劉 驍，潘永泰，劉 振，姚福強

（1.泰伯克（天津）機械設備有限公司，天津 301739；2.中國礦業(yè)大學（北京），北京 100083）

作為露天煤礦設計工藝中的關鍵系統(tǒng)，可移動式破碎站設計技術(shù)的成熟度影響著露天煤礦是否能穩(wěn)定的生產(chǎn)[1]。為此，以SolidWorks 為設計基礎，將半移動式破碎站工藝布置中涉及到的各項系統(tǒng)分成常用的6 大模塊，對設計時的要點進行闡述；以受料斗為例，敘述了有限元分析的過程，并借助SolidWorks中宏命令和Excel 的關聯(lián)使用，給出了1 種新的破碎站智能化設計方式。

1 確定工藝圖和布置形式

半移動式破碎站作為系統(tǒng)中的重要的1 個環(huán)節(jié)，是剝離土轉(zhuǎn)載、運輸調(diào)車和設置破碎機的重要場地。合理的確定破碎站的位置、移設步距、布置方式以及運輸系統(tǒng)的路徑布置方式等，是充分發(fā)揮半連續(xù)工藝處理能力、降低露天剝離成本的重要途經(jīng)[2]。

運載能力等工況參數(shù)影響著受料斗容積。常規(guī)工作面地形位置影響著給料設備選擇和整體布置。設計處理能力、來料粒度等工況參數(shù)影響著給料設備和破碎設備的選型。給破碎站供料的運輸設備的參數(shù)關系到受料斗開口的尺寸。因此，開始設計半移動式破碎站之前，要研習破碎站使用現(xiàn)場的開采方式、常規(guī)工作面地形、來料方式等工況問題，才能著手設計滿足技術(shù)要求的半移動式破碎站。

1）如果露天礦深度較深、開采空間狹小，或者礦坑開挖較深卡車運距較遠需要多次往返、滿載上坡將物料運送至地面，這種情況下的卡車成本運輸較高其優(yōu)勢得不到發(fā)揮。這種情況可以選用下面這種工藝布置形式。在合適的位置布置出滿足工況使用的受料淺槽，利用水平－傾斜布置的刮板機將物料輸送提升至破碎機進行破碎。刮板布置形式如圖1。

圖1 刮板布置形式

2）如果露天礦開煤層賦存深度較淺、地形平緩、開采空間較大，或者需要破碎站穩(wěn)定且連續(xù)的破碎物料供下游系統(tǒng)使用，可以采用下面這種工藝布置形式。物料被運輸設備投入一定容積的受料斗，受料斗中的物料通過重型板式給料機輸送至破碎機[3]。此類工藝設計也是現(xiàn)在露天煤礦常用的布置形式，將以此類布置形式進行設計分析。重型板式給料機布置形式如圖2。

圖2 重型板式給料機布置形式

2 模塊化設計

為了減少合計成本和模擬破碎站移設的時間，直接使用SolidWorks 進行建模設計，并對分化后的模塊進行有關聯(lián)的單獨設計。每個模塊的單獨設計的好處有：①提高設計時電腦的流暢度；②方便對破碎站移設的模擬、移設步距的計算、移設的工程量和費用成本等進行計算分析；③由多個技術(shù)人員對每個模塊進行單獨設計，減少設計時間，分擔設計工作量；④模塊化后的實體設備可以減少因為不同的加工生產(chǎn)周期導致的到貨順序不同而產(chǎn)生的相互等待時間；⑤如果后期需要優(yōu)化或升級某1 臺設備可以在獨立的模塊里進行修改。在半移動式破碎站設計中，可以將破碎站常用的配置和設備分為6 個模塊。

1）受料斗模塊。主要包括受料斗主體、鋼結(jié)構(gòu)擋墻、受料斗和重型板式給料機的連接導料倉、受料斗支撐鋼結(jié)構(gòu)等。此模塊基本上是成型鋼材焊接組成的鋼結(jié)構(gòu)，質(zhì)量大，分塊后體積大，產(chǎn)品附加值相對較低。但是此模塊是破碎站來料接料的關鍵，如果設計的結(jié)構(gòu)與現(xiàn)場實際需要差異太大，再加上設計生產(chǎn)中與使用方溝通不及時后續(xù)會導致很多問題。所以，建議在提供了設計圖紙后，自行購買鋼材并在現(xiàn)場進行焊接制作，既能節(jié)約建設成本又能對出現(xiàn)的問題及時進行更正。

