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矿用锚固剂生产设备仿真及创新设计

2019/08/28 阅读:

摘要:对矿用树脂锚固剂的加工输送设备和搅拌设备进行了分析,运用Solidworks完成其参数化建模,在仿真分析的基础上,融合先进的协同设计思想和虚拟样机设计理念,对其进行创新改良设计,旨在提高混制矿用树脂锚固剂的输送和搅拌设备的性能,最终使得其生产设备整体达到低能耗、低污染、高效率的设计目的。

关键词:矿用锚固剂;输送机;搅拌机;参数化建模;运动仿真分析;改良设计

前言

矿用树脂锚固剂采用专用不饱和聚酯树脂、石粉促进剂和辅料,按照一定比例配制成的胶泥粘结状材料,具有固化快、粘接强度高、锚固可靠等特点,故和锚杆等配套使用,广泛应用于煤矿生产中,用以防止岩层离层、松脱、坍塌。日前,据相关统计,锚固剂的需求量非常巨大,实际锚固剂的产量远远满足不了市场需求。显然,锚固剂生产能力明显不足的主要原因是:大部分工艺设备仍然处于非常落后的状态,部分改进之后的自动化设备价格昂贵,因此有必要改进锚固剂的生产设备,提高其生产能力,并改善其生产环境。

1树脂锚固剂的加工设备及工作过程

矿用树脂锚固剂整套搅拌设备主要由提升机、树脂搅拌机和胶泥搅拌机组成,工作原理为:从斗式提升机的料斗口加入石粉石末,将其提升至要求高度后由出料口处卸至胶泥搅拌机中,待树脂搅拌机中配比好树脂等成分,充分搅拌至均匀后,通过泵将其输送至胶泥搅拌机中与石粉石末充分搅拌,混合均匀后进入锚固剂的罐装工序。(1)斗式提升机。斗式提升机由壳体、输送链、驱动轮(头轮)、改向轮(尾轮)、张紧装置、导向装置等组成(见图1),工作过程为:石粉石末添置入料口后,由输送带驱动料斗上升,将其提升至要求高度,料斗绕过顶轮后向下翻转,将石粉石末原料倾倒入胶泥搅拌机内。(2)树脂搅拌机。树脂搅拌机由原动机、搅拌筒、供水系统、传动机构、机架和支承装置等组成(见图2),其功用是将专用树脂、塑化剂、促进剂按照1∶5配比并均匀混合。树脂搅拌机筒内中轴上安有4个呈360°空间布置的浆叶,浆叶带动混合树脂沿着机槽内壁作逆时针旋转,形成复合运动,从而带动树脂混合物在筒内连续翻转,4个浆叶转子交叉重叠外形失重区,使混合树脂上浮处于瞬间失重状态,最终在筒内形成全方位连续循环翻动,最终达到让树脂混合物快速均匀混合的目的。(3)胶泥搅拌机。胶泥拌机把搅拌好的树脂混合物与水泥、石粉石末和水混合,最终搅拌制成锚固剂砂浆混合料(见图3),每次工作周期为25~30min。胶泥拌机的搅拌轴上呈螺旋状布置有两组叶片,左右互为反螺旋布置,工作时,内旋动靠近轴心处物料轴心旋转,轴向由内至两侧推动,外旋带动靠近内壁的物料沿轴心旋转,使混合原料在筒内最大范围翻动直至搅拌均匀。

2锚固剂输送与搅拌机构的建模与仿真

依据实际设备情况,利用Solidworks分别对提升机、树脂搅拌机、胶泥搅拌机及最终整机建立虚拟样机模型,如图4~图7所示。根据实际锚固剂输送机的工作情况,分别对提升机、树脂搅拌机及胶泥搅拌机添加7.5,5.5,5.5kW的驱动马达及模拟工作阻力工作(输送、搅拌物料时的阻力),运行仿真后可得到3机的实况运动仿真参数,因树脂混合物的搅拌混合时间及其输送环节直接会对锚固剂的凝固性能产生影响,故此处以树脂搅拌机的运动仿真分析结果作为研究对象,如图8、图9所示。(1)树脂搅拌机叶片线速度仿真结果分析。树脂搅拌机的叶片在启动阶段的线速度变化非常缓慢(启动瞬间搅拌物料阻力所致),0.50s之后速度波动逐渐增大,4.875s时线速度值增大至最大值41090mm/s,线速度变动情况与实际的搅拌过程完全相符。(2)树脂搅拌机的线加速度仿真分析。如图9所示,运动过程中,树脂搅拌机的叶片在起始阶段(0~0.5s)其加速变化略显缓慢,0.5s之后逐渐增大,4.875s时加速度达到最大值7126956mm/s2,与线速度的变化及实际变化趋势基本吻合。

