劉和生，厲汝文，胡書文

（1.江西下壟鎢業(yè)有限公司，江西 大余 341518；2.江西環(huán)境工程學(xué)院，江西 贛州 341000）

中國大多數(shù)鎢礦山企業(yè)目前仍然采用比較傳統(tǒng)的丟廢選別方式。當(dāng)井下運(yùn)來的礦石進(jìn)入選礦廠后，經(jīng)過篩分設(shè)備分級(jí)成幾個(gè)粒級(jí)不同的礦石，然后在手選皮帶機(jī)運(yùn)行過程中進(jìn)行人工選別。為提高手選效果，往往需要在皮帶傳送過程中進(jìn)行勻礦,目前鎢礦山的勻礦基本上均是人工勻礦。人工勻礦勞動(dòng)強(qiáng)度大，且勻礦效果不佳。為此，設(shè)計(jì)一種自動(dòng)勻礦設(shè)備可大大改善礦山手選作業(yè)條件。

1 現(xiàn)狀分析

某鎢礦山企業(yè)有近百年的開采歷史，礦山年采掘綜合能力為25萬t。礦產(chǎn)品采用由井下原礦、選礦粗選篩分、重選分級(jí)、精選選別等流程。在粗選篩分環(huán)節(jié)，井下礦石進(jìn)入選礦廠后，經(jīng)過彈片篩、振動(dòng)篩的篩分，分級(jí)成幾個(gè)粒級(jí)不同的礦石，在手選皮帶機(jī)運(yùn)行過程中進(jìn)行脈礦石與廢石的人工選別。選礦廠皮帶機(jī)的手選皮帶分成兩組，其中礦石粒度為25～30 mm的標(biāo)記為3#手選皮帶，粒度為19～25 mm的為4#手選皮帶。振動(dòng)篩篩板與皮帶機(jī)交叉成直角安裝，皮帶成弧形承接礦石，篩分口溜出到皮帶機(jī)上的礦石形成條形層壓狀分布。因此，人工手選之前，必須把皮帶上的礦石均勻平鋪開來，才有利于人工選別。此項(xiàng)工作長(zhǎng)期以來一直是由人工操作，操作工用扒齒將礦石左右扒開，使其均勻平鋪。但人工扒礦，勞動(dòng)強(qiáng)度較大，且扒礦效果均勻性差，另外，由于每條皮帶都要有人操作，用工量也大。

為改善手選作業(yè)條件，該選礦廠曾經(jīng)作過一些嘗試，試圖用非人工方法將皮帶上的礦石鋪攤均勻，如：在與皮帶機(jī)垂直方向安裝固定扒齒，采取阻擋礦石運(yùn)行，強(qiáng)行將礦石分散的方式，但由于扒齒的作用力方向與礦石的行進(jìn)方向同一直線，不能形成左右的往復(fù)力，因而未能達(dá)到預(yù)期的勻礦效果。又曾將篩分口段皮帶的下托滾改成平直形，造就皮帶的平整狀，以期溜出至皮帶上的礦石平整鋪開。此法也未能解決礦石自由下落后仍成層壓的問題，且出現(xiàn)部分礦石濺出皮帶外的現(xiàn)象。由于這些改進(jìn)均未能達(dá)到預(yù)期效果，因而該礦山仍延續(xù)著手工扒礦方式。

2 勻礦機(jī)的設(shè)計(jì)及工作原理

2.1 設(shè)計(jì)原理

由于勻礦具有動(dòng)作簡(jiǎn)單、重復(fù)性等機(jī)械特點(diǎn)，使用機(jī)械替代人工勻礦應(yīng)具有可行性。但鑒于前兩次設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)，因此在設(shè)計(jì)思路中嘗試運(yùn)用仿生學(xué)原理進(jìn)行設(shè)計(jì)。對(duì)設(shè)計(jì)對(duì)象的主要?jiǎng)幼鲄?shù)和運(yùn)行軌跡模仿人工勻礦動(dòng)作，使設(shè)備體現(xiàn)人工勻礦的作業(yè)特點(diǎn)，達(dá)到人工勻礦的工藝要求。

