基于仿生学原理的匀矿机设计及应用

2014-05-23刘和生厉汝文胡书文

中国钨业 2014年3期

刘和生，厉汝文，胡书文

（1.江西下垄钨业有限公司，江西大余 341518；2.江西环境工程学院，江西赣州 341000）

中国大多数钨矿山企业目前仍然采用比较传统的丢废选别方式。当井下运来的矿石进入选矿厂后，经过筛分设备分级成几个粒级不同的矿石，然后在手选皮带机运行过程中进行人工选别。为提高手选效果，往往需要在皮带传送过程中进行匀矿,目前钨矿山的匀矿基本上均是人工匀矿。人工匀矿劳动强度大，且匀矿效果不佳。为此，设计一种自动匀矿设备可大大改善矿山手选作业条件。

1 现状分析

某钨矿山企业有近百年的开采历史，矿山年采掘综合能力为25万t。矿产品采用由井下原矿、选矿粗选筛分、重选分级、精选选别等流程。在粗选筛分环节，井下矿石进入选矿厂后，经过弹片筛、振动筛的筛分，分级成几个粒级不同的矿石，在手选皮带机运行过程中进行脉矿石与废石的人工选别。选矿厂皮带机的手选皮带分成两组，其中矿石粒度为25～30 mm的标记为3#手选皮带，粒度为19～25 mm的为4#手选皮带。振动筛筛板与皮带机交叉成直角安装，皮带成弧形承接矿石，筛分口溜出到皮带机上的矿石形成条形层压状分布。因此，人工手选之前，必须把皮带上的矿石均匀平铺开来，才有利于人工选别。此项工作长期以来一直是由人工操作，操作工用扒齿将矿石左右扒开，使其均匀平铺。但人工扒矿，劳动强度较大，且扒矿效果均匀性差，另外，由于每条皮带都要有人操作，用工量也大。

为改善手选作业条件，该选矿厂曾经作过一些尝试，试图用非人工方法将皮带上的矿石铺摊均匀，如：在与皮带机垂直方向安装固定扒齿，采取阻挡矿石运行，强行将矿石分散的方式，但由于扒齿的作用力方向与矿石的行进方向同一直线，不能形成左右的往复力，因而未能达到预期的匀矿效果。又曾将筛分口段皮带的下托滚改成平直形，造就皮带的平整状，以期溜出至皮带上的矿石平整铺开。此法也未能解决矿石自由下落后仍成层压的问题，且出现部分矿石溅出皮带外的现象。由于这些改进均未能达到预期效果，因而该矿山仍延续着手工扒矿方式。

2 匀矿机的设计及工作原理

2.1 设计原理

由于匀矿具有动作简单、重复性等机械特点，使用机械替代人工匀矿应具有可行性。但鉴于前两次设计的经验，因此在设计思路中尝试运用仿生学原理进行设计。对设计对象的主要动作参数和运行轨迹模仿人工匀矿动作，使设备体现人工匀矿的作业特点，达到人工匀矿的工艺要求。

仿生学研究生物体的结构、功能和工作原理,并将这些原理移植于工程技术之中,发明性能优越的仪器、装置和机器，创造新技术[1]。仿生机械学是以力学或机械学作为基础的，综合生物学、医学及工程学的一门边缘学科。在新技术设备的设计与制造方面采用仿生学原理，包含着对生物现象进行力学研究，对生物的运动、动作进行工程分析，使设计的人造技术系统具有类似生物系统的特征。根据设计目标要求，其设计的出发点主要是从适应作业的形态来考虑，设计具有工作效率最高的机械。从匀矿机的设计上，为了实现机械匀矿的功能，按照两步走的目标，第一步是尽可能地采用与人类手工匀矿时完全一样的肢体动作和工作频率，替代人工匀矿，第二步的目标是进行优化改进。

2.2 参数采集与分析

匀矿机设计思路上应用仿生学原理，首先需要对模仿对象的动作进行观察，测试，以获得关键参数，人工匀矿动作简单，但此类动作参数未见前人研究。经分析，人工匀矿的主要动作为在与矿石随皮带运行相垂直的方向上往复推出与收回扒齿，运输皮带上成堆的矿石在往复推力下平铺均匀，便于后续的脉石与废石分选[2]。扒齿的这个往复运行动作，完全可以采用一个曲柄滑块机构模仿之[3]。为取得手臂动作频率与活动范围，为此，对6名匀矿扒矿工人进行了扒矿频率的统计，如表1所示。

表1 人工扒矿基础数据

根据人工扒矿平均次数为60.33次/min，因此，将机械扒矿频率设计为60次/min；根据人的手臂活动范围为300～560 mm之间，皮带宽度600 mm，取扒矿宽度450 mm。

