论文部分内容阅读
【摘 要】 本文阐述了简易排矸装置的设计初衷，对简易排矸装置的工作原理、主要结构、强度分析进行了细致的描述，并通过现场的实际应用，得出了相关论证，对实际生产中的应用效果进行了总结。
【关键词】 简易排矸装置 安全 节能 环保
【DOI编码】 10.3969/j.issn.1674-4977.2014.16.012
由于大明矿矸石山周边是采空区，为了安全起见，现有的矸石山应停止使用，需重新建立一套排矸系统，如果重新设立矸石山费用较高，占地面积大，对环境污染严重，而且现场没有足够的空间，通过我矿工程技术人员自行设计简易排矸装置，满足了生产需求，大大降低了工人的劳动强度，该装置结构简单，操作方便，日常维护量小，既节省了人工又达到了节能的目的，并且实现了矸石不上山，减少了对环境的污染，经过2个月的运行，效果十分显著。
1 原来排矸系统的现状及存在问题
1.1 原来排矸系统的现状
原来的排矸系统由两台提升机、一台翻车机、矸石山排矸线路及顶部翻矸架组成。排矸过程分两部分，一是前段绞车排矸过程；二是后段绞车排矸过程，只有前段和后段绞车同时进行作业，才能完成整个排矸过程。
1.2 存在的问题
（1）用人较多
原排矸系统每班8人，还不包括设备维护及矸石山轨道维护人员。这套排矸系统不仅人多，而且大多数岗位职工的劳动强度都很大，工作环境也很差。
（2）矸石山翻矸管理难，安全管理难度大
矸石山翻矸管理难主要有三方面，一是矸石山顶部的翻矸架位于采空区边缘，下沉速度快、下沉量大，因而难维护。二是矸石山的回填难，由于每次回填的高度很低，每翻一车或几车往往就需要人工扒矸，工人的劳动强度很大。三是矸石山顶部经常塌陷，每次塌陷就必须将排矸架抬起，排矸架抬起时会有大量有害有毒气体产生，当矸石堆积到两侧不能正常滑落时，还得将排矸架前移，排矸架抬起或前移过程中，安全管理难度非常大，而且潮湿的矸石经常堵塞罐笼，处理罐笼时很不安全。
（3）排矸系统的设备多，日常维护量大
排矸主要设备由两台提升机、一台翻车机、一个罐笼、矸石山轨道和托绳轮、一套排矸架组成，提升机除每天安排人员检查外，还必须定期进行检修，两条钢丝绳磨损超限时要更换，矸石山绞车道轨道经常需要调整，每周至少更换两组托绳轮，机械旋转部位经常注油，排矸架每周进行两次修补等，设备维护人员多，维护量大。
（4）排矸环节多，排矸效率低
排矸经过两个斜巷绞车道，排矸环节复杂。排放一车矸石需3分钟，一小时只能排放20车矸石，排矸效率低，不能满足生产需求。
2 新设立排矸系统状况
排矸系统主要通过运输、翻矸、卸载、再运输四个基本环节完成排矸任务。
运输系统：从井底用罐笼提升至地面的矸石矿车在井口用电机车将矿车推至排矸重车线。重车线长100米，可以存放45台MG1.1-6B矿车，从起点到翻矸架底部有7‰顺坡，一列矸石车可自溜到摘挂钩地点，矸石车排矸后，矿车顺坡下滑到空车线，空车线有5‰顺坡，不用人力推车。
翻矸、卸载系统：采用倾斜式高位翻矸架，即用一台JD-25KW调度绞车把矿车从低位拉至高位，然后通过钢丝绳带动旋转架对矿车进行卸载。
再运输系统：翻至地面的矸石通过装载机运至临时矸石存放处。
3 简易排矸装置的机构及原理
3.1 简易排矸装置的机构
该翻矸装置包括翻转框架、转动轴，矿车前限位、前翻限位、回复限位、底盘、运行轨道和限位轨道。框架连接在底盘上，在框架的最前端有矿车到位限位，在框架后端的两侧面上有前翻限位和回复限位，在框架的两侧有转动轴，在底盘上有运行轨道和限位轨道。最前端设有导绳轮。
3.2 工作原理
用JD-25KW调度绞车将矸石车直接牵引到卸矸架顶部的翻车架上，翻车架由于重心不平衡自动翻转，卸矸后又自动复位。
3.3 受力分析及强度核算
