[论文]斗轮机取料效率制约因素分析与改进措施

斗轮机取料效率制约因素分析与改进措施

周　昆

（天津港远航国际矿石码头有限公司，　天津　300456）

摘要：  为提升斗轮机的取料效率，对制约取料效率提升的黏料、堵料、撒料、等料等4个因素进行分析，提出技术改进措施。采用改变接触表面性质的方法，在料斗内壁浇铸聚氨酯耐磨层，在斗轮溜槽正面安装新型复合陶瓷胶板，解决料斗和溜槽黏料问题。为防止格栅堵料，取消溜槽正面的格栅支座，提出双级全自动格栅方案，增加自动破碎筛分功能。设计安装专用斗齿和调节式圆弧挡料裙板，减少作业过程中的撒料。通过安装高精度的移动式阵列式皮带秤，提供准确的瞬时流量和累计流量数据，实现一次性取料到位，减少装车等料时间。实施改进措施后，取料系统黏料、堵料、撒料和等料的情况得以改善，斗轮机取料效率大幅提升。

关键词：  港口；斗轮机；聚氨酯；陶瓷胶板；全自动格栅；斗齿；阵列式皮带秤

0　引　言

目前，斗轮式取料机（以下简称“斗轮机”）被广泛应用于专业化散货码头、矿山、电厂等工矿企业。斗轮机的取料系统主要包括斗轮驱动、斗轮轴承、斗轮体、料斗、溜槽、格栅、导料槽、臂架皮带等。斗轮机取料作业的额定效率和极限效率由原设计决定，但因物料种类繁多、作业环境复杂、设计不完善等原因，导致经常出现取料效率达不到额定效率和生产能耗较高的情况。在实际生产中，取料系统黏料、堵料、撒料和等料是导致斗轮机取料效率降低的主要原因，本文从这4个方面进行分析、研究。

1　取料系统黏料分析与改进措施

1.1　黏料对取料效率的影响

黏料是指在斗轮机构运转过程中一部分物料始终黏附在料斗和溜槽上，导致取料系统的能耗增加、效率降低。黏料现象主要发生在料斗内壁和溜槽正面。黏结的物料会使料斗的斗容减小、溜槽的通货能力下降。为避免出现堵料和停机故障，在每列火车装车完成后，生产部门需要立即组织工人对料斗和溜槽进行清理，清理难度和工作量都很大。在冬季取装巴西矿等物料时，料斗和溜槽的黏料问题更加严重，取料作业效率较低。

1.2　黏料机理分析

料斗内壁黏料的现象是指料斗内的一部分物料到达斗轮最高点后仍然不能脱离料斗内壁。这是由于物料黏附力与离心力的总和大于物料的自重。离心力的大小是由斗轮极限转速决定的，在设计阶段已做考虑，与黏附力相比基本可以忽略。矿粉与料斗内壁之间的黏附力大小与矿粉粒度组成、含水量、黏土矿物含量[1]和料斗内壁表面材料性质等有关。粒径较大的矿石物料不易发生黏料。对于粒度很小的矿石物料，例如巴西粉、纽曼粉、麦克粉等，当物料含水量较大时，物料容易黏附在斗轮取料装置上。

当黏附现象发生后，随着作业的继续，后续取装入料斗的物料对已经黏附在料斗内壁上的物料不断施加压力，正压力作用使矿石团聚物与衬板表面结合得更紧密。在正压力的作用下，矿粉毛细孔的抽吸作用也会产生真空吸力，使黏附作用[2]增强，从而导致黏附的物料越来越多。料斗长时间运转后，料斗内壁上黏附的矿层水分逐渐减少，料斗金属衬板表面也逐渐开始锈蚀，黏附层与衬板表面之间的微颗粒因机械互锁作用形成永久性黏附。

溜槽内壁黏料机理与料斗内壁黏料机理不完全一致。当矿石团聚物与溜槽内壁之间的摩擦力大于重力和惯性力沿溜槽斜面的分力时，矿石团聚物就黏附在溜槽上，在后续物料的正压力作用和矿粉毛细孔的抽吸作用下，黏附力会越来越大。溜槽表面的平整情况对物料黏附程度有很大影响，尤其是溜槽表面还有格栅支座等障碍物时，矿石极易先黏附在这些不平整的地方，然后黏附范围会逐渐扩大。

