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摘要：對礦用樹脂錨固劑的加工輸送設(shè)備和攪拌設(shè)備進(jìn)行了分析，運(yùn)用Solidworks完成其參數(shù)化建模，在仿真分析的基礎(chǔ)上，融合先進(jìn)的協(xié)同設(shè)計思想和虛擬樣機(jī)設(shè)計理念，對其進(jìn)行創(chuàng)新改良設(shè)計，旨在提高混制礦用樹脂錨固劑的輸送和攪拌設(shè)備的性能，最終使得其生產(chǎn)設(shè)備整體達(dá)到低能耗、低污染、高效率的設(shè)計目的。

關(guān)鍵詞：礦用錨固劑；輸送機(jī)；攪拌機(jī)；參數(shù)化建模；運(yùn)動仿真分析；改良設(shè)計

前言

礦用樹脂錨固劑采用專用不飽和聚酯樹脂、石粉促進(jìn)劑和輔料，按照一定比例配制成的膠泥粘結(jié)狀材料，具有固化快、粘接強(qiáng)度高、錨固可靠等特點(diǎn)，故和錨桿等配套使用，廣泛應(yīng)用于煤礦生產(chǎn)中，用以防止巖層離層、松脫、坍塌。日前，據(jù)相關(guān)統(tǒng)計，錨固劑的需求量非常巨大，實際錨固劑的產(chǎn)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足不了市場需求。顯然，錨固劑生產(chǎn)能力明顯不足的主要原因是：大部分工藝設(shè)備仍然處于非常落后的狀態(tài)，部分改進(jìn)之后的自動化設(shè)備價格昂貴，因此有必要改進(jìn)錨固劑的生產(chǎn)設(shè)備，提高其生產(chǎn)能力，并改善其生產(chǎn)環(huán)境。

1樹脂錨固劑的加工設(shè)備及工作過程

礦用樹脂錨固劑整套攪拌設(shè)備主要由提升機(jī)、樹脂攪拌機(jī)和膠泥攪拌機(jī)組成，工作原理為：從斗式提升機(jī)的料斗口加入石粉石末，將其提升至要求高度后由出料口處卸至膠泥攪拌機(jī)中，待樹脂攪拌機(jī)中配比好樹脂等成分，充分?jǐn)嚢柚辆鶆蚝螅ㄟ^泵將其輸送至膠泥攪拌機(jī)中與石粉石末充分?jǐn)嚢瑁旌暇鶆蚝筮M(jìn)入錨固劑的罐裝工序。（1）斗式提升機(jī)。斗式提升機(jī)由殼體、輸送鏈、驅(qū)動輪（頭輪）、改向輪（尾輪）、張緊裝置、導(dǎo)向裝置等組成（見圖1），工作過程為：石粉石末添置入料口后，由輸送帶驅(qū)動料斗上升，將其提升至要求高度，料斗繞過頂輪后向下翻轉(zhuǎn)，將石粉石末原料傾倒入膠泥攪拌機(jī)內(nèi)。（2）樹脂攪拌機(jī)。樹脂攪拌機(jī)由原動機(jī)、攪拌筒、供水系統(tǒng)、傳動機(jī)構(gòu)、機(jī)架和支承裝置等組成（見圖2），其功用是將專用樹脂、塑化劑、促進(jìn)劑按照1∶5配比并均勻混合。樹脂攪拌機(jī)筒內(nèi)中軸上安有4個呈360°空間布置的漿葉，漿葉帶動混合樹脂沿著機(jī)槽內(nèi)壁作逆時針旋轉(zhuǎn)，形成復(fù)合運(yùn)動，從而帶動樹脂混合物在筒內(nèi)連續(xù)翻轉(zhuǎn)，4個漿葉轉(zhuǎn)子交叉重疊外形失重區(qū)，使混合樹脂上浮處于瞬間失重狀態(tài)，最終在筒內(nèi)形成全方位連續(xù)循環(huán)翻動，最終達(dá)到讓樹脂混合物快速均勻混合的目的。（3）膠泥攪拌機(jī)。膠泥拌機(jī)把攪拌好的樹脂混合物與水泥、石粉石末和水混合，最終攪拌制成錨固劑砂漿混合料（見圖3），每次工作周期為25～30min。膠泥拌機(jī)的攪拌軸上呈螺旋狀布置有兩組葉片，左右互為反螺旋布置，工作時，內(nèi)旋動靠近軸心處物料軸心旋轉(zhuǎn)，軸向由內(nèi)至兩側(cè)推動，外旋帶動靠近內(nèi)壁的物料沿軸心旋轉(zhuǎn)，使混合原料在筒內(nèi)最大范圍翻動直至攪拌均勻。

