帶式輸送機下螺旋溜槽的設計

李晨曦

（神華粵電珠海港煤炭碼頭有限公司，廣東省珠海市，519000）

作為煤炭精加工的主要組成部分之一，煤炭對經過篩分塔篩分后的塊煤要求比較嚴格，因此在篩分后煤炭轉運過程當中需要做到防破碎最大化，由于煤炭本身的硬度及脆性較小，故在篩分和運輸過程當中極易產生破碎現象，造成大量塊煤二次破碎。通過篩分之后，篩分出來的塊煤經過帶式輸送機轉送至堆場。由于各帶式輸送機間落差較大，而且目前所用溜槽為曲線式溜槽，篩分出來的塊煤通過上層垂直下落到下層帶式輸送機上，結果使得篩分過后的塊煤再次破碎，通過技術測試，在9 m高度下煤炭從上層帶式輸送機落至下層，其二次破碎率約為10%。而由于煤炭相互撞擊產生的煙塵也對現場工作人員的健康造成不小傷害。因此，將曲線式溜槽改為螺旋溜槽成為減少篩分后的二次破碎以及降低煤塵的一種絕佳方案。

針對以上問題，部分溜槽設計公司和廠商已經開始著手將螺旋溜槽推向市場。現階段已經有計算機輔助軟件開發出來以輔助螺旋溜槽的設計和計算。由于螺旋溜槽出現時間較短，而由于曲線溜槽制造簡單、設計方便、安裝迅速等優點，被廣大企業所青睞。與此同時，在長時間使用過程當中，雖然相對于直線溜槽其良好的防破碎功能產生了作用，但是隨著用戶對產品的需求精細化，曲線溜槽已經滿足要求，而具有更高的防破碎性能的螺旋溜槽也逐漸出現在各個企業的視野當中。

本文在設計螺旋溜槽上選擇了現今較為成熟的方法，即利用不同的溜槽傾角使溜槽同時具有加速段、減速段，從而使煤炭在溜筒當中的撞擊減少，從而達到減少煤炭破碎的目的。與此同時，本文在設計過程當中對煤炭通過機頭溜槽時拋物線的計算，設計改變拋物線角度，來達到避免煤炭撞擊襯板，使其更加平滑地落到螺旋溜槽上，以此降低煤炭破碎率。同時，為了更加詳細地解釋螺旋溜槽的特性，本文將描述螺旋溜槽的力學模型和受力分析。

1 設計要求

溜槽的總體設計原則是使物料自由平穩地流動，避免產生堆積于堵塞，盡可能地使溜槽和物料之間的磨損減小，同時最大限度地降低煤塵的產生。

1.1 設計所需參數及設計要點及方案說明

表1所示為凈空高度煤炭破碎實驗數據。

經過技術員詳細的數據采集和實驗，最終得出在此過程當中塊煤二次破碎率高達12%，假設帶式輸送機額定最大運量3300t／h 計算，則每小時將使已經篩分過得塊煤二次破碎396t／h。

此外，部分頭部導料槽屬于分叉引導式導料槽，在煤炭落入下流帶式輸送機前會通過擋板將煤炭導入預定帶式輸送機。具體設計如圖1所示：

如圖1所示，在位置A 的上方是帶式輸送機頭部，位置A 處設置擋板將煤流引入預定帶式輸送機 （BDQ-1、BDQ-2）。帶式輸送機頭部至擋板位置相差近2 m，所以在此位置除了破碎問題外，伴隨著大量的煤塵，嚴重危害現場工作人員的身體健康。與此同時，在煤炭經過溜槽撞擊膠帶過程中由于其凈空高度高于9m，且下落過程中無緩沖，煤塵問題更加嚴重。

