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1、中国矿业大学 2009 届本科生毕业设计 第 1 页1 序言1.1引言煤炭是当前我国能源的主要组成部分之一，是国民经济保持高速增长的重要物质基础。纵观世界煤炭工业的发展史，煤炭在一次能源（包括煤炭、石油、天然气、水电和可再生能源等）的产量和消费上始终占据着重要的地位。尽管在二次世界大战以后，在西方国家石油和天然气等资源逐渐取代了煤炭，但在1973年10月的中东战争以后，石油输出国组织提高了石油德价格，加上中东战争对石油供应的影响以及煤炭储量的优势，煤炭资源开始又受到了新的重视。特别是近期由于中东局势混乱，国际原油价格在45-50美元/桶高位运行，以石油为主要能源的行业企业受到了很大的影响。煤炭
2、作为一种量大价廉的能源来源被重新开始认识和定位。预测未来石油价格不会出现大幅下落，煤炭将越来越得到重视。但是目前我国的煤炭工业的发展远不能满足整个国民经济的发展需要，因此必须以更快的速度发展煤炭工业。然而，高速发展煤炭工业的出路在于煤炭工业的机械化，同时在煤炭资源日益匮乏的时候合理并行之有效的利用成为了关键，但目前煤炭资源在我国存在着极度浪费的突出情况，这其中包括能源在运输、加工等的中间环节上。煤炭资源支撑着我国大部分的国民经济领域，怎样保证我们的煤炭能得到最大化的利用是非常紧迫的问题，解决合适的煤块粒度是煤炭利用中的核心技术，这将直接影响煤块的利用程度。全套图纸，加我国的煤炭工业从小到大，从
3、弱到强。原煤年产量从 1949 年的 0.32亿吨到 1989 年的 10 亿吨。此后，连续 10 年的年产量都在 10 亿吨以上，在 2002 年达到 13.93 亿吨，跃居世界第一位。2003 年由于强劲的需求原煤中国矿业大学 2009 届本科生毕业设计 第 2 页产量达到了 17.36 亿吨，预计 2004 年全年产量将达到 17.5-18 亿吨。我国不仅是世界上最大的煤炭生产国，而且是最大的煤炭消费国。煤炭在我国一次能源总产量和消费总量中的比例均在 75%左右，目前仍占 70%左右。国内 70%的燃料和工业动力、60%的民用商品能源、60%的化工原料都是由煤炭来提供的。煤炭在我国的一次
4、能源的产量和消费上都占有主导地。众所周知，块煤的售价比碎煤要高出许多，因此，对于选煤厂来说努力提高块煤产率是提高经济效益的一个十分有效的方法，从采煤工作面到选煤厂产品装车的各个环节，块煤总的破碎率约为 21%，其中装仓破碎率约为 10%，所以减少块煤在装仓时的破碎更是诸多环节中最重要的一环。1.2概述块煤的破碎机理是块煤在外力作用下遭到破坏的过程。块煤在运输过程中产生的碰撞是其形成破碎的主要表现形式，块煤所受外力大于其团聚力是破碎的成因。假设煤块与煤块或与其他物体间的碰撞为完全非弹性碰撞，碰撞后煤块的运动速度为零。因此解决块煤破碎的问题应该从两个方面入手：一是降低块煤的运动速度；二是延长块煤颗
5、粒之间以及与其他物体之间的碰撞时间。降低块煤落底速度的方法有降低高差和以外阻力减速，降低高度差的有限位放煤法，自动放煤机(吊斗法)和套筒仓法(也称仓内小仓法)。此外阻力减速的方法有螺旋溜槽、斜坡仓法、斜板法等。延长碰撞时间的方法是在块煤落底过程中或落底时加缓冲垫，如之形缓冲和多层钢丝绳缓冲等我所设计的这套系统是在煤块入仓下落过程中由于摩擦减速而减少摔击造成的过度粉碎，使煤块保持相对较大粒度储存，从而达到合理利用煤炭的目的。由于储煤仓的空间有限，既要考虑整个系统的可操作性又要考虑系统所占据煤仓的空间。在综合考虑以上因素以后在动力系统和控制系统上都必须符合要求，而系统的动力是绞车提升，在工业系统中