2錨固劑輸送與攪拌機(jī)構(gòu)的建模與仿真

依據(jù)實際設(shè)備情況，利用Solidworks分別對提升機(jī)、樹脂攪拌機(jī)、膠泥攪拌機(jī)及最終整機(jī)建立虛擬樣機(jī)模型，如圖4～圖7所示。根據(jù)實際錨固劑輸送機(jī)的工作情況，分別對提升機(jī)、樹脂攪拌機(jī)及膠泥攪拌機(jī)添加7．5，5．5，5．5kW的驅(qū)動馬達(dá)及模擬工作阻力工作（輸送、攪拌物料時的阻力），運(yùn)行仿真后可得到3機(jī)的實況運(yùn)動仿真參數(shù)，因樹脂混合物的攪拌混合時間及其輸送環(huán)節(jié)直接會對錨固劑的凝固性能產(chǎn)生影響，故此處以樹脂攪拌機(jī)的運(yùn)動仿真分析結(jié)果作為研究對象，如圖8、圖9所示。（1）樹脂攪拌機(jī)葉片線速度仿真結(jié)果分析。樹脂攪拌機(jī)的葉片在啟動階段的線速度變化非常緩慢（啟動瞬間攪拌物料阻力所致），0．50s之后速度波動逐漸增大，4．875s時線速度值增大至最大值41090mm／s，線速度變動情況與實際的攪拌過程完全相符。（2）樹脂攪拌機(jī)的線加速度仿真分析。如圖9所示，運(yùn)動過程中，樹脂攪拌機(jī)的葉片在起始階段（0～0．5s）其加速變化略顯緩慢，0．5s之后逐漸增大，4．875s時加速度達(dá)到最大值7126956mm／s2，與線速度的變化及實際變化趨勢基本吻合。

3錨固劑輸送與攪拌機(jī)構(gòu)的分析及改進(jìn)

3．1現(xiàn)狀分析

原機(jī)構(gòu)的提升機(jī)采用直升斗式提升方式，其機(jī)構(gòu)復(fù)雜，耗能大，提升過程中易出現(xiàn)提升鏈損壞，過載時易堵塞，超載敏感性大，且輸送過程中粉塵大，料斗易磨損，維修不便利，拆卸時易發(fā)生危險。樹脂和膠泥的混合，原設(shè)備采用分步操作，要求操作工人必須嚴(yán)格把控混合攪拌時間，否則直接會影響到錨固劑的凝固性能，此種工藝操作不僅大大增加了操作的復(fù)雜性，同時混合原料易附著在機(jī)體內(nèi)壁上，清理困難，進(jìn)而導(dǎo)致攪拌和進(jìn)料時噪聲大，耗能高，且內(nèi)部的葉片的更換極其不方便；除此之外，密封式攪拌筒使得攪拌過程中不能實時觀測混合物料的攪拌情況。