表1 塊煤撞擊破碎實驗數據 （帶式輸送機測試）凈空高度

4.5 50.18 47.74 2.44 4.86 50.12 48.17 1.95 3.89 50.38 47.70 2.68 5.32 50.08 47.33 2.75 5.49 50.11 48.00 2.11 4.21 4.75 5.0 50.01 46.24 3.77 7.54 50.06 45.95 4.11 8.21 50.17 46.02 4.15 8.27 50.01 46.55 3.46 6.92 50.01 46.62 3.39 6.78 7.54精塊5（三九塊）5.5 50.34 46.38 3.96 7.87 50.06 45.87 4.19 8.37 50.16 45.69 4.47 8.91 50.06 46.21 3.85 7.69 50.00 46.03 3.97 7.94 8.16 6.0 50.04 45.92 4.12 8.23 50.03 45.76 4.27 8.53 50.10 45.88 4.22 8.42 50.04 45.49 4.55 9.09 50.12 46.01 4.11 8.20 8.50 6.5 50.40 44.37 6.03 11.96 50.02 44.92 5.10 10.20 50.04 44.85 5.19 10.37 50.02 44.80 5.22 10.44 50.11 44.71 5.40 10.78 10.75 4.5 50.45 48.44 2.01 3.98 50.40 49.03 1.37 2.72 50.02 48.71 1.31 2.62 50.38 49.20 1.18 2.34 50.20 47.85 2.35 4.68 3.27 5.0 50.11 48.40 1.71 3.41 50.08 48.55 1.53 3.06 50.02 48.28 1.74 3.48 50.17 47.99 2.18 4.35 50.01 47.71 2.30 4.60 3.78大塊煤（90～200 mm）5.5 49.97 46.10 3.87 7.74 50.07 46.70 3.37 6.73 50.12 45.96 4.16 8.30 50.11 46.08 4.03 8.04 50.04 46.03 4.01 8.01 7.77 6.0 50.03 45.29 4.74 9.47 50.38 45.92 4.46 8.85 50.01 45.63 4.38 8.76 50.01 45.73 4.28 8.56 50.16 45.73 4.43 8.83 8.90 6.5 50.00 45.07 4.93 9.86 50.03 45.11 4.92 9.83 50.12 44.00 6.12 12.21 50.04 44.61 5.43 10.85 50.10 45.15 4.95 9.88 10.53

1.2 設計方案

1.2.1 溜槽傾角的設計

相對于直線溜槽和曲線溜槽，螺旋溜槽可以使物料自由平穩地流動，而且避免產生堆積于堵塞，盡可能地使溜槽和物料之間的磨損減小，同時可以最大限度地降低煤塵的產生。

圖1 帶式輸送機頭部溜槽及曲線溜槽

根據溜槽的設計需求，影響其設計的主要因素包括物料的種類、粒度、特性以及落差的傾角四個方面。而所設計的螺旋溜槽應當具有煤炭作為本次溜槽設計當中主要的物料種類，其粒度與特性則以日常碼頭裝卸的煤炭為準。而對應物料的溜槽傾角也可以通過計算得出，其結果見表2。

表2 煤炭在基于煤的水分以及粒度級別上做使用的螺旋溜槽角度

由上表可知，不同煤種的煤炭在粒度級別都≥30mm 的情況下螺旋溜槽的角度變動范圍為20°～35°，因此在設計過程當中所涉及的非標準螺旋段、標準螺旋段以及調速段可依照此角度變動范圍進行適當調整。

1.2.2 溜槽斷面的設計

對于螺旋溜槽斷面的設計，其頭部溜槽斷面及尺寸大小應取決于其連接設備的要求。

按照帶式輸送機輸送能力計算其斷面的公式為：

式中：A——溜槽截面積；

Q——輸送量；

Ψ——裝滿系數，相對于煤炭來說可取0.4；

ν——煤炭在底板上運行速度，原煤、精煤、中煤等為1.5；

γ——輸送物料松散存重，煤取0.85。

通過式 （1）計算得出溜槽斷面面積為1.8 m2。假設膠帶寬度為1.6 m，則溜槽高度通過公式：

溜槽高度為1.1m。

1.2.3 螺旋溜槽的設計

目前螺旋溜槽根據底板樣式分為兩種，在沒有煤炭堆積現象的情況下，直底板溜槽無疑是最佳選擇。但是若煤炭存在堆積、擁堵現象，則斜底板溜槽可以克服此現象。

勻速段是螺旋溜槽設計當中相對簡單的部分，其設計參數包括速度、溜槽螺旋角、傾角、溜槽斷面面積、溜槽高度等。與其相比，螺旋溜槽加速段不論是在計算或設計上都是比較繁瑣的，需要的參數包括起點和終點的加速度、速度、螺旋角、底板傾角等。其受力分析如圖2所示。

