以排除氣缸設計壓力不足導致故障的可能。

其中，F 為力，單位為N；S 為受力面積，單位為mm2；P 為壓強，單位為MPa。

3 結束語

經過一系列排查，最后認定是由于氣缸竄氣導致的偶然性故障，氣缸竄氣的原因有很多，例如控制閥開關頻率高導致密封件磨損、活塞環質量不良[9]或者O 形密封圈老化等，O 形圈是一種硫化成型的圓形密封零件，其老化很難避免[10]。高村鐵礦的該設備工作量極大，頻繁的更換零件會帶來許多效率上的損失。為了避免氣缸竄氣，減少維修頻率，從而提升使用效率，高村鐵礦決定將氣缸更換為故障率較低的液壓油缸。油缸相比于氣缸而言沒有傳動空隙、運作平穩、安全性和可靠性高，而氣缸雖然安裝簡單，但是其缸體往往都是鑄造成形[11]，運作之中可能會發生變形導致損壞，并且容易操作不當產生故障，容錯率沒有油缸高。目前高村鐵礦更換液壓油缸之后已經運行數月，運行狀態良好，完全解決原先的偶然性開門故障，從實踐上證明該解決方案的可行性。