1.3　减少取料系统黏料的方法和改进措施

根据以上的黏料机理分析，要解决黏料问题，可以从阻断物料黏附过程和改变接触表面性质这2个方面着手。阻断物料黏附过程的防黏料方法主要有喷水除料法和振打脱料法。喷水除料法是用高压水柱冲刷黏料位置以达到防黏料的目的，该方法会大幅增加设备用水成本，废水回收困难，且在旋转的斗轮上安装喷水装置难度非常大。振打脱料法是利用振打电机振动料斗母板使物料脱落的方法，但在斗轮机料斗上安装振打电机不具有可操作性。改变接触表面性质的防黏料方法主要有表面喷涂防黏剂法和浇铸防黏性材料法。表面喷涂防黏剂法需要在每次作业前重新喷涂防黏剂，存在成本高、工作量大等问题，不适用于斗轮机连续作业。浇铸防黏性材料法是在料斗内壁浇铸一层防黏性的材料，从而改变接触表面的性质。在料斗内壁表面上浇铸具有憎水特性的防黏性材料可减小水桥引力，降低矿石团聚物与料斗内壁之间的黏附力，达到防黏料的目的。该方法的可操作性较强。

料斗内壁的材料既要防黏，又要耐磨。经过对多种材料的比选试用,最终选定在料斗内壁热浇铸12 mm厚的聚氨酯耐磨层。内壁浇铸聚氨酯耐磨层的料斗见图1。在采取该防黏料措施后，料斗内壁黏料问题得到解决。内壁浇铸聚氨酯耐磨层的料斗经过2 a的使用，聚氨酯耐磨层厚度减少40%左右，其使用寿命预计在4 a左右。

图1 内壁浇铸聚氨酯层的料斗

要解决溜槽积料、堵料问题，需要改善溜槽表面特性，保持溜槽正面平整。经过对多种材料的比选试用，最终选择在溜槽正面安装新型复合陶瓷胶板。新型复合陶瓷胶板的橡胶块能够吸收冲击能，提升衬板表面憎水性，防黏料的效果良好。硫化在复合橡胶板上的圆柱陶瓷块可大幅提高胶板的抗磨强度。安装新型复合陶瓷胶板的斗轮溜槽见图2。在采取该改进措施后，斗轮溜槽黏料问题得到解决。改进后的溜槽经过1 a的使用，复合陶瓷胶板厚度减少30%左右，其使用寿命预计在3 a左右。

图2 安装新型复合陶瓷胶板的斗轮溜槽

2　取料系统堵料分析与改进措施

2.1　堵料对取料效率的影响

取料系统堵料是指由于斗轮溜槽格栅孔被物料塞满，导致斗轮料斗后续取上来的物料无法通过溜槽格栅而造成整个溜槽被物料堵满。为避免格栅发生大面积堵料，斗轮机在作业过程中需要经常停机以便清理格栅和溜槽，使取料效率受到很大影响。特别是在冬季，雨雪融入料堆导致料堆表层冻结，巴西矿等含水量大的矿粉会被冻结成大块，这些大冻块物料更容易使格栅发生堵料，有时甚至无法作业。

2.2　取料系统堵料原因分析

取料系统发生堵料主要是由于斗轮溜槽格栅功能不完善造成的。斗轮溜槽格栅一般分为固定式格栅和电动翻板式格栅，主要作用是去除矿石中的杂物和大块料。不管是固定式格栅还是电动翻板式格栅，都需要将格栅支座安装在溜槽正面，这样就很容易导致格栅发生黏料、堵料。若采用固定式格栅，在清理堵料时需要暂停取料并停止斗轮和臂架皮带。电动翻板式格栅在功能上相对完善，当格栅上有较多物料时，司机可以开启电动翻板使格栅上的部分物料翻落至料堆。由于没有自动破碎筛分功能，当遇到较多大冻块物料时，电动翻板式格栅会频繁动作，最终能通过格栅到达悬臂皮带上的物料其实很少。

2.3　取料系统堵料的改进措施

取料系统堵料的改进措施主要是对斗轮溜槽格栅进行改进。针对传统斗轮溜槽格栅的缺陷，创新性地提出双级全自动格栅方案。双级全自动格栅安装布置图见图3。双级全自动格栅结构由悬挂筛分式格栅[3]和电动翻板格栅等2部分组成。悬挂筛分式格栅的安装方式可借鉴卸船机振动给料器，通过钢丝绳悬挂于斗轮溜槽两侧壁的横梁上。悬挂筛分式格栅沿溜槽正面方向的倾斜角度可通过调整钢丝绳长度进行调节，同时悬挂筛分式格栅要与溜槽正面保持一定的振动间距。格栅的下方安装1台高频振动电机，格栅的上方布置若干钩状破碎装置。悬挂筛分式格栅采用插口交错方式与电动翻板格栅交接。