3．2創(chuàng)新改進(jìn)方案

（1）提升機(jī)改進(jìn)。將斗式提升輸送改為螺旋式輸送。螺旋式輸送結(jié)構(gòu)在工作時依靠螺旋葉片的推動力將原料輸送至指定地點(diǎn)，結(jié)構(gòu)簡單，造價低，密封性強(qiáng)，不僅可以很大程度地解決原料輸送易堵塞的問題，且可大大地改善輸送工作環(huán)境，操作安全方便，有效降低粉塵。（2）攪拌機(jī)改進(jìn)。原設(shè)備采用樹脂攪拌機(jī)和膠泥攪拌機(jī)分別混合攪拌均勻后再進(jìn)行混合攪拌，工藝、設(shè)備繁冗，占用空間大，故建議采用立式強(qiáng)制螺旋式攪拌機(jī)：集“二機(jī)”為“一機(jī)”，采用7．5kW的變速電機(jī)驅(qū)動，回轉(zhuǎn)葉片直接擊碎凝成塊狀的混合原料，可大大簡化生產(chǎn)設(shè)備，提高生產(chǎn)率，增強(qiáng)系統(tǒng)操作靈活性，工作環(huán)境亦可得到改善；同時混合攪拌效率提升，既可解決易堵、攪拌時間長的弊端，又解決卸料不干凈問題，且可以實時觀測攪拌情況；此外，強(qiáng)制式螺旋式攪拌機(jī)直接與灌裝輸料管相連接，簡化并縮短了膠泥輸送方式，節(jié)省了生產(chǎn)空間；最后，將立式強(qiáng)制螺旋式攪拌機(jī)設(shè)計成活動架式結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)其方便靈活的移動，更利于生產(chǎn)，提升加工效率。

4改進(jìn)后的錨固劑輸送與攪拌機(jī)構(gòu)的建模與仿真分析

改進(jìn)后的螺旋式提升機(jī)、立式強(qiáng)制攪拌機(jī)及整機(jī)裝配虛擬樣機(jī)模型分別如圖10、圖11和圖12所示。（1）立式強(qiáng)制攪拌機(jī)葉片線速度仿真分析。立式攪拌機(jī)葉片線速度仿真結(jié)果如圖13所示。因為啟動瞬間混合物對葉片的阻力，攪拌機(jī)的葉片在開始階段的轉(zhuǎn)動比較緩慢，當(dāng)?shù)竭_(dá)3s之后，其線速度從639mm／s開始逐漸上升，接近5s時速度達(dá)到最大值1032mm／s。與原機(jī)構(gòu)仿真結(jié)果對比可見：葉片不論是從啟動的平穩(wěn)性上還是后期變化至最大值的幅值上，都得到很大的緩解和改善。（2）立式攪拌機(jī)葉片線性位移仿真分析。如圖14所示，攪拌機(jī)的葉片在開始啟動階段轉(zhuǎn)動比較緩慢，其位移結(jié)果始終保持不變，呈線狀分布，始終在圓軌跡上保持定向運(yùn)動，與實際速度變化相一致。目前，本題的改進(jìn)方案已投入實際生產(chǎn)，如圖15所示，運(yùn)行情況良好。（1）改進(jìn)后攪拌裝置的運(yùn)動平穩(wěn)性得到有效改善，整機(jī)的運(yùn)行效率提高、噪音隨之降低；（2）改進(jìn)后的樹脂錨固劑攪拌設(shè)備集“二機(jī)”為“一機(jī)”，既節(jié)省了生產(chǎn)空間，簡化了生產(chǎn)設(shè)備，又有效降低故障出現(xiàn)頻率，方便維修，且生產(chǎn)效率得到有效提高；（3）改進(jìn)后的設(shè)備很大程度上降低了粉塵飛揚(yáng)帶來的污染，使生產(chǎn)環(huán)境得到了保障。

5總結(jié)

礦用樹脂錨固劑生產(chǎn)設(shè)備急需現(xiàn)代化、高效率的改善。本研究利用協(xié)同設(shè)計思想，采用現(xiàn)代虛擬樣機(jī)設(shè)計方法實現(xiàn)對礦用樹脂錨固劑加工的輸送和攪拌設(shè)備的虛擬樣機(jī)建模，并設(shè)計出相應(yīng)的改進(jìn)方案。通過虛擬樣機(jī)仿真技術(shù)將原設(shè)備和改進(jìn)后設(shè)備進(jìn)行仿真分析，將方案投入實際生產(chǎn)中，效果顯著。

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作者：方立霞 劉志剛 曹力 吳淼 單位：中國礦業(yè)大學(xué)