6、绞车已经被广泛的应用，其技术和经验都已很成熟；同时PLC技术在本系统中的应用，由于PLC的稳定可靠的控制性使得系统的运行可靠性很高。我国在很久以前的古代，就知道采用辘辘等来提升重物，以减轻体力劳动的强度和提高生产率。但提升设备的生产是解放以后才开始的，随着生产的发展到了60年代，由于对煤炭的开采，对提升设备在生产和使用越来越多。改革开放以后，为了发展提升设备的生产，行业组织了有关厂家的人员对全国提升机的生产和应用情况进行了调查，是新产品的开发提到日程上来。不少生产厂家成了了厂属研究所，开发了如告诉卷扬机、变速卷扬机、自动限中国矿业大学 2009 届本科生毕业设计 第 3 页位卷扬机等新产品，以
7、及谐波传动、摆线针轮传动、圆弧齿齿轮传动、圆弧圆柱蜗杆传动等具有新型传动型式的卷扬机。对单筒快速提升卷扬机起重质量从0.5吨到5.5吨的机型进行了系列设计。基本实现了结构紧凑、加工简单、操作方便、体积小，重量轻，满足了生产的需要和技术的进步。PLC控制技术是电气控制技术中的一朵奇葩。经过30多年的发展替代继电接触器控制的简单功能，发展到目前的具有接近计算机的强有力的软硬件功能。PLC源于替代继电接触器控制，它与传统的电气控制技术有着密不可分的联系。PLC是以微处理器微基础，综合了计算机技术、半导体技术、自动控制技术、数字技术和网络通信技术发展起来的一种通用工业自动控制装置。PLC以其可靠性高、
8、灵活性强、使用方便的优越性，迅速占领了工业控制领域。从运动控制到过程控制，从单机自动化到生产线自动化乃至工厂自动化，从工业机器人、数控设备到柔性制造系统，从集中控制系统到大型集散控制系统，PLC均充当着重要角色，并展现出了强劲的态势。PLC作为先进的、应用势头最强的工业控制器风靡全球。PLC用于包括逻辑运算、数值运算、数据传输、过程控制、位置控制、高速计数、中断控制、人机对话、网络通信等功能的控制领域。解决了动力和信号系统的关键部分，使得整个设计以此为基础顺利的进行下去。2 设计方案2.1设计参数皮带输送能力：350T/t；煤的堆积密度：1.2g/cm煤最大块度： 200mm(最大直径)；煤仓
9、深度： 14m2.2设计的任务自动升降缓冲仓的设计；牵引系统设计；控制系统设计；说明书；2.3设计方案的选择和论证典型的防块煤破碎的方法的比较与选择：中国矿业大学 2009 届本科生毕业设计 第 4 页1) 螺旋溜槽：适用于大型的圆筒仓中。其作用机理是延长块煤下降的距离，利用摩擦和离心力，降低块煤运动的末速度，防止块煤破碎。其优点是运行费用低廉，维护简单。其缺点是制造、加工和安装难度较大，防破碎效果取决于煤质、粒度、螺旋角和内倾角的大小，需要个别试验和科学计算，角度不合适会造成堵煤或防碎效果不理想，而且发生过因堵煤造成溜槽垮台事故。2) 限位放煤法：利用超声波煤位计对煤仓高差进行监控，使煤位保
10、持一定的高度，尽量降低势能的破碎作用，防止块煤破碎。这种装置常用在高差较大的仓体、各种缓冲仓和储煤仓，其作用机理是降低块煤自由落体运动的高差，减少下降时间，最终达到控制末速度的结果，实现防止煤炭破碎的目的。缺点是减少了仓体的容量，降低了仓体的利用率。3) 斜坡仓法：这种方法克服了限位放煤法的缺点，有效利用了仓体的容量。其作用机理是延长块煤运动时间，降低块煤运动的末速度，防止块煤破碎。缺点是土建工程量大、施工难度大、有限下率构成的细粒煤容易沉积在斜坡上，造成块煤颗粒滚动，降低了防止块煤破碎的效果。4) 斜板法：一般使用在矩形、低矮的煤仓中，其机理与斜坡仓相同。优点是制造安装容易，运行费用低廉，维
11、护简单，使用可靠。效果取决于煤质、粒度、倾角的大小，需要个别试验和科学计算。5)自动放煤机：工作原理是利用 PLC 集中控制系统，对定量斗、放煤斗通过压力传感器实施自动间断放煤的防破碎方法。定量斗存储一定量的块煤后，打开闸门给放煤斗供煤，放煤斗盛煤结束后，自动下落到仓底或与存煤接触底部位，打开底部闸板，实施放煤，完成煤炭的防破碎功能。从工作过程不难看出，其工作机理变胶带的连续给煤为定量斗间断放煤，完全避免了块煤的速度对破碎的影响，使块煤的运动速度降低到了一个理想的状态，块煤的势能完全被运输的机械所消化，因此防破碎的效果是明显的。其优点是自动化程度高，对仓体的适应能力较强，效果好。缺点是制造上工