图3 双级全自动格栅安装布置图

当作业黏料或冻料时，可开启振动电机进行物料筛分。悬挂格栅上的破碎装置可将冻料或板结物料进行破碎。大部分物料经筛分破碎后落入导料槽中，少部分不能被破碎的大块物料或杂物在电机的振动作用下沿格栅倾斜方向落到电动翻板格栅上。当电动翻板格栅上的大块物料累积较多时，司机开启电动翻板将大块物料翻落至堆场后集中处理。

3　取料系统撒料分析与改进措施

3.1　撒料对取料效率的影响

取料系统撒料主要发生在斗轮料斗旋转提升物料的过程中。斗轮在取料过程中主要的撒料点有2个：一是料斗口处；二是圆弧挡料板与斗轮轮辋之间的间隙处。物料的大量撒落导致取料系统的效率降低。部分撒落物料进入回程皮带、改向滚筒、托辊、轴承等零部件内部，造成设备损坏，间接影响取料效率。

3.2　取料系统撒料的原因分析

斗轮料斗口处撒料多主要是由于料斗的斗齿、斗唇严重磨损引起的。斗轮装置一般倾斜10°左右安装，取料作业方式多以回转取料为主，这2个因素导致料斗两侧边角的斗齿磨损非常严重。取料作业时，料斗内的物料从斗齿磨损严重的地方撒落下来。料斗的斗唇部分也直接与物料接触，长期磨损后也会导致物料撒落较多。

斗轮圆弧挡料板处撒料多主要是由于圆弧挡料板功能不完善造成的。为适应矿种多样性和提高生产效率，港口一般都采用无格式斗轮装置。无格式斗轮装置工作时，料斗由下而上逐渐装满，固定不动的圆弧挡料板挡住物料使其不能外流。当料斗转到斗轮溜槽入口时，物料在自重作用下从料斗口流出后落入溜槽内。无格式斗轮装置的圆弧挡料与斗轮轮辋之间要保持一定的间隙，一般要求为8 mm。但随着设备的长期使用，受圆弧挡料板和斗轮体自身钢结构形变的影响，圆弧挡料板与斗轮轮辋之间的间隙会越来越大，取料作业时会有大量物料从圆弧挡料板与斗轮轮辋之间的间隙处撒落。

3.3　取料系统撒料的改进措施

要减少斗轮料斗口处的撒料，需要增强料斗、斗齿的耐磨结构。针对料斗两侧边角的斗齿磨损快的情况，设计专用斗齿。在靠近斗角的方向，加宽专用斗齿的齿面，这样既能增加耐磨强度又能保护斗角，同时斗齿的安装结构不变。安装专用斗齿的料斗见图4。斗唇原耐磨结构为网格堆焊结构，实践表明该耐磨结构不能满足取料系统严苛的挖掘工况。为增强斗唇的耐磨性，采用全堆焊耐磨层结构，在未安装斗齿的斗唇部分先用不锈钢焊条打底，再用D256耐磨焊条堆焊5 mm厚的耐磨层。为防止料斗外侧壁被物料磨透而漏料，在料斗外侧壁增加网格堆焊结构。改造后的料斗耐磨特性明显加强，斗齿使用寿命得到延长，斗轮料斗口处的撒料明显减少。

图4 边角安装专用斗齿的料斗

要减少斗轮圆弧挡料板处的撒料，需要缩小圆弧挡料板与斗轮轮辋之间过大的间隙。为此，在圆弧挡料板侧壁增加可调节式聚氨酯耐磨裙板。聚氨酯裙板的耐磨性好，且为柔性材料。这样圆弧挡料板与斗轮轮辋之间的间隙可以被调整得更小。安装聚氨酯裙板的圆弧挡料板见图5。由于裙板安装在圆弧挡料板外侧，更换磨损的裙板十分方便。改造后，圆弧挡料板上的聚氨酯裙板与斗轮轮辋之间的间隙很小，圆弧挡料板处的撒料情况明显得到改善。