（1）当矿车到达翻矸架顶部，静止时受力分析
图2 静止时受力分析图
设矿车为刚体，由于轨道面光滑，不考虑摩擦力。
[N1+N2]=[cos17°×G]=0.956[×][2.41][≈2.3][≈2.3]KN
[F]=[sin17°×G]=0.292[×2.41][≈0.7]T[≈7]KN
式中：[N1+N2]——矿车对翻转装置垂直压力，KN；
[F]——沿倾斜方向向上的力，KN；
[G]——矸石车质量2.41T。
（2）矿车到达排矸架顶部后，旋转前受力分析
图3 旋转前受力分析图
以轴承支点为中心，由于M=0，得
[160F=][15G1+40G2]
[F=7.625]KN
又[N=G1+G2+F]
求得：[N=20+23+7.625+50.625]KN
式中：
[G1]——翻车旋转装置重量2T，重力中心距旋转轴中心40cm；
[G2]——矸石车支撑力，取[N1+N2]，20KN重力中心距旋转轴中心15cm；
[F]——绞车向下拉力，KN，距旋转轴中心160cm；
[N]——轴的支撑力，KN。
（3）轴剪切内应力校验
图4 轴剪切力分析图
[A=πR2=3.14×4.52=63.585]cm2
[τ=QA=50.62563.585≈8]Mpa
式中： [A]——轴的截面积，cm2；
[Q]——作用在轴上的剪切力，KN；
[τ]——剪切内应力，MPa。
1MPa[≈]10kg/cm2
轴采用合金结构钢30CrMnSi，剪切应力400MPa，大于实际剪切应力，校验合格。
4 简易排矸系统应用效果
4.1 用人较少
排矸作业只需2人，1名绞车司机，1名摘挂钩人员。
4.2 工作效率高
一次排矸作业只需2分钟。排矸能力达到30矿车/小时，每班排矸时间6小时，排矸180矿车，彻底解决了副井提升到地面矸石车积压的问题，同时缓解了空车存放位置不足的矛盾，提高了工作效率。
4.3 设备维护量小，减少了维修人员，维护费用低
新排矸系统主要有两台设备，一台JD-25调度绞车，一台排矸架，由于设备少，两名维护人员就能完成设备的日常检查和维护，只要定期对机械和旋转部位注油，每周对排矸架翻转机构补焊加固一次，大约每两个月更换一根直径Φ15.5mm、长度60m的钢丝绳，就能满足生产需求。
4.4 排矸环节少，便于安全管理
排矸作业现场只有2人，把钩工将矸石车与绞车钩头连接好后，站在指定地点发出开车信号，绞车司机接到信号后启动绞车，将矸石车拉到翻矸架顶部进行排矸，矸石排出后，将空车下放，完成一次排矸操作，排矸简单，安全可靠性大。
5 经济效益分析
（1）节能方面，原来每天排矸时间18小时，原电动机功率为150KW，每年电费：150KW×60%×18小时×0.8元/度×25天×12月=388800元=38.88万元。由于工作效率高，现在每天排矸时间12小时，现电动机功率25KW，每年电费：25KW×60%×12小时×0.8元/度×25天×12月=43200元=4.32万元。每年可节约电费：38.88万元-4.32万元=34.56万元。
（2）原来排矸作业每班8人，三班作业24人，现在每班2人，两班作业4人，每天节约20人，每年可节约人工费：20人×3000元/人×12月=720000元=72万元。
（3）每年还可以节约两台提升机和一台翻车机的维修费用4万元。
预计每年共节约费用：34.56万元+72元万+4万元=110.56万元。
简易排矸系统增强了排矸能力、简化了排矸环节、改善了生产环境，经济效益显著。设备运行安全可靠，运行费用低，同时由于其维修量少也节省了维修工，减少了因设备维修造成的损失，大大降低了工人的劳动强度，减少了机械事故的发生。实现了矸石不上山，对环境污染非常小。
作者简介
