面向智能化设计的半移动破碎站受料斗形式与结构的研究

刘 骁，潘永泰，刘 振，姚福强

（1.泰伯克（天津）机械设备有限公司，天津 301739；2.中国矿业大学（北京），北京 100083）

作为露天煤矿设计工艺中的关键系统，可移动式破碎站设计技术的成熟度影响着露天煤矿是否能稳定的生产[1]。为此，以SolidWorks 为设计基础，将半移动式破碎站工艺布置中涉及到的各项系统分成常用的6 大模块，对设计时的要点进行阐述；以受料斗为例，叙述了有限元分析的过程，并借助SolidWorks中宏命令和Excel 的关联使用，给出了1 种新的破碎站智能化设计方式。

1 确定工艺图和布置形式

半移动式破碎站作为系统中的重要的1 个环节，是剥离土转载、运输调车和设置破碎机的重要场地。合理的确定破碎站的位置、移设步距、布置方式以及运输系统的路径布置方式等，是充分发挥半连续工艺处理能力、降低露天剥离成本的重要途经[2]。

运载能力等工况参数影响着受料斗容积。常规工作面地形位置影响着给料设备选择和整体布置。设计处理能力、来料粒度等工况参数影响着给料设备和破碎设备的选型。给破碎站供料的运输设备的参数关系到受料斗开口的尺寸。因此，开始设计半移动式破碎站之前，要研习破碎站使用现场的开采方式、常规工作面地形、来料方式等工况问题，才能着手设计满足技术要求的半移动式破碎站。

1）如果露天矿深度较深、开采空间狭小，或者矿坑开挖较深卡车运距较远需要多次往返、满载上坡将物料运送至地面，这种情况下的卡车成本运输较高其优势得不到发挥。这种情况可以选用下面这种工艺布置形式。在合适的位置布置出满足工况使用的受料浅槽，利用水平－倾斜布置的刮板机将物料输送提升至破碎机进行破碎。刮板布置形式如图1。

图1 刮板布置形式

2）如果露天矿开煤层赋存深度较浅、地形平缓、开采空间较大，或者需要破碎站稳定且连续的破碎物料供下游系统使用，可以采用下面这种工艺布置形式。物料被运输设备投入一定容积的受料斗，受料斗中的物料通过重型板式给料机输送至破碎机[3]。此类工艺设计也是现在露天煤矿常用的布置形式，将以此类布置形式进行设计分析。重型板式给料机布置形式如图2。

图2 重型板式给料机布置形式

2 模块化设计

为了减少合计成本和模拟破碎站移设的时间，直接使用SolidWorks 进行建模设计，并对分化后的模块进行有关联的单独设计。每个模块的单独设计的好处有：①提高设计时电脑的流畅度；②方便对破碎站移设的模拟、移设步距的计算、移设的工程量和费用成本等进行计算分析；③由多个技术人员对每个模块进行单独设计，减少设计时间，分担设计工作量；④模块化后的实体设备可以减少因为不同的加工生产周期导致的到货顺序不同而产生的相互等待时间；⑤如果后期需要优化或升级某1 台设备可以在独立的模块里进行修改。在半移动式破碎站设计中，可以将破碎站常用的配置和设备分为6 个模块。

1）受料斗模块。主要包括受料斗主体、钢结构挡墙、受料斗和重型板式给料机的连接导料仓、受料斗支撑钢结构等。此模块基本上是成型钢材焊接组成的钢结构，质量大，分块后体积大，产品附加值相对较低。但是此模块是破碎站来料接料的关键，如果设计的结构与现场实际需要差异太大，再加上设计生产中与使用方沟通不及时后续会导致很多问题。所以，建议在提供了设计图纸后，自行购买钢材并在现场进行焊接制作，既能节约建设成本又能对出现的问题及时进行更正。

2）给料机模块。主要包括重型板式给料机主体、给料机末端挡料溜槽、给料机驱动、检修走廊、钢制楼梯等。如果受料斗容积和重型板式给料机选型都比较大，那么给料机需要单独制作钢结构支撑并制作成独立模块。反之如果受料斗和给料机设计的都比较小，那么给料机可与受料斗共用同1 个支撑钢结构并且放到受料斗模块中进行设计。给料机是需要带料启动的，所以给料机选型时要考虑是否能在系统紧急停车后能满载启动[4]。