图5 安装聚氨酯裙板的圆弧挡料板

4　取料系统等料分析与改进措施

4.1　等料对取料效率的影响

等料是指斗轮机司机在作业过程中刻意暂停取料，待整个流程皮带上的所有物料全部装入火车车厢后再接着取料，在后续物料到达装车楼前的这段时间里装车楼处于等料状态。由于斗轮机到装车楼整个流程的皮带距离很长，每发生一次等料后再补料的情况，整个流程就要多等待10 min左右。有时一次补料不足还会再次补料，长时间的等料直接影响取料系统装火车效率。

4.2　等料现象的原因分析

分析取料作业流程的各个环节发现，取料系统等料的主要原因是斗轮机计量系统精度差。斗轮机臂架上的普通皮带秤精度较低，计量误差有时高达20%左右。由于斗轮机司机不能准确得知从料堆中取上来的物料的累计流量值，在接近本列火车装车结束时会暂停取料。待整个流程皮带和装车楼缓冲仓内的物料全部装入火车后，装车楼司机计算出剩余装车量后才通知斗轮机司机继续取料。另外，由于斗轮机司机不能准确得知瞬时流量值，为了避免流量过大，在取料作业过程中斗轮机司机会刻意降低瞬时流量或间隙取料。暂停取料、刻意降低瞬时流量或间隙取料都会导致装车楼装火车作业不连续，出现装车楼等料现象。

4.3　减少等料时间的改进措施

为解决取料系统等料问题，需要为斗轮机司机提供准确的取料累计流量和瞬时流量值，也就是要提高斗轮机计量系统精度。斗轮机司机在掌握准确的取料累计流量和瞬时流量值后，可根据需要装车的物料总量，一次性取料到位。在取料总量满足要求后，中控室不用等待装车楼装车作业结束就可提前安排斗轮机和整个流程皮带停机。

在斗轮机计量系统中，一般采用普通皮带秤作为计量器具。普通皮带秤通过臂架绞点处的重力式角度传感器或绝对值编码器进行俯仰角度补偿，补偿效果差。另外，普通皮带秤一般只有1个称重单元，无法克服皮带涨紧效应对其准确度的影响。为提高计量精度，避免取料系统等料，对斗轮机计量系统进行改造，在臂架上安装移动式阵列式皮带秤。

移动式阵列式皮带秤采用三维姿态跟踪补偿技术，对称重传感器在垂直、左右、侧倾等3个方向上的状态进行检测和修正补偿，有效地减少因俯仰角度变化而引起的误差。移动式阵列式皮带秤摒弃传统皮带秤的角度传感器或绝对值编码器补偿机制，而是通过一个比较单元精确计算出俯仰角度的变化对称重数据的影响并予以修正。移动式阵列式皮带秤安装布置情况见图6。

图6 移动式阵列式皮带秤安装布置情况

通过安装高精度的移动式阵列式皮带秤，并对斗轮机控制系统软件进行升级，增加计量模块，斗轮机司机可以通过触摸屏HMI界面看到瞬时流量、本列累计流量、累计总流量等相关计量数据。改造实施后，斗轮机司机现在能够实时掌握取料作业流量和整个作业进度情况，可实现一次性取料到位，基本杜绝取料系统等料现象，大幅提高取料系统的效率。

5　改进效果评价

在对斗轮装置进行改造后，料斗内壁基本无黏料，料斗口和圆弧挡料处的撒料明显减少，斗轮机作业黏矿时的效率提高30%以上。斗轮机计量系统改造升级后，斗轮机司机能够以合理、稳定的流量一次性取料到位，在装火车作业时每列火车的装车时间可缩短15 min。这一系列的技术改进措施有效地提高斗轮机的性能、大幅降低沿线作业流程的能源消耗、减少取料作业造成的粉尘污染，取得良好的经济效益和社会效益。

参考文献

[1]王守敬,卞孝东,张艳娇,等.宣龙式鲕状赤铁矿石工艺矿物学研究[J].金属矿山,2013(10):76-79.

[2]任露泉,刘朝宗,佟金,等.土壤黏附系统中黏土颗粒群的黏附特性[J].农业机械学报,1997,12(4):1-3.

[3]董伟峰.一种新型全自动筛分格栅在斗轮堆取料机上的应用[J].港口科技,2015(8):33-35.

本文转自《港口科技》微信公众号