12、艺复杂，运行费用高（提升电机功率大，带式输送机必须断续运行)，维护工作量大，具有一些易损的部件，要经常检修、保养。中国矿业大学 2009 届本科生毕业设计 第 5 页6)仓内小仓法：在煤仓这个大仓内再建一个截面 1m左右的圆形或矩形小仓，此小仓是由多节套筒组成，可以上、下升降。其工作原理：在往煤仓内装煤前，先开动绞车，下放套筒，套筒底面与煤仓料面接触后，位置传感器将信号传给 PLC 控制器，PLC 指令提升机停电抱闸，同时带式输送机转动，块煤通过套筒仓上部的缓冲仓，流入套筒仓，待块煤装到缓冲仓上料位传感器时，提升机开始提升最下节套筒，同时装仓带式输送机连续给料，随着套筒的不断升高，套筒中块煤不
13、断流入大的煤仓中。因为套筒中块煤流动量应大于或等于输送带给料量，缓冲仓中块煤下落快，料位落到下限位时，下料位压力传感器发出信号，PLC 命令绞车停机，等待缓冲仓料位上升到上限位时，绞车再开动，提升套筒。当煤仓装火车时，煤仓料位下降后，压力传感器断开，绞车自动反转，套筒下放，最下节套筒底面与煤仓内料面相接触。简单的也有采用绞车上提套筒，套筒靠自重下降的方法。套筒仓法的最大优点是可以煤的破碎率低，可以将破碎率降低 5.2%，但缺点是以现有的料位传感器的可靠性均难以满足块煤仓的使用要求，传感器在块煤的冲击作用下经常误动作或不动作，造成使用效果不理想。针对上述情况分析，我个人认为比较有效的方法应该是套
14、筒仓法，当然问题的关键是要设计合适的传感器和传感方式感知煤位，所以我通过对现有系统的进行改进，采用改进后的可靠性更高的机械式位置传感器和压力传感器，利用可编程序控制器的智能对传感信号可能出现的错误进行判断和剔除，并且对系统本身的故障进行判断和报警，可以满足现场使用的要求。3 缓冲仓的设计3.1圆筒的构造1）每个圆筒上端都焊接了圆环状内环，下端安装了圆环状外环，套筒在伸缩过程中内环与外环之间形成了一个伸缩空腔，煤仓中的煤尘和细小颗粒很容易通过内外圆环与筒壁之间的空隙进入伸缩空腔，在伸缩空腔的下部堆积。由于外环与筒壁之间的间隙小，堆积的煤尘和细小颗粒大部分不能从伸缩空腔中排出。套筒收缩到最后这些堆
15、积的煤尘和细小颗粒被积压成坚硬的煤层，套筒反复伸缩，煤尘和细小颗粒反复被挤压成坚硬的煤层，使套筒的伸缩距离越来越小，防破碎效果越来越低，最终失效。2）内外圆环与筒壁焊接后形成了一个整体，每个铁筒都不能方便地从套筒中拆出，同时清除堆积在空腔中的煤层非常的不方便，给维修、更换中国矿业大学 2009 届本科生毕业设计 第 6 页造成很多的困难。3）绞车必须沿绞车梁小幅移动才能使钢丝绳的相对位置保持不变，这种双向移动的绞车结构比较复杂，并且在移动过程中容易引起钢丝绳的晃动。为解决套筒仓法的不足，本设计采用了一种新型的设计：将圆环状外圆环用定位板替换，这样套筒仓内够将进入伸缩空腔的绝大多数煤尘和细小颗粒
16、排出，同时也能够清除进入套筒伸缩空腔的煤尘和细小颗粒，煤尘和细小颗粒不会在伸缩空腔内存留、积压和堆积，能够保证较长时间的无故障运行。另外，这种新型设计还能使得套筒仓中的每个桶都能方便地从整体中取出，便于维修和更换。另外本次设计改变了绞车的安装位置绞车与漏斗几乎在同一水平线上，便于安装和维修。同时设计了导向轮装置，这样使得钢丝绳定位准确、不晃动。3.2 圆筒仓的结构设计 在煤质技术（国内统一刊号 CN/TD）2002 年第四期（总第 109 期）标题为改造直筒煤仓降低块煤损耗的论文中对套筒仓法作了详细的描述。圆筒仓在煤仓内的安装方式如图 1 所示：该装仓装置的不足之处： （1）.由于每个圆筒上端都焊接了圆环状内