3）破碎机模块。主要包括破碎机主体，破碎机入料仓、出料溜槽或出料振动筛、破碎机检修平台、钢制楼梯、破碎机支撑钢结构。破碎机模块是整个破碎站的核心模块，是整个破碎系统的重要工艺环节，破碎机的选型和破碎机的工作效率严重关系着破碎系统的处理能力。如果破碎机设计的选型过大，相匹配的变压器、电机、减速器或者液压马达的型号会相应的增大，除了增加原始购买成本，还增加了后续的电力成本。如果破碎机选型过小，破碎强度就不足，会造成“卡脖子”的现象，整个破碎系统就会造成设计浪费。就算破碎机选型合理，但是设计的破碎齿形不合理[5]，电机传递扭矩的利用率不足，电机功率就会造成浪费，除了达不到预期处理量，还会大大减少破碎齿的使用寿命，增加运营成本。所以，在最开始设计破碎站时，要先根据现场一系列工况参数选择合适的破碎机类型，再通过破碎机类型选择合适型号的破碎机型号。

4）接料带式输送机模块。主要包括重型板式给料机回料带式输送机和破碎机出料带式输送机。给料机链板在回程过程中会夹带一些尾料，回料带式输送机将这些掉落的尾料收集起来运输至破碎机出料带式输送机或下一级带式输送机上。为了安全，此模块在设计时还应设计出给料机和带式输送机之间的溜槽，以免尾料掉落砸伤工作人员。破碎机出料带式输送机到破碎机出料溜槽的高度影响着带式输送机的使用寿命。高度过低物料会卡在出料口的带式输送机上造成堵塞；高度过高，排出的物料会径直砸到皮带上砸伤带式输送机。所以破碎机模块设计前，要先根据出料带式输送机的设计高度来确定破碎机的工作高度。

5）辅助破碎模块。主要包括机械手破碎锤及司机室和观察走廊等。此模块用来辅助破碎机进行破碎，将超限的大块物料破碎至符合破碎机入料要求，避免破碎机堵转并提高破碎机的使用寿命，通常设计在受料斗上面或给料机末端。如果设计在受料斗上，可以给受料斗开口处设计筛分装置；如果设计在给料机末端，那么在设计给料机时，在机械手破碎位置需要增加链板的支撑架避免损坏链板。

6）智能控制模块。通常和机械手司机室整合在一起，安装到受料斗开口平面上。主要包括加热系统、集控室、观察走廊、基座钢结构。破碎站常用在高纬度室外环境，设备使用比较容易受到低温影响，设计时要结合气候条件为破碎站配备相应的自动加热系统。集控室不等同于设备的电控室，是将给料机模块、破碎机模块、排料带式输送机模块中采集的信号和各种传感器传出的各项参数实时的集成到1 个操作台面上。通过对比采集的信号、观察受料斗接料、给料机输送、破碎机实时破碎情况，及时的调控运料车辆和给料机的给料速度，避免给料机入料超过破碎机的处理能力或大块物料的超时破碎所造成的破碎机堵塞。各项传感器的传出信号还能诊断设备的健康程度，提前规避设备的损坏，预测设备可能出现的问题，减少大修次数和时间。

设计6 个模块时，首先从主体上考虑，再分项细化。在分项前要先将各个模块相关联的部分交代好，确保整合模块的时候能准确拼装和衔接。

3 半移动式破碎站主要设备设计原则

3.1 破碎站的处理能力

破碎站最重要的设计参数就是破碎站的处理能力，又叫做处理量，处理量是使用方通过开采数据、工作周期等参数确定的。在处理量确定时，来料粒度也同时确定。破碎站的处理能力和来料粒度这2 个参数在一定程度上就确定了破碎站的主要设备。处理量和来料粒度就是破碎站各项参数的底线，确定以后，后期设计要严格遵循这2 条参数来设计。

决定处理能力的主要因素有：受料斗容积、给料机输送能力、破碎机处理能力。受料斗的容积太大，会对重型板式给料机造成很大的启动压力，需要增加给料机驱动轴的电机功率，造成设计浪费。受料斗的容积太小，给料机在正常供给破碎机破碎时会很快将物料排空，如果受料斗不能及时补充物料，这样破碎机和给料机会空载运转，很影响破碎站的处理能力[6]。受料斗容量的设计时要衡量运输卡车的运载能力、小时内卡车运载次数、同时卸料平台数等。

给料机的输送能力和破碎机的处理能力是决定处理能力的直接参数。给料机输送能力达不到，直接影响破碎站的处理能力；破碎机的处理能力达不到，给料机在正常给料的情况下会经常堵料，如果降低给料机的输送，也会直接降低破碎站的处理能力。所以这3 个因素是相对独立并相互影响的。要提高总处理能力，首先要提高每个模块的工作能力和工作效率，其次是提高半连续工艺环节之间的协调配合。