唐立宏，工程师，毕业于辽宁科技学院机电一体化技术专业，现任铁能公司大明煤矿机电科副科长。
（责任编辑：张晓明）
【关键词】 简易排矸装置 安全 节能 环保
【DOI编码】 10.3969/j.issn.1674-4977.2014.16.012
由于大明矿矸石山周边是采空区，为了安全起见，现有的矸石山应停止使用，需重新建立一套排矸系统，如果重新设立矸石山费用较高，占地面积大，对环境污染严重，而且现场没有足够的空间，通过我矿工程技术人员自行设计简易排矸装置，满足了生产需求，大大降低了工人的劳动强度，该装置结构简单，操作方便，日常维护量小，既节省了人工又达到了节能的目的，并且实现了矸石不上山，减少了对环境的污染，经过2个月的运行，效果十分显著。
1 原来排矸系统的现状及存在问题
1.1 原来排矸系统的现状
原来的排矸系统由两台提升机、一台翻车机、矸石山排矸线路及顶部翻矸架组成。排矸过程分两部分，一是前段绞车排矸过程；二是后段绞车排矸过程，只有前段和后段绞车同时进行作业，才能完成整个排矸过程。
1.2 存在的问题
（1）用人较多
原排矸系统每班8人，还不包括设备维护及矸石山轨道维护人员。这套排矸系统不仅人多，而且大多数岗位职工的劳动强度都很大，工作环境也很差。
（2）矸石山翻矸管理难，安全管理难度大
矸石山翻矸管理难主要有三方面，一是矸石山顶部的翻矸架位于采空区边缘，下沉速度快、下沉量大，因而难维护。二是矸石山的回填难，由于每次回填的高度很低，每翻一车或几车往往就需要人工扒矸，工人的劳动强度很大。三是矸石山顶部经常塌陷，每次塌陷就必须将排矸架抬起，排矸架抬起时会有大量有害有毒气体产生，当矸石堆积到两侧不能正常滑落时，还得将排矸架前移，排矸架抬起或前移过程中，安全管理难度非常大，而且潮湿的矸石经常堵塞罐笼，处理罐笼时很不安全。
（3）排矸系统的设备多，日常维护量大
排矸主要设备由两台提升机、一台翻车机、一个罐笼、矸石山轨道和托绳轮、一套排矸架组成，提升机除每天安排人员检查外，还必须定期进行检修，两条钢丝绳磨损超限时要更换，矸石山绞车道轨道经常需要调整，每周至少更换两组托绳轮，机械旋转部位经常注油，排矸架每周进行两次修补等，设备维护人员多，维护量大。
（4）排矸环节多，排矸效率低
排矸经过两个斜巷绞车道，排矸环节复杂。排放一车矸石需3分钟，一小时只能排放20车矸石，排矸效率低，不能满足生产需求。
2 新设立排矸系统状况
排矸系统主要通过运输、翻矸、卸载、再运输四个基本环节完成排矸任务。
运输系统：从井底用罐笼提升至地面的矸石矿车在井口用电机车将矿车推至排矸重车线。重车线长100米，可以存放45台MG1.1-6B矿车，从起点到翻矸架底部有7‰顺坡，一列矸石车可自溜到摘挂钩地点，矸石车排矸后，矿车顺坡下滑到空车线，空车线有5‰顺坡，不用人力推车。
翻矸、卸载系统：采用倾斜式高位翻矸架，即用一台JD-25KW调度绞车把矿车从低位拉至高位，然后通过钢丝绳带动旋转架对矿车进行卸载。
再运输系统：翻至地面的矸石通过装载机运至临时矸石存放处。
3 简易排矸装置的机构及原理
3.1 简易排矸装置的机构
该翻矸装置包括翻转框架、转动轴，矿车前限位、前翻限位、回复限位、底盘、运行轨道和限位轨道。框架连接在底盘上，在框架的最前端有矿车到位限位，在框架后端的两侧面上有前翻限位和回复限位，在框架的两侧有转动轴，在底盘上有运行轨道和限位轨道。最前端设有导绳轮。
3.2 工作原理
用JD-25KW调度绞车将矸石车直接牵引到卸矸架顶部的翻车架上，翻车架由于重心不平衡自动翻转，卸矸后又自动复位。
3.3 受力分析及强度核算
（1）当矿车到达翻矸架顶部，静止时受力分析
图2 静止时受力分析图
设矿车为刚体，由于轨道面光滑，不考虑摩擦力。