2）給料機模塊。主要包括重型板式給料機主體、給料機末端擋料溜槽、給料機驅(qū)動、檢修走廊、鋼制樓梯等。如果受料斗容積和重型板式給料機選型都比較大，那么給料機需要單獨制作鋼結(jié)構(gòu)支撐并制作成獨立模塊。反之如果受料斗和給料機設計的都比較小，那么給料機可與受料斗共用同1 個支撐鋼結(jié)構(gòu)并且放到受料斗模塊中進行設計。給料機是需要帶料啟動的，所以給料機選型時要考慮是否能在系統(tǒng)緊急停車后能滿載啟動[4]。

3）破碎機模塊。主要包括破碎機主體，破碎機入料倉、出料溜槽或出料振動篩、破碎機檢修平臺、鋼制樓梯、破碎機支撐鋼結(jié)構(gòu)。破碎機模塊是整個破碎站的核心模塊，是整個破碎系統(tǒng)的重要工藝環(huán)節(jié)，破碎機的選型和破碎機的工作效率嚴重關系著破碎系統(tǒng)的處理能力。如果破碎機設計的選型過大，相匹配的變壓器、電機、減速器或者液壓馬達的型號會相應的增大，除了增加原始購買成本，還增加了后續(xù)的電力成本。如果破碎機選型過小，破碎強度就不足，會造成“卡脖子”的現(xiàn)象，整個破碎系統(tǒng)就會造成設計浪費。就算破碎機選型合理，但是設計的破碎齒形不合理[5]，電機傳遞扭矩的利用率不足，電機功率就會造成浪費，除了達不到預期處理量，還會大大減少破碎齒的使用壽命，增加運營成本。所以，在最開始設計破碎站時，要先根據(jù)現(xiàn)場一系列工況參數(shù)選擇合適的破碎機類型，再通過破碎機類型選擇合適型號的破碎機型號。

4）接料帶式輸送機模塊。主要包括重型板式給料機回料帶式輸送機和破碎機出料帶式輸送機。給料機鏈板在回程過程中會夾帶一些尾料，回料帶式輸送機將這些掉落的尾料收集起來運輸至破碎機出料帶式輸送機或下一級帶式輸送機上。為了安全，此模塊在設計時還應設計出給料機和帶式輸送機之間的溜槽，以免尾料掉落砸傷工作人員。破碎機出料帶式輸送機到破碎機出料溜槽的高度影響著帶式輸送機的使用壽命。高度過低物料會卡在出料口的帶式輸送機上造成堵塞；高度過高，排出的物料會徑直砸到皮帶上砸傷帶式輸送機。所以破碎機模塊設計前，要先根據(jù)出料帶式輸送機的設計高度來確定破碎機的工作高度。

5）輔助破碎模塊。主要包括機械手破碎錘及司機室和觀察走廊等。此模塊用來輔助破碎機進行破碎，將超限的大塊物料破碎至符合破碎機入料要求，避免破碎機堵轉(zhuǎn)并提高破碎機的使用壽命，通常設計在受料斗上面或給料機末端。如果設計在受料斗上，可以給受料斗開口處設計篩分裝置；如果設計在給料機末端，那么在設計給料機時，在機械手破碎位置需要增加鏈板的支撐架避免損壞鏈板。

6）智能控制模塊。通常和機械手司機室整合在一起，安裝到受料斗開口平面上。主要包括加熱系統(tǒng)、集控室、觀察走廊、基座鋼結(jié)構(gòu)。破碎站常用在高緯度室外環(huán)境，設備使用比較容易受到低溫影響，設計時要結(jié)合氣候條件為破碎站配備相應的自動加熱系統(tǒng)。集控室不等同于設備的電控室，是將給料機模塊、破碎機模塊、排料帶式輸送機模塊中采集的信號和各種傳感器傳出的各項參數(shù)實時的集成到1 個操作臺面上。通過對比采集的信號、觀察受料斗接料、給料機輸送、破碎機實時破碎情況，及時的調(diào)控運料車輛和給料機的給料速度，避免給料機入料超過破碎機的處理能力或大塊物料的超時破碎所造成的破碎機堵塞。各項傳感器的傳出信號還能診斷設備的健康程度，提前規(guī)避設備的損壞，預測設備可能出現(xiàn)的問題，減少大修次數(shù)和時間。