3.2 运输

受料斗容量的设计时要衡量运输卡车的单台运载能力、小时内卡车运载次数等。来料运输设备主要是卡车、提升机、标准轨牵引车、单斗挖掘机等。卡车、提升机、标准轨牵引车的整体运载能力决定了破碎站是否能满负荷运行。如果系统运载能力过低就会出现破碎站空载运转，时间长了会造成资源浪费和不必要的设备疲劳损耗。单斗挖掘机决定了装载能力，单斗挖掘机装载能力不足，卡车会出现等待，影响物料运输。

挖掘机－转运车辆－破碎站的使用过程是1 个配合的合理化过程，中间的切合点是需要设计人员和使用方来进行实验和计算的[7]。这1 个切合点还有1个重要的考虑因素，就是运输距离，运输距离是挖掘机到破碎站之间的路程距离，随着剥离工作面的不断推进和延伸，运输距离是不断增加的。当运输距离达到1 个临界值就需要对破碎站进行移设，这时就需要考虑破碎站移设的运输设备：履带运输车和吊车。这2 个设备的工作能力参数决定着破碎站解体后的最大单体质量和最大体积。

3.3 破碎站移设的步距和周期

破碎站的移设是显著影响半连续工艺系统经济效益的关键之一。移设对露天矿正常生产的影响也破碎站设计要考虑的关键因素。除了用SolidWorks动画模拟移设步骤，还需要用SolidWorks 分析吊点或拖拽点的强度和稳定性。

破碎站的移设步距大，移设破碎站零件的运距就远，就会用到履带运输车运输，移设费用就高，但相对的移设周期较长。设计破碎站时要考虑破碎站整体结构的稳定性要强，长期固定在一处，要在克服爆破产生的地面震动和爆破引起的岩层下沉。通常在模块化设计时要考虑是否需要用混凝土进行加固，并预留加固点。破碎站设计的步距较小，相对的移设周期较短。设计破碎站时要考虑破碎站整体结构要利于频繁拆装，克服地形变化的能力要强。如果需要通过拖拽来进行移设，除了考虑各个模块纵向吊装点的同时，也要考虑横向拖拽点的设计。

4 钢结构简化和力学有限元分析

在破碎站的整体设计完成后，需要对破碎站进行有限元分析。在工程技术领域中，由于复杂的设计结构和非线性特征，计算求解是很难的，通常采用数值模拟法中的有限元法，基本思路如下[8]：①将详细的模块化钢结构框架进行简化；②对划分的模块的钢结构离散成若干个单元，每个离散单元中的钢结构当成是由各个单元在边界处刚性联结而成的；③对建立的每个离散单元的力学性能进行单独分析，然后将每个单元的性能数据组合成总体结构力学特性；④将离散单元组合成整体，对各个单元结构的交叉点、集中力作用点、横梁截面积突变点等选为力学结点进行分析，因为各个单元的每个结点之间均有力和力矩相互作用；⑤对最终数据进行分析，将需要加固和有问题结构进行调整。除了对钢结构基本的使用载荷进行分析，还需要将地震载荷、风力载荷、雨雪的重力载荷等对钢结构可以造成影响的条件进行分析[9]，保证钢结构在满载荷条件下保持稳固。

5 智能化设计

因为需要对不同现场工况下的破碎系统进行对应调整，常规的非标的设计方法不但效率低并且准确性差。所以需要采用新的智能化设计手段，在给定新参数的情况下，每个模块中的模型可同步改变尺寸并自动生成。以受料斗为例，基本设计方法如下：①使用Excel 设计表格，将能使用到的参数分别进行录入，并对参数进行函数化设定；②将SolidWorks的宏命令键入至Excel 并进行关联；③将Excel 表格放入已经设定好方程式的受料斗模型的文件夹，将原受料斗模型打开；④点击Excel 表格中的“浏览文件”选定受料斗模型，然后“读取”模型中方程式的参数属性，在此基础上对新的料仓参数重新录入，点击“更新”后原受料斗模型会自行进行尺寸变化；⑤修正模型变化造成的零件重叠等错误。

由于受料斗母板的厚度是根据料仓容积等参数设定自行生成的，如果使用单位对耐磨板的厚度和连接方式有要求，将耐磨板也在模型中修改完成后，需要对料仓的强度和耐磨板连接方式的刚度进行用有限元分析。

6 结语

破碎站以及受料斗的结构和布置形式有很多，作为破碎站的主要结构件，受料斗往往需要根据现场工况进行非标设计，这种非标设计效率低且准确性差。SolidWorks 设计比较直观，方案易懂，2D 图纸是直接从3D 模型生成的，比较难出现制图错误。SolidWorks 除了焊接、渲染、运动模拟仿真、有限元分析、BOM 表格自动生成等基本功能，还能通过智能化的参数设定来自动更新模型。这种新的设计思路和软件应用方式不但大大缩短了设计周期，还能优化材料和降低成本，能将更多的时间分配到生产和调试环节中去。