圖2 物料在溜槽底面的受力分析

如圖所示，ABC 為水平面，CD 和BE 垂直于水平面；AD 是外螺旋線的切線。∠CAD 為外螺旋角α，∠BAE 為底板傾角δ，假設煤炭在A 點時初速度為0，則煤炭只在重力的作用下向最大傾斜角∠FED 方向滑動。

根據上圖中沒在重力作用下分解，可以得出其運動方程為：

當煤炭進行勻速運動時：a=0

斜底板傾角δ=tan-1f

式中：Q——運動質點所受到重力；

f——動摩擦因數；

β——底板傾角；

α——物料加速度。

通過上述分析和計算，可以看出螺旋溜槽的基本參數被很多因素所影響，而通過計算機的輔助計算，則上述比較繁瑣的計算可以很輕松地得出結果并且做出模擬。

而在設計加速段的過程當中，除了設計出合理的數據外，還應當保證煤炭在整個運輸過程當中保持平穩運行，避免撒漏煤現象，并且要保證煤炭在落入筒倉或者下流皮帶時保持相對靜止。

2 頭部曲線導流槽的設計

由于煤炭在離開膠帶時所具有的法相速度與膠帶前進速度相同，部分煤炭破碎也發生在煤炭拋出并撞擊襯板時。因此，設計頭部曲線導流槽也是減少煤炭破碎的方向之一。針對這種情況，首先考慮的應當是煤炭在拋出膠帶時的拋物線曲線軌跡。而帶式輸送機落料拋物線軌跡又與托輥直徑、膠帶速度以及單位時間煤炭重量相關聯，因此根據拋物線公式推導出公式：

式中：x——橫坐標值，m；

y——縱坐標值，m；

g——重力加速度，取9.8m／s2；

v——帶速，m／s；

α——物料脫離滾筒時的位置角，（°）。

通過上述公式，設定出合理的x 值，求出對應的縱坐標值并描繪出相應曲線示意圖，見圖3。

圖3 機頭卸料軌跡

2.1 改造前機頭溜槽的設計

根據實際考察以及對部分溜槽制造廠商資料的整理，帶式輸送機頭溜槽在沒有特殊要求時是按照常規型號進行設計的，在設計過程當中并沒有考慮到機頭落料對溜槽的沖擊以及沖擊所產生的物料破碎和粉塵問題，并且由于帶式輸送機帶速相對較快，所產生的粉塵也較大，常見的機頭溜槽如圖4所示：

圖4 機頭溜槽

2.2 改造后機頭溜槽的設計

根據此公式和不同的x 值可以得到相應的y值，見表3。

表3 頭部落料軌跡坐標 m

根據以上數據，可以得出煤炭落料軌跡線，則落料軌跡在原機頭溜槽如圖5所示。

圖5 煤炭在機頭溜槽當中的拋物線軌跡

進而對原機頭溜槽進行改造，改造如圖所示通過改變拋物線角度可以使得煤炭撞擊點產生改變或者減緩煤炭下落時的沖擊力。一般來講，改變拋物線角度的方法有三種，分別是：提高頭部溜筒的高度；降低膠帶速度；假裝頭部曲線擋板。再根據以上所得出的數據，具體溜槽模型如圖6所示。

3 結論

圖6 曲線溜槽及機頭溜槽模型

螺旋溜槽在防止煤炭破碎方面具有相當大的潛力，并且其結構簡單、使用方便、效果良好。由于沒有被廣泛應用，其效果仍然有待時間的檢驗，并且在實際設計、操作和使用當中還有大量需要優化和改進的地方，本次研究通過對螺旋溜槽以及機頭溜槽的設計，完善了螺旋溜槽的設計和計算。而相較于通用性曲線溜槽，螺旋溜槽將會是一種更先進的煤炭防破碎裝置。

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