2.3 样机设计

根据以上参数，进行样机设计计算。

电动机转速及曲柄半径（即转盘偏心距）的计算：

减速箱输出轴转速n2=60 r/min，也即为扒矿频率，次/min。

减速箱输入轴转速：

电动机转速：

曲柄半径（即转盘偏心距）：

式中：n0、n1、n2分别为电动机、减速箱输入轴、输出轴的转速，r/min；D0、D1为电动机皮带轮、减速箱输入轴皮带轮的计算直径120 mm；i为减速箱速比23.34；e为曲柄半径（即转盘偏心距），mm；B为扒矿宽度，mm。

电动机负荷较轻，取1.1 kW。选取电动机型号为 Y90S—4，1.1 kW，1400 r/min，380 V。

新设计的匀矿机由机架、手选皮带、走轮（305轴承）、走轮轴、扒齿及其固定架、铰链座、可调连杆、减速器、三角胶带、三角带轮、电动机等组成[4-5]，如图1、图2所示。

图1 手选匀矿机设计方案

图2 扒齿结构设计

匀矿机的工作原理是：电机通过三角胶带将动力传递给减速器高速轴，经减速后，低速轴输出，带动转盘（相当于曲柄）做圆周运动，转盘再通过与其铰接的连杆带动扒齿（相当于滑块）作左右往复运动，使扒齿产生了与手工扒矿频率一样的扒矿动作。扒齿的安装方向与皮带横向平行，运动方向与皮带运行方向垂直，扒齿作左右方向的往复运动时，推动或带动皮带上的矿石在左右方向展开，达到匀矿效果[6-7]。

2.4 样机开发与安装调试

根据上述设计，制作了匀矿机样机。工作样机安装在该企业选矿厂的3#、4#手选皮带机位置。样机采取一台电动机带动两个扒齿的联动方式，即：在一个机架上安装一台电动机，在减速箱输出轴安装一个转盘，在转盘的同一销轴上叠加装配两根连杆，使转盘可以同时拖动机架上的两个扒齿作往复运行；为了方便调节扒齿匀矿中心位置，连杆设计成长度可调的，即：连杆分成三段，两端杆的外螺纹有一顺一反，中间连接套两端的内螺纹也一顺一反。组装后，旋动中间连接套就可以调节连杆总长度；走轮（305滚动轴承）的行走导轨长1 m，走轮在加工后的6.3#槽钢内运行。由于槽钢的刨削加工比较困难且磨损后更换不方便，因此选用6.3#槽钢作导轨，但在其内侧的上下面各增加了一块80 mm×8 mm扁钢并用螺丝连接，走轮外径刚好与槽钢的内空高度相等，不需加工又适合走轮运行。当导轨磨损过限后，维修时，只需更换连接于内侧的80 mm×8 mm扁钢；在手选皮带两侧设置了木质挡板，以防止扒齿作往复运行时皮带上的矿石被左右推出。

该设备工艺简单、安装维修方便，制作成本低。整台匀矿机的加工、安装、调试工作，在矿山企业的坑口或分厂机修车间就能顺利完成。设备运行噪音小、能耗不高。

3 匀矿机的应用与讨论

样机在某钨矿企业选矿厂安装、使用至今，已经整整运行了5年，设备工作状态良好。在选矿方面，彻底改变了皮带运输机上矿石层压成堆的状况，矿石被均匀扒开，选别效率提高50%以上，废石选出率提高3%以上。另外，该机操作维护简单，维修工作量极小，除给运行部位加注适量润滑油外，只需更换由直径为16 mm圆钢焊接而成的磨损扒齿。其次，在促进经济效益方面收效特别明显，至从使用样机进行选矿作业以来，一台匀矿机取代了两个劳动力，缓解了当前劳动力紧张的局面；除此之外，还节约了生产成本。按目前手选工人人工费每小时20元计算，单班支付工费160元，按两班计算，则每天支付的人工费为640元，一年支付的费用约为23万元。该选矿厂有3条自动选矿流水线，如果全部使用这种匀矿机替代人工匀矿，每年可直接节省成本约70万元。

目前匀矿机在运行中还存在一些有待改进的地方：当给矿量或给矿粒度发生变化时，因扒齿扒矿频率固定不变，达不到最佳匀矿效果；个别矿石溅出运输皮带之外；整机有点简陋，不够美观。今后，可在扒矿频率上作些改进，如采用变频器微调供电频率，控制电动机转速，从而改变扒矿频率。制作与安装应更加规范，在转盘、连杆等运动部件上加装防护罩。

在设计匀矿机的工作频率时，采用了现场统计的人工扒矿工作频率60次/min，事实上，此频率与传送皮带的运行速度有关，而运行速度又是根据人工速度来设定的。在采用机械设备替代人工匀矿后，可以根据实际情况，提高皮带运行速度，并使匀矿设备和给矿机、弹片筛、振动筛、皮带运输机等设备相匹配[8]，提高整条生产线的效率。这些都可以在今后进一步优化中研究。