3锚固剂输送与搅拌机构的分析及改进

3.1现状分析

原机构的提升机采用直升斗式提升方式,其机构复杂,耗能大,提升过程中易出现提升链损坏,过载时易堵塞,超载敏感性大,且输送过程中粉尘大,料斗易磨损,维修不便利,拆卸时易发生危险。树脂和胶泥的混合,原设备采用分步操作,要求操作工人必须严格把控混合搅拌时间,否则直接会影响到锚固剂的凝固性能,此种工艺操作不仅大大增加了操作的复杂性,同时混合原料易附着在机体内壁上,清理困难,进而导致搅拌和进料时噪声大,耗能高,且内部的叶片的更换极其不方便;除此之外,密封式搅拌筒使得搅拌过程中不能实时观测混合物料的搅拌情况。

3.2创新改进方案

(1)提升机改进。将斗式提升输送改为螺旋式输送。螺旋式输送结构在工作时依靠螺旋叶片的推动力将原料输送至指定地点,结构简单,造价低,密封性强,不仅可以很大程度地解决原料输送易堵塞的问题,且可大大地改善输送工作环境,操作安全方便,有效降低粉尘。(2)搅拌机改进。原设备采用树脂搅拌机和胶泥搅拌机分别混合搅拌均匀后再进行混合搅拌,工艺、设备繁冗,占用空间大,故建议采用立式强制螺旋式搅拌机:集“二机”为“一机”,采用7.5kW的变速电机驱动,回转叶片直接击碎凝成块状的混合原料,可大大简化生产设备,提高生产率,增强系统操作灵活性,工作环境亦可得到改善;同时混合搅拌效率提升,既可解决易堵、搅拌时间长的弊端,又解决卸料不干净问题,且可以实时观测搅拌情况;此外,强制式螺旋式搅拌机直接与灌装输料管相连接,简化并缩短了胶泥输送方式,节省了生产空间;最后,将立式强制螺旋式搅拌机设计成活动架式结构,实现其方便灵活的移动,更利于生产,提升加工效率。

4改进后的锚固剂输送与搅拌机构的建模与仿真分析

改进后的螺旋式提升机、立式强制搅拌机及整机装配虚拟样机模型分别如图10、图11和图12所示。(1)立式强制搅拌机叶片线速度仿真分析。立式搅拌机叶片线速度仿真结果如图13所示。因为启动瞬间混合物对叶片的阻力,搅拌机的叶片在开始阶段的转动比较缓慢,当到达3s之后,其线速度从639mm/s开始逐渐上升,接近5s时速度达到最大值1032mm/s。与原机构仿真结果对比可见:叶片不论是从启动的平稳性上还是后期变化至最大值的幅值上,都得到很大的缓解和改善。(2)立式搅拌机叶片线性位移仿真分析。如图14所示,搅拌机的叶片在开始启动阶段转动比较缓慢,其位移结果始终保持不变,呈线状分布,始终在圆轨迹上保持定向运动,与实际速度变化相一致。目前,本题的改进方案已投入实际生产,如图15所示,运行情况良好。(1)改进后搅拌装置的运动平稳性得到有效改善,整机的运行效率提高、噪音随之降低;(2)改进后的树脂锚固剂搅拌设备集“二机”为“一机”,既节省了生产空间,简化了生产设备,又有效降低故障出现频率,方便维修,且生产效率得到有效提高;(3)改进后的设备很大程度上降低了粉尘飞扬带来的污染,使生产环境得到了保障。

5总结

矿用树脂锚固剂生产设备急需现代化、高效率的改善。本研究利用协同设计思想,采用现代虚拟样机设计方法实现对矿用树脂锚固剂加工的输送和搅拌设备的虚拟样机建模,并设计出相应的改进方案。通过虚拟样机仿真技术将原设备和改进后设备进行仿真分析,将方案投入实际生产中,效果显著。

参考文献:

[1]蒋颖.浅谈树脂锚固剂的生产及应用[J].中国科技博览,2014(4):615.

[2]姜景旭,等.试析树脂锚固剂生产装备技术改造[J].煤炭技术,2009(6):164-165.

[3]陈超祥.SolidWorksMotion运动仿真教程[M].北京:机械工业出版社,2012.

[4]宋少云.ADAMS在机械设计中的应用[M].北京:国防工业出版社,2015.

作者:方立霞 刘志刚 曹力 吴淼 单位:中国矿业大学

矿用锚固剂生产设备仿真及创新设计

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