仿生學(xué)研究生物體的結(jié)構(gòu)、功能和工作原理,并將這些原理移植于工程技術(shù)之中,發(fā)明性能優(yōu)越的儀器、裝置和機(jī)器，創(chuàng)造新技術(shù)[1]。仿生機(jī)械學(xué)是以力學(xué)或機(jī)械學(xué)作為基礎(chǔ)的，綜合生物學(xué)、醫(yī)學(xué)及工程學(xué)的一門邊緣學(xué)科。在新技術(shù)設(shè)備的設(shè)計(jì)與制造方面采用仿生學(xué)原理，包含著對(duì)生物現(xiàn)象進(jìn)行力學(xué)研究，對(duì)生物的運(yùn)動(dòng)、動(dòng)作進(jìn)行工程分析，使設(shè)計(jì)的人造技術(shù)系統(tǒng)具有類似生物系統(tǒng)的特征。根據(jù)設(shè)計(jì)目標(biāo)要求，其設(shè)計(jì)的出發(fā)點(diǎn)主要是從適應(yīng)作業(yè)的形態(tài)來考慮，設(shè)計(jì)具有工作效率最高的機(jī)械。從勻礦機(jī)的設(shè)計(jì)上，為了實(shí)現(xiàn)機(jī)械勻礦的功能，按照兩步走的目標(biāo)，第一步是盡可能地采用與人類手工勻礦時(shí)完全一樣的肢體動(dòng)作和工作頻率，替代人工勻礦，第二步的目標(biāo)是進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)。

2.2 參數(shù)采集與分析

勻礦機(jī)設(shè)計(jì)思路上應(yīng)用仿生學(xué)原理，首先需要對(duì)模仿對(duì)象的動(dòng)作進(jìn)行觀察，測(cè)試，以獲得關(guān)鍵參數(shù)，人工勻礦動(dòng)作簡(jiǎn)單，但此類動(dòng)作參數(shù)未見前人研究。經(jīng)分析，人工勻礦的主要?jiǎng)幼鳛樵谂c礦石隨皮帶運(yùn)行相垂直的方向上往復(fù)推出與收回扒齒，運(yùn)輸皮帶上成堆的礦石在往復(fù)推力下平鋪均勻，便于后續(xù)的脈石與廢石分選[2]。扒齒的這個(gè)往復(fù)運(yùn)行動(dòng)作，完全可以采用一個(gè)曲柄滑塊機(jī)構(gòu)模仿之[3]。為取得手臂動(dòng)作頻率與活動(dòng)范圍，為此，對(duì)6名勻礦扒礦工人進(jìn)行了扒礦頻率的統(tǒng)計(jì)，如表1所示。

表1 人工扒礦基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

根據(jù)人工扒礦平均次數(shù)為60.33次/min，因此，將機(jī)械扒礦頻率設(shè)計(jì)為60次/min；根據(jù)人的手臂活動(dòng)范圍為300～560 mm之間，皮帶寬度600 mm，取扒礦寬度450 mm。

2.3 樣機(jī)設(shè)計(jì)

根據(jù)以上參數(shù)，進(jìn)行樣機(jī)設(shè)計(jì)計(jì)算。

電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速及曲柄半徑（即轉(zhuǎn)盤偏心距）的計(jì)算：

減速箱輸出軸轉(zhuǎn)速n2=60 r/min，也即為扒礦頻率，次/min。

減速箱輸入軸轉(zhuǎn)速：

電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速：

曲柄半徑（即轉(zhuǎn)盤偏心距）：

式中：n0、n1、n2分別為電動(dòng)機(jī)、減速箱輸入軸、輸出軸的轉(zhuǎn)速，r/min；D0、D1為電動(dòng)機(jī)皮帶輪、減速箱輸入軸皮帶輪的計(jì)算直徑120 mm；i為減速箱速比23.34；e為曲柄半徑（即轉(zhuǎn)盤偏心距），mm；B為扒礦寬度，mm。

