论文题目：煤矿井下原煤初选动筛跳汰机结构优化和控制方法研究
摘要：煤炭作为人类发展史上最重要的一次性能源,由于环保、能源枯竭以及成本等因素开始逐步被多样化的能源结构所替代,但因其利用模式简单,仍占据我国一半以上的一次性能源消费比例。我国煤炭经历了“黄金十年”高速发展,随着整体经济转型和供给侧改革调整,其产量仍居高位。煤炭的规模化机械开采,给环境保护和治理带来一定压力,是煤炭作为低成本能源无法充分利用的重要原因。由于煤炭特殊的赋存条件,现有大规模开采工艺不可避免地将其中的夹矸、或部分顶底板矸石混入煤炭。矸石被运输到地面后,需要额外的工艺加以分离,其堆积形成的矸石山也是造成我国环境污染的最主要固体废弃物来源。因此,我国在“十二五”规划中明确提出:新建矿井不得堆放矸石山,现有矸石山要进行环境友好治理或消除。现代化采煤作业多采用滚筒采煤机配合液压支架、刮板输送机进行割煤、装煤和连续运输。规模化机械开采模式不可避免地要将煤层夹矸,部分顶底板矸石一并采出。尤其是放顶煤工艺,后部放煤均为人工控制,作业面现场条件恶劣,混入顶板矸石很难避免。排除粒度50mm以上的原煤中的矸石,是洗选煤的第一步骤,也称为原煤入洗准备或初选,因为集中处理块原煤中的矸石工艺方法相对简单,而且可以直接排除60%以上矸石量,所以在井下实施块煤排矸,在技术层面上具有可行性,同时也具有显著的经济和社会效益。德国KHD公司最早提出了在井下利用液压动筛跳汰方法进行块煤排矸（原煤入洗准备）,国内于2009年由本人带领团队成功地山东新汶矿业集团协庄矿实施了以机械动筛跳汰机为主洗设备进行煤矸分选,近年来探索了多种井下矸石分选工艺,但由于井下工况条件相比地面更加复杂多样和存在诸多限制,想要成功在井下实施矸石分选,还需要解决诸多理论和技术方面的问题。本文在总结了目前煤矿井下排矸工艺的基础上,重新设计了井下机械式动筛跳汰机结构,开发了新型控制方法,并在工程验证中证明设备更简单可靠,分选效果显著提高,完善了以井下机械动筛跳汰机为核心设备的井下原煤初选系统,具有工程应用价值和推广意义。该系统包括原煤筛分、破碎运输、动筛跳汰分选、煤泥水循环处理等子系统。结合河北开滦矿业集团唐山煤业分公司矿井实际产能和产品质量要求,基于原煤筛分浮沉报告等数据,设计了原煤井下排矸系统工艺和系统各主要参数,并成功完成了井下工程验证。机械式动筛跳汰机在分选效果上已属成熟设备,但由于一直缺乏动筛跳汰理论方面的研究,尤其是缺少针对动筛体运动特性的优化方法,所以在结构上仍有较大的改进空间。动筛跳汰的一些基本运动学参数仍是从实践而来,传统科学研究和理论无法从复杂的液体和固体相互作用中描述和优化相关参数;从地面应用经验总结分析,动筛跳汰机的体积庞大、土建工程量大,安装过程复杂,精度不易保证。尤其是现有提升分选物料的机构庞大复杂,无法在煤矿井下安装运输和使用。因此,研发能够适应井下运输、安装和使用维护的洗（分）选设备,并在现有设备和相关经验基础上通过现代设计优化方法进行创新,是本论文的主要研究内容之一。通过对主驱动机构、箱体、提料排料等机构的改进设计和参数优化,有效解决了上述问题,并进一步优化了整机性能和可靠性。同时,通过对核心运动机构的运动学仿真,得到了动筛体的重要运动参数。在ADAMS软件中,以动筛体的急回特性为目标函数,施加了约束,优化结果有效提高了动筛的分层效率。跳汰过程受到很多因素影响,是一个非常复杂的液固两相流动态过程。由于分层机理复杂,有很多变量同时作用,相互藕合影响。目前还不具备动筛分层状态的检测技术,同时存在环境干扰等不确定因素,生产工艺操作控制参数与系统所要求之间难以用传统的模型描述,基于精确数学模型的经典控制方法还无法准确描述跳汰机分层过程。在动筛跳汰分选过程中,除了保证动筛跳汰机的分层效果,精确控制矸石的排出量,保持矸石床层厚度的稳定,是使分层后的矸石和煤正确分流的保证,对于提高系统分选精度和处理能力具有至关重要作用。传统动筛跳汰机是通过各种传感数据反馈判断矸石床层厚度变化,依据特定的线性模型控制排矸马达转速,以实现自动排矸,但这种控制方式存在响应速度慢等缺点。