翻斗式礦車結底清理智能裝置研究與設計

鐘 毅，周永堅，石 巖，邱福生

（1.贛州有色冶金研究所有限公司，江西 贛州；2.江西滸坑鎢業有限公司，江西 吉安；3.江西鎢行業數字化轉型促進中心，江西 贛州）

引言

礦車是礦山采掘工業中軌道運輸的主要設備，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，向車箱任意側翻轉卸礦，靈活性大，適于人力推車及卸礦等優點，且結構簡單，運轉靈活平穩[1]，目前中小型礦山中采掘運輸設備主要采用1.2 m3及以下的翻斗式礦車[2]。

在礦山運輸中，普遍存在著濕粘性物料(煤炭、矸石、水泥、砂子等)粘結結底問題.在寒冷地區，還存在物料凍結結底問題。據統計，結底厚度一般在150～350 mm，有的多達400～500 mm，使礦車的有效容積減少10～15%，有的甚至減少30～60%[3]。極大地降低了礦車利用率及礦車運輸能力，嚴重影響了礦井生產水平的發揮。由于礦石提升運輸基本采用的是電機等用電設備，浪費了大量的電能，綜上所述，礦車結底清理意義重大[4]。

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

1 國內外研究現狀

隨著機械、計算機技術、自動化技術等的迅猛發展，礦業領域自動化、機械化水平的提高，越來越多的自動化、機械技術將在礦山發揮越來越大的作用。而針對小型翻斗式礦車高效清理成套裝備還未出現。本項目擬采用高壓水射流技術，研究無損傷的翻斗式礦車結底清理智能裝備技術，不僅能夠提高運礦作業的裝備水平、提高礦車使用壽命、降低勞動強度、改善工人的作業條件，而且還能顯著降低礦山生產成本，為礦山的安全、綠色生產提供技術支撐[5]?，F代結底清車方法有機械切削法、高壓射流法、機械振動法、電滲法、化學法等其他方法[6]。其中高壓射流法因工藝原因不宜在缺水或者寒冷地區使用[7]；機械振動法的裝置種類最多，應用更廣泛；化學法就是簡單的利用礦物本質與其他產物之間的化學反應來達到結底清理的目的[8]。

2 系統設計

2.1 系統介紹

本文設計和研究的裝置基于江西滸坑鎢業有限公司所屬的礦山為實驗對象，該礦山地處江西省安?？h，不存在缺水及高寒等問題，因此，本項目擬采用高壓射流法來實現礦車結底清理問題，該系統自主設計開發，主要工作內容有根據礦石性質，研究清理所需最大水壓及噴頭形式；結底清理裝置機械部分設計；結底清理裝置電按部分設計；安裝調試結底清理裝置，并進行測試，直至投入工業運行。

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

圖1 結底清理智能裝置系統框圖

系統采用高壓水射流技術，以清除礦車結底為目的，水源的穩定與清潔是系統一個關鍵因素，本方案擬新建一個水池，水池的水需經過2 級沉淀及過濾，確保無異物進入高壓水管路，以免造成堵塞；采用多級離心泵對水進行增壓，通過變頻器調節出水口壓力；經由高壓泵加壓，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。同時噴頭上的氣缸帶動噴頭上下擺動，以達到最佳清洗效果。通過操作臺上的觸摸屏對系統參數設置，如頻率、清理時間等，實時顯示水壓力等信息；操作臺也設置有按鈕及指示燈，手動按制沖水時間及壓力。

2.2 蓄水池設計

蓄水池采用長2* 寬2* 高2，體積8 m3，因礦山在雨季時流入水池的水含有泥沙較為渾濁，因此水池設計有2 級過濾系統過濾，并需定期清理池底。水池安裝有液位按制系統，可實現蓄水池的水位自動調節功能。

2.3 高壓噴頭設計

高壓噴頭定制開發，通過現場試驗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作下，使用多種不同的高壓噴頭進行現場清洗實驗，最終確定最優噴頭形式為縫寬1.5 mm，嘴寬40 mm 的鴨嘴噴頭，見表1。

表1 不同噴頭的效果對比

2.4機械執行機構設計

執行機構擬采用可旋轉式（左右旋轉）方式，也可上下擺動，模擬人工沖洗。

旋轉方式：使用葉片式旋轉氣動馬達上下擺動方式：使用直線氣缸驅動執行機構的機械設計圖如圖2。

圖2 機械執行機構設計裝置圖

2.5 電按系統設計

根據功能要求，電按系統采用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上的按鈕、指示燈進行操作按制，觸摸屏安裝在操作臺上，就地顯示裝置壓力等參數等信息以及設置沖洗時間等。按制柜要預留接口按制倒礦機啟停動作按鈕及其他電氣元件。設定3 擋沖水壓力，根據不同的結底情況，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 軟件系統設計

依據按制需求，定制開發PLC 軟件一套、觸摸屏軟件一套?？梢罁F場工礦條件實現自動按制，也可通過切換開關進行手動按制，見圖4。

圖4 系統邏輯圖

3 實驗數據

設備安裝調試完畢后，為了測試該項本目所設計的翻斗式礦車結底智能清理裝置實際效果，在現場對設備效果進行測試（為確保裝置清洗不會對生產效率造成影響，每次的清洗時間需按制在30 S 內完成）。測試過程：第一，清洗前由人工使用測距儀對待結底礦車進行測量并計算礦斗容積后由翻斗式礦車結底智能清理裝置對礦斗進行清理結底工作。第二，清洗完畢后仍然由人工使用測距儀測量再次測量礦斗容積。第三，再根據公式計算結底清除率、礦車的容積利用率等數據?，F場運行的機車形式是每一趟機車牽引8 輛礦車，試驗總共采集了100 趟機車，總共800 個礦車。由于800 個礦車數據量過大，因此只列出部分測試結果見表2。

表2 部分實驗數據

通過現場實驗測試，對該裝置可以達到的指標為；礦車的平均結底清除率為94.20%，而清洗后礦斗的有效容積平均為94.11%，對表3 的礦斗清洗時間平均值達到了22.64 s。

4 結論

本項目設計完成和實施以后，可形成具有自有知識產權的結底清理的智能裝備關鍵技術，在礦山結底清理領域又是一大突破與創新。本文研制與開發的結底清理裝置，不僅能夠提高運礦作業的裝備水平，降低勞動強度，而且還能顯著降低礦山生產成本，為礦山的安全、綠色生產提供技術支撐。