礦用錨固劑生產設備仿真及創新設計范文

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摘要：對礦用樹脂錨固劑的加工輸送設備和攪拌設備進行了分析，運用Solidworks完成其參數化建模，在仿真分析的基礎上，融合先進的協同設計思想和虛擬樣機設計理念，對其進行創新改良設計，旨在提高混制礦用樹脂錨固劑的輸送和攪拌設備的性能，最終使得其生產設備整體達到低能耗、低污染、高效率的設計目的。

關鍵詞：礦用錨固劑；輸送機；攪拌機；參數化建模；運動仿真分析；改良設計

前言

礦用樹脂錨固劑采用專用不飽和聚酯樹脂、石粉促進劑和輔料，按照一定比例配制成的膠泥粘結狀材料，具有固化快、粘接強度高、錨固可靠等特點，故和錨桿等配套使用，廣泛應用于煤礦生產中，用以防止巖層離層、松脫、坍塌。日前，據相關統計，錨固劑的需求量非常巨大，實際錨固劑的產量遠遠滿足不了市場需求。顯然，錨固劑生產能力明顯不足的主要原因是：大部分工藝設備仍然處于非常落后的狀態，部分改進之后的自動化設備價格昂貴，因此有必要改進錨固劑的生產設備，提高其生產能力，并改善其生產環境。

1樹脂錨固劑的加工設備及工作過程

礦用樹脂錨固劑整套攪拌設備主要由提升機、樹脂攪拌機和膠泥攪拌機組成，工作原理為：從斗式提升機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中，待樹脂攪拌機中配比好樹脂等成分，充分攪拌至均勻后，通過泵將其輸送至膠泥攪拌機中與石粉石末充分攪拌，混合均勻后進入錨固劑的罐裝工序。（1）斗式提升機。斗式提升機由殼體、輸送鏈、驅動輪（頭輪）、改向輪（尾輪）、張緊裝置、導向裝置等組成（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，將石粉石末原料傾倒入膠泥攪拌機內。（2）樹脂攪拌機。樹脂攪拌機由原動機、攪拌筒、供水系統、傳動機構、機架和支承裝置等組成（見圖2），其功用是將專用樹脂、塑化劑、促進劑按照1∶5配比并均勻混合。樹脂攪拌機筒內中軸上安有4個呈360°空間布置的漿葉，漿葉帶動混合樹脂沿著機槽內壁作逆時針旋轉，形成復合運動，從而帶動樹脂混合物在筒內連續翻轉，4個漿葉轉子交叉重疊外形失重區，使混合樹脂上浮處于瞬間失重狀態，最終在筒內形成全方位連續循環翻動，最終達到讓樹脂混合物快速均勻混合的目的。（3）膠泥攪拌機。膠泥拌機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，內旋動靠近軸心處物料軸心旋轉，軸向由內至兩側推動，外旋帶動靠近內壁的物料沿軸心旋轉，使混合原料在筒內最大范圍翻動直至攪拌均勻。

2錨固劑輸送與攪拌機構的建模與仿真

依據實際設備情況，利用Solidworks分別對提升機、樹脂攪拌機、膠泥攪拌機及最終整機建立虛擬樣機模型，如圖4～圖7所示。根據實際錨固劑輸送機的工作情況，分別對提升機、樹脂攪拌機及膠泥攪拌機添加7．5，5．5，5．5kW的驅動馬達及模擬工作阻力工作（輸送、攪拌物料時的阻力），運行仿真后可得到3機的實況運動仿真參數，因樹脂混合物的攪拌混合時間及其輸送環節直接會對錨固劑的凝固性能產生影響，故此處以樹脂攪拌機的運動仿真分析結果作為研究對象，如圖8、圖9所示。（1）樹脂攪拌機葉片線速度仿真結果分析。樹脂攪拌機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）樹脂攪拌機的線加速度仿真分析。如圖9所示，運動過程中，樹脂攪拌機的葉片在起始階段（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構的分析及改進

3．1現狀分析

原機構的提升機采用直升斗式提升方式，其機構復雜，耗能大，提升過程中易出現提升鏈損壞，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，拆卸時易發生危險。樹脂和膠泥的混合，原設備采用分步操作，要求操作工人必須嚴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雜性，同時混合原料易附著在機體內壁上，清理困難，進而導致攪拌和進料時噪聲大，耗能高，且內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創新改進方案

（1）提升機改進。將斗式提升輸送改為螺旋式輸送。螺旋式輸送結構在工作時依靠螺旋葉片的推動力將原料輸送至指定地點，結構簡單，造價低，密封性強，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境，操作安全方便，有效降低粉塵。（2）攪拌機改進。原設備采用樹脂攪拌機和膠泥攪拌機分別混合攪拌均勻后再進行混合攪拌，工藝、設備繁冗，占用空間大，故建議采用立式強制螺旋式攪拌機：集“二機”為“一機”，采用7．5kW的變速電機驅動，回轉葉片直接擊碎凝成塊狀的混合原料，可大大簡化生產設備，提高生產率，增強系統操作靈活性，工作環境亦可得到改善；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，強制式螺旋式攪拌機直接與灌裝輸料管相連接，簡化并縮短了膠泥輸送方式，節省了生產空間；最后，將立式強制螺旋式攪拌機設計成活動架式結構，實現其方便靈活的移動，更利于生產，提升加工效率。

4改進后的錨固劑輸送與攪拌機構的建模與仿真分析

改進后的螺旋式提升機、立式強制攪拌機及整機裝配虛擬樣機模型分別如圖10、圖11和圖12所示。（1）立式強制攪拌機葉片線速度仿真分析。立式攪拌機葉片線速度仿真結果如圖13所示。因為啟動瞬間混合物對葉片的阻力，攪拌機的葉片在開始階段的轉動比較緩慢，當到達3s之后，其線速度從639mm／s開始逐漸上升，接近5s時速度達到最大值1032mm／s。與原機構仿真結果對比可見：葉片不論是從啟動的平穩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）立式攪拌機葉片線性位移仿真分析。如圖14所示，攪拌機的葉片在開始啟動階段轉動比較緩慢，其位移結果始終保持不變，呈線狀分布，始終在圓軌跡上保持定向運動，與實際速度變化相一致。目前，本題的改進方案已投入實際生產，如圖15所示，運行情況良好。（1）改進后攪拌裝置的運動平穩性得到有效改善，整機的運行效率提高、噪音隨之降低；（2）改進后的樹脂錨固劑攪拌設備集“二機”為“一機”，既節省了生產空間，簡化了生產設備，又有效降低故障出現頻率，方便維修，且生產效率得到有效提高；（3）改進后的設備很大程度上降低了粉塵飛揚帶來的污染，使生產環境得到了保障。

5總結

礦用樹脂錨固劑生產設備急需現代化、高效率的改善。本研究利用協同設計思想，采用現代虛擬樣機設計方法實現對礦用樹脂錨固劑加工的輸送和攪拌設備的虛擬樣機建模，并設計出相應的改進方案。通過虛擬樣機仿真技術將原設備和改進后設備進行仿真分析，將方案投入實際生產中，效果顯著。

參考文獻：

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［4］宋少云．ADAMS在機械設計中的應用［M］．北京：國防工業出版社，2015．

作者：方立霞 劉志剛 曹力 吳淼 單位：中國礦業大學