設計6 個模塊時，首先從主體上考慮，再分項細化。在分項前要先將各個模塊相關聯(lián)的部分交代好，確保整合模塊的時候能準確拼裝和銜接。

3 半移動式破碎站主要設備設計原則

3.1 破碎站的處理能力

破碎站最重要的設計參數(shù)就是破碎站的處理能力，又叫做處理量，處理量是使用方通過開采數(shù)據(jù)、工作周期等參數(shù)確定的。在處理量確定時，來料粒度也同時確定。破碎站的處理能力和來料粒度這2 個參數(shù)在一定程度上就確定了破碎站的主要設備。處理量和來料粒度就是破碎站各項參數(shù)的底線，確定以后，后期設計要嚴格遵循這2 條參數(shù)來設計。

決定處理能力的主要因素有：受料斗容積、給料機輸送能力、破碎機處理能力。受料斗的容積太大，會對重型板式給料機造成很大的啟動壓力，需要增加給料機驅(qū)動軸的電機功率，造成設計浪費。受料斗的容積太小，給料機在正常供給破碎機破碎時會很快將物料排空，如果受料斗不能及時補充物料，這樣破碎機和給料機會空載運轉(zhuǎn)，很影響破碎站的處理能力[6]。受料斗容量的設計時要衡量運輸卡車的運載能力、小時內(nèi)卡車運載次數(shù)、同時卸料平臺數(shù)等。

給料機的輸送能力和破碎機的處理能力是決定處理能力的直接參數(shù)。給料機輸送能力達不到，直接影響破碎站的處理能力；破碎機的處理能力達不到，給料機在正常給料的情況下會經(jīng)常堵料，如果降低給料機的輸送，也會直接降低破碎站的處理能力。所以這3 個因素是相對獨立并相互影響的。要提高總處理能力，首先要提高每個模塊的工作能力和工作效率，其次是提高半連續(xù)工藝環(huán)節(jié)之間的協(xié)調(diào)配合。

3.2 運輸

受料斗容量的設計時要衡量運輸卡車的單臺運載能力、小時內(nèi)卡車運載次數(shù)等。來料運輸設備主要是卡車、提升機、標準軌牽引車、單斗挖掘機等?？ㄜ?、提升機、標準軌牽引車的整體運載能力決定了破碎站是否能滿負荷運行。如果系統(tǒng)運載能力過低就會出現(xiàn)破碎站空載運轉(zhuǎn)，時間長了會造成資源浪費和不必要的設備疲勞損耗。單斗挖掘機決定了裝載能力，單斗挖掘機裝載能力不足，卡車會出現(xiàn)等待，影響物料運輸。

挖掘機－轉(zhuǎn)運車輛－破碎站的使用過程是1 個配合的合理化過程，中間的切合點是需要設計人員和使用方來進行實驗和計算的[7]。這1 個切合點還有1個重要的考慮因素，就是運輸距離，運輸距離是挖掘機到破碎站之間的路程距離，隨著剝離工作面的不斷推進和延伸，運輸距離是不斷增加的。當運輸距離達到1 個臨界值就需要對破碎站進行移設，這時就需要考慮破碎站移設的運輸設備：履帶運輸車和吊車。這2 個設備的工作能力參數(shù)決定著破碎站解體后的最大單體質(zhì)量和最大體積。

3.3 破碎站移設的步距和周期

破碎站的移設是顯著影響半連續(xù)工藝系統(tǒng)經(jīng)濟效益的關鍵之一。移設對露天礦正常生產(chǎn)的影響也破碎站設計要考慮的關鍵因素。除了用SolidWorks動畫模擬移設步驟，還需要用SolidWorks 分析吊點或拖拽點的強度和穩(wěn)定性。