電動(dòng)機(jī)負(fù)荷較輕，取1.1 kW。選取電動(dòng)機(jī)型號(hào)為 Y90S—4，1.1 kW，1400 r/min，380 V。

新設(shè)計(jì)的勻礦機(jī)由機(jī)架、手選皮帶、走輪（305軸承）、走輪軸、扒齒及其固定架、鉸鏈座、可調(diào)連桿、減速器、三角膠帶、三角帶輪、電動(dòng)機(jī)等組成[4-5]，如圖1、圖2所示。

圖1 手選勻礦機(jī)設(shè)計(jì)方案

圖2 扒齒結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

勻礦機(jī)的工作原理是：電機(jī)通過三角膠帶將動(dòng)力傳遞給減速器高速軸，經(jīng)減速后，低速軸輸出，帶動(dòng)轉(zhuǎn)盤（相當(dāng)于曲柄）做圓周運(yùn)動(dòng)，轉(zhuǎn)盤再通過與其鉸接的連桿帶動(dòng)扒齒（相當(dāng)于滑塊）作左右往復(fù)運(yùn)動(dòng)，使扒齒產(chǎn)生了與手工扒礦頻率一樣的扒礦動(dòng)作。扒齒的安裝方向與皮帶橫向平行，運(yùn)動(dòng)方向與皮帶運(yùn)行方向垂直，扒齒作左右方向的往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)，推動(dòng)或帶動(dòng)皮帶上的礦石在左右方向展開，達(dá)到勻礦效果[6-7]。

2.4 樣機(jī)開發(fā)與安裝調(diào)試

根據(jù)上述設(shè)計(jì)，制作了勻礦機(jī)樣機(jī)。工作樣機(jī)安裝在該企業(yè)選礦廠的3#、4#手選皮帶機(jī)位置。樣機(jī)采取一臺(tái)電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)兩個(gè)扒齒的聯(lián)動(dòng)方式，即：在一個(gè)機(jī)架上安裝一臺(tái)電動(dòng)機(jī)，在減速箱輸出軸安裝一個(gè)轉(zhuǎn)盤，在轉(zhuǎn)盤的同一銷軸上疊加裝配兩根連桿，使轉(zhuǎn)盤可以同時(shí)拖動(dòng)機(jī)架上的兩個(gè)扒齒作往復(fù)運(yùn)行；為了方便調(diào)節(jié)扒齒勻礦中心位置，連桿設(shè)計(jì)成長(zhǎng)度可調(diào)的，即：連桿分成三段，兩端桿的外螺紋有一順一反，中間連接套兩端的內(nèi)螺紋也一順一反。組裝后，旋動(dòng)中間連接套就可以調(diào)節(jié)連桿總長(zhǎng)度；走輪（305滾動(dòng)軸承）的行走導(dǎo)軌長(zhǎng)1 m，走輪在加工后的6.3#槽鋼內(nèi)運(yùn)行。由于槽鋼的刨削加工比較困難且磨損后更換不方便，因此選用6.3#槽鋼作導(dǎo)軌，但在其內(nèi)側(cè)的上下面各增加了一塊80 mm×8 mm扁鋼并用螺絲連接，走輪外徑剛好與槽鋼的內(nèi)空高度相等，不需加工又適合走輪運(yùn)行。當(dāng)導(dǎo)軌磨損過限后，維修時(shí)，只需更換連接于內(nèi)側(cè)的80 mm×8 mm扁鋼；在手選皮帶兩側(cè)設(shè)置了木質(zhì)擋板，以防止扒齒作往復(fù)運(yùn)行時(shí)皮帶上的礦石被左右推出。