针对井下动筛跳汰机分选控制系统非线性、时变不确定性和纯滞后特点,提出了一种模糊逻辑组合控制方法,实现了排矸电动机转速的模糊逻辑控制。经过在唐山矿工业性试验,得到三种工况下动筛内矸石量及排矸电机频率输出曲线变化规律,结果表明,在模糊逻辑控制系统下,入料发生突发或大幅波动时动筛体内床层能快速趋于稳定,有效解决了动筛跳汰洗煤过程非线性、时变性、滞后性数学模型难以确定等问题,达到了预期排矸目标,煤矸分选效率有较大提高,达到较理想排矸效果。以唐山矿井下原煤初选系统为背景,在分析该矿煤质、生产和运输等条件的基础上,进行了井下原煤初选系统工艺流程和系统布置设计,历经近一年半时间设备研制,井巷工程施工、安装调试等工作,顺利开展了井下工业性试验并投入生产运行。该项目采用集中控制系统,包括安全检测系统和生产监控系统,提高了自动化控制水平。经抽取原煤初选系统处理后的产物进行检验分析表明,该系统有效地实施了 50mm以上粒度块煤与矸石分离,相应灰分指标符合煤与矸石浮沉特性,系统运行参数均达到设计目标,有效验证了本文理论研究的正确性。目前,唐山矿井下原煤排矸系统仍在正常运行,成为矿井必要生产环节。该系统投入应用以来,每年节省提升运输和充填等综合费用而创造的净利润达1 165万元;节省地面重介选煤费用约500万元;同时减少了地面矸石流转处理和排放60%以上,为企业创造巨大的经济效益和社会效益。煤矿绿色开采是我国煤矿发展的必然方向,井下原煤排矸和初选技术是实现煤矿绿色开采的关键技术途径之一。通过对井下动筛跳汰选煤工艺和以井下机械动筛跳汰机为核心处理设备的井下原煤初选系统的理论和应用研究,为实现井工煤矿绿色可持续发展拓展了基础且做出了重要贡献。
关键词：绿色开采;井下;动筛跳汰;原煤初选;排矸
学科专业：机械设计及理论
摘要
Abstract
1 引言
1.1 论文研究背景及意义
1.2 井下原煤初选系统的发展及研究现状
1.2.1 国内外井下原煤初选系统的发展现状
1.2.2 井下原煤初选系统的工作原理
1.2.3 我国井下原煤初选系统的主要方法
1.3 论文的主要研究内容
1.4 本章小结
2 井下原煤初选系统关键设备设计及机构优化
2.1 动筛跳汰技术概述
2.2 井下机械动筛跳汰机主要参数设计
2.2.1 入料粒度的选择与设计
2.2.2 处理量与筛面面积设计
2.2.3 井下动筛跳汰机整体尺寸设计
2.3 跳汰机主要结构设计
2.3.1 组合箱体设计
2.3.2 动筛体设计
2.3.3 驱动机构设计及机构优化
2.3.4 排矸机构改进设计
2.3.5 提料机构设计
2.4 本章小结
3 跳汰机的运动学分析优化及关键部件有限元分析
3.1 动筛机构主要参数确定
3.2 动筛机构的运动学仿真
3.3 动筛机构的优化设计
3.3.1 主驱动机构建模
3.3.2 参数化建模
3.3.3 参数优化设计
3.4 动筛机构的模态和动载荷分析
3.4.1 动筛机构的模态分析
3.4.2 动筛体的动载荷分析
3.5 本章小结
4 机械动筛跳汰机模糊逻辑控制
4.1 动筛跳汰机自动排矸原理和控制系统
4.1.1 跳汰机自动排矸原理
4.1.2 跳汰机控制系统现状
4.2 模糊逻辑控制的实现
4.2.1 逻辑线性控制
4.2.2 模糊控制
4.2.3 模糊逻辑控制输出
4.2.4 PLC控制系统设计
4.3 实验及结果分析
4.4 本章小结
5 井下原煤初选系统的工业性试验
5.1 试验概况
5.1.1 项目实施背景
5.1.2 主要改造方案
5.1.3 排矸分选系统的工艺布置
5.2 试验方案设计
5.2.1 煤质特征分析
5.2.2 原煤初选系统工艺流程设计
5.2.3 洗选设备选型
5.2.4 系统总平面及工艺布置
5.2.5 供配电系统
5.2.6 其它辅助系统
5.3 系统运行效益
5.3.1 系统井下运行情况
5.3.2 经济效益
5.3.3 社会效益
5.4 本章小结
6 结论与展望
6.1 结论
6.2 创新点
6.3 展望
参考文献
致谢