破碎站的移設步距大，移設破碎站零件的運距就遠，就會用到履帶運輸車運輸，移設費用就高，但相對的移設周期較長。設計破碎站時要考慮破碎站整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性要強，長期固定在一處，要在克服爆破產(chǎn)生的地面震動和爆破引起的巖層下沉。通常在模塊化設計時要考慮是否需要用混凝土進行加固，并預留加固點。破碎站設計的步距較小，相對的移設周期較短。設計破碎站時要考慮破碎站整體結(jié)構(gòu)要利于頻繁拆裝，克服地形變化的能力要強。如果需要通過拖拽來進行移設，除了考慮各個模塊縱向吊裝點的同時，也要考慮橫向拖拽點的設計。

4 鋼結(jié)構(gòu)簡化和力學有限元分析

在破碎站的整體設計完成后，需要對破碎站進行有限元分析。在工程技術(shù)領域中，由于復雜的設計結(jié)構(gòu)和非線性特征，計算求解是很難的，通常采用數(shù)值模擬法中的有限元法，基本思路如下[8]：①將詳細的模塊化鋼結(jié)構(gòu)框架進行簡化；②對劃分的模塊的鋼結(jié)構(gòu)離散成若干個單元，每個離散單元中的鋼結(jié)構(gòu)當成是由各個單元在邊界處剛性聯(lián)結(jié)而成的；③對建立的每個離散單元的力學性能進行單獨分析，然后將每個單元的性能數(shù)據(jù)組合成總體結(jié)構(gòu)力學特性；④將離散單元組合成整體，對各個單元結(jié)構(gòu)的交叉點、集中力作用點、橫梁截面積突變點等選為力學結(jié)點進行分析，因為各個單元的每個結(jié)點之間均有力和力矩相互作用；⑤對最終數(shù)據(jù)進行分析，將需要加固和有問題結(jié)構(gòu)進行調(diào)整。除了對鋼結(jié)構(gòu)基本的使用載荷進行分析，還需要將地震載荷、風力載荷、雨雪的重力載荷等對鋼結(jié)構(gòu)可以造成影響的條件進行分析[9]，保證鋼結(jié)構(gòu)在滿載荷條件下保持穩(wěn)固。

5 智能化設計

因為需要對不同現(xiàn)場工況下的破碎系統(tǒng)進行對應調(diào)整，常規(guī)的非標的設計方法不但效率低并且準確性差。所以需要采用新的智能化設計手段，在給定新參數(shù)的情況下，每個模塊中的模型可同步改變尺寸并自動生成。以受料斗為例，基本設計方法如下：①使用Excel 設計表格，將能使用到的參數(shù)分別進行錄入，并對參數(shù)進行函數(shù)化設定；②將SolidWorks的宏命令鍵入至Excel 并進行關聯(lián)；③將Excel 表格放入已經(jīng)設定好方程式的受料斗模型的文件夾，將原受料斗模型打開；④點擊Excel 表格中的“瀏覽文件”選定受料斗模型，然后“讀取”模型中方程式的參數(shù)屬性，在此基礎上對新的料倉參數(shù)重新錄入，點擊“更新”后原受料斗模型會自行進行尺寸變化；⑤修正模型變化造成的零件重疊等錯誤。

由于受料斗母板的厚度是根據(jù)料倉容積等參數(shù)設定自行生成的，如果使用單位對耐磨板的厚度和連接方式有要求，將耐磨板也在模型中修改完成后，需要對料倉的強度和耐磨板連接方式的剛度進行用有限元分析。

6 結(jié)語

破碎站以及受料斗的結(jié)構(gòu)和布置形式有很多，作為破碎站的主要結(jié)構(gòu)件，受料斗往往需要根據(jù)現(xiàn)場工況進行非標設計，這種非標設計效率低且準確性差。SolidWorks 設計比較直觀，方案易懂，2D 圖紙是直接從3D 模型生成的，比較難出現(xiàn)制圖錯誤。SolidWorks 除了焊接、渲染、運動模擬仿真、有限元分析、BOM 表格自動生成等基本功能，還能通過智能化的參數(shù)設定來自動更新模型。這種新的設計思路和軟件應用方式不但大大縮短了設計周期，還能優(yōu)化材料和降低成本，能將更多的時間分配到生產(chǎn)和調(diào)試環(huán)節(jié)中去。