[N1+N2]=[cos17°×G]=0.956[×][2.41][≈2.3][≈2.3]KN
[F]=[sin17°×G]=0.292[×2.41][≈0.7]T[≈7]KN
式中：[N1+N2]——矿车对翻转装置垂直压力，KN；
[F]——沿倾斜方向向上的力，KN；
[G]——矸石车质量2.41T。
（2）矿车到达排矸架顶部后，旋转前受力分析
图3 旋转前受力分析图
以轴承支点为中心，由于M=0，得
[160F=][15G1+40G2]
[F=7.625]KN
又[N=G1+G2+F]
求得：[N=20+23+7.625+50.625]KN
式中：
[G1]——翻车旋转装置重量2T，重力中心距旋转轴中心40cm；
[G2]——矸石车支撑力，取[N1+N2]，20KN重力中心距旋转轴中心15cm；
[F]——绞车向下拉力，KN，距旋转轴中心160cm；
[N]——轴的支撑力，KN。
（3）轴剪切内应力校验
图4 轴剪切力分析图
[A=πR2=3.14×4.52=63.585]cm2
[τ=QA=50.62563.585≈8]Mpa
式中： [A]——轴的截面积，cm2；
[Q]——作用在轴上的剪切力，KN；
[τ]——剪切内应力，MPa。
1MPa[≈]10kg/cm2
轴采用合金结构钢30CrMnSi，剪切应力400MPa，大于实际剪切应力，校验合格。
4 简易排矸系统应用效果
4.1 用人较少
排矸作业只需2人，1名绞车司机，1名摘挂钩人员。
4.2 工作效率高
一次排矸作业只需2分钟。排矸能力达到30矿车/小时，每班排矸时间6小时，排矸180矿车，彻底解决了副井提升到地面矸石车积压的问题，同时缓解了空车存放位置不足的矛盾，提高了工作效率。
4.3 设备维护量小，减少了维修人员，维护费用低
新排矸系统主要有两台设备，一台JD-25调度绞车，一台排矸架，由于设备少，两名维护人员就能完成设备的日常检查和维护，只要定期对机械和旋转部位注油，每周对排矸架翻转机构补焊加固一次，大约每两个月更换一根直径Φ15.5mm、长度60m的钢丝绳，就能满足生产需求。
4.4 排矸环节少，便于安全管理
排矸作业现场只有2人，把钩工将矸石车与绞车钩头连接好后，站在指定地点发出开车信号，绞车司机接到信号后启动绞车，将矸石车拉到翻矸架顶部进行排矸，矸石排出后，将空车下放，完成一次排矸操作，排矸简单，安全可靠性大。
5 经济效益分析
（1）节能方面，原来每天排矸时间18小时，原电动机功率为150KW，每年电费：150KW×60%×18小时×0.8元/度×25天×12月=388800元=38.88万元。由于工作效率高，现在每天排矸时间12小时，现电动机功率25KW，每年电费：25KW×60%×12小时×0.8元/度×25天×12月=43200元=4.32万元。每年可节约电费：38.88万元-4.32万元=34.56万元。
（2）原来排矸作业每班8人，三班作业24人，现在每班2人，两班作业4人，每天节约20人，每年可节约人工费：20人×3000元/人×12月=720000元=72万元。
（3）每年还可以节约两台提升机和一台翻车机的维修费用4万元。
预计每年共节约费用：34.56万元+72元万+4万元=110.56万元。
简易排矸系统增强了排矸能力、简化了排矸环节、改善了生产环境，经济效益显著。设备运行安全可靠，运行费用低，同时由于其维修量少也节省了维修工，减少了因设备维修造成的损失，大大降低了工人的劳动强度，减少了机械事故的发生。实现了矸石不上山，对环境污染非常小。
作者简介
唐立宏，工程师，毕业于辽宁科技学院机电一体化技术专业，现任铁能公司大明煤矿机电科副科长。
（责任编辑：张晓明）