該設(shè)備工藝簡(jiǎn)單、安裝維修方便，制作成本低。整臺(tái)勻礦機(jī)的加工、安裝、調(diào)試工作，在礦山企業(yè)的坑口或分廠機(jī)修車間就能順利完成。設(shè)備運(yùn)行噪音小、能耗不高。

3 勻礦機(jī)的應(yīng)用與討論

樣機(jī)在某鎢礦企業(yè)選礦廠安裝、使用至今，已經(jīng)整整運(yùn)行了5年，設(shè)備工作狀態(tài)良好。在選礦方面，徹底改變了皮帶運(yùn)輸機(jī)上礦石層壓成堆的狀況，礦石被均勻扒開，選別效率提高50%以上，廢石選出率提高3%以上。另外，該機(jī)操作維護(hù)簡(jiǎn)單，維修工作量極小，除給運(yùn)行部位加注適量潤(rùn)滑油外，只需更換由直徑為16 mm圓鋼焊接而成的磨損扒齒。其次，在促進(jìn)經(jīng)濟(jì)效益方面收效特別明顯，至從使用樣機(jī)進(jìn)行選礦作業(yè)以來，一臺(tái)勻礦機(jī)取代了兩個(gè)勞動(dòng)力，緩解了當(dāng)前勞動(dòng)力緊張的局面；除此之外，還節(jié)約了生產(chǎn)成本。按目前手選工人人工費(fèi)每小時(shí)20元計(jì)算，單班支付工費(fèi)160元，按兩班計(jì)算，則每天支付的人工費(fèi)為640元，一年支付的費(fèi)用約為23萬元。該選礦廠有3條自動(dòng)選礦流水線，如果全部使用這種勻礦機(jī)替代人工勻礦，每年可直接節(jié)省成本約70萬元。

目前勻礦機(jī)在運(yùn)行中還存在一些有待改進(jìn)的地方：當(dāng)給礦量或給礦粒度發(fā)生變化時(shí)，因扒齒扒礦頻率固定不變，達(dá)不到最佳勻礦效果；個(gè)別礦石濺出運(yùn)輸皮帶之外；整機(jī)有點(diǎn)簡(jiǎn)陋，不夠美觀。今后，可在扒礦頻率上作些改進(jìn)，如采用變頻器微調(diào)供電頻率，控制電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，從而改變扒礦頻率。制作與安裝應(yīng)更加規(guī)范，在轉(zhuǎn)盤、連桿等運(yùn)動(dòng)部件上加裝防護(hù)罩。

在設(shè)計(jì)勻礦機(jī)的工作頻率時(shí)，采用了現(xiàn)場(chǎng)統(tǒng)計(jì)的人工扒礦工作頻率60次/min，事實(shí)上，此頻率與傳送皮帶的運(yùn)行速度有關(guān)，而運(yùn)行速度又是根據(jù)人工速度來設(shè)定的。在采用機(jī)械設(shè)備替代人工勻礦后，可以根據(jù)實(shí)際情況，提高皮帶運(yùn)行速度，并使勻礦設(shè)備和給礦機(jī)、彈片篩、振動(dòng)篩、皮帶運(yùn)輸機(jī)等設(shè)備相匹配[8]，提高整條生產(chǎn)線的效率。這些都可以在今后進(jìn)一步優(yōu)化中研究。

4 結(jié)語

在我國許多鎢礦山選礦廠人工選別作業(yè)中，均應(yīng)用皮帶運(yùn)輸機(jī)，人工勻礦，工人非常辛苦勞累，且勻礦效果不佳。采用勻礦機(jī)后，扒齒勻礦，具有良好的勻礦效果、較大的經(jīng)濟(jì)效益與廣泛的實(shí)用價(jià)值。樣機(jī)開發(fā)后，經(jīng)某鎢礦山企業(yè)選礦廠運(yùn)用實(shí)踐證明，運(yùn)行效果特別好，運(yùn)營成本比較低，可靠性比較高，值得在礦山企業(yè)推廣和使用。

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