一种大型双腔箕斗的设计方法和双腔箕斗

摘要

本发明涉及一种大型双腔箕斗的设计方法和双腔箕斗，所述的箕斗包括：框架，所述的框架中设有斗箱，所述的斗箱的下部连接溜槽，所述溜槽上设有扇形闸门，所述的斗箱的水平截面形状为矩形，所述矩形的长边与短边之比等于或者接近等于2，在所述矩形的两个相对的长边的中点设置隔板，所述隔板的上缘到斗箱上缘的距离为斗箱高度的0.5至0.6之间；所述隔板的下缘到斗箱下缘的距离为2—5倍的最大物料颗粒的外形尺寸。按照本发明所述设计方法设计的大型双腔箕斗由于使用了隔板，斗箱壁的强度大大增加，减少了外围加强筋，使整个斗箱的重量明显减小。大型双腔箕斗设计结构合理，在运行过程中不再出现“涨肚”现象，保证了安全可靠运行。

说明书

技术领域

本发明涉及一种大型双腔箕斗的设计方法和双腔箕斗，是一种矿山机械设备的设计方法和设备，是一种用于矿井中立井提升物料的升降设备的设计方法和设备，是一种容量大于50吨的大型箕斗的设计方法。

背景技术

随着现代化大型矿井不断的增加，矿用箕斗也向大型化方向发展。现有的箕斗一般容量在45吨以下，要设计超过50吨的大型箕斗还有许多技术上的困难，例如箕斗的“涨肚”问题，箕斗的容量越大则这个问题越严重。目前矿井使用的传统箕斗多为单腔，斗箱水平截面形状均是长方形。设计大型箕斗的斗箱结构，关键是要了解大型箕斗斗箱壁的应力状况，由于斗箱属于复杂形状的壳体，用纯理论的方法分析其应力状态，在目前的理论水平上还没能得到理想的效果。采用实验分析方法，在现场进行所需的实验很困难。因此，一般不进行斗箱的强度计算，只凭经验选取材料。对于在运行中出现“涨肚”的箕斗，一般依赖外围附加加强筋进行结构加强，这也只是事后采取的补救措施，但这个补救措施增加了箕斗重量。然而，箕斗本身的重量是设计整个物料提升机系统的重要参数，物料提升机系统的其他设计参数多数由这个参数确定，这个参数的修改将直接影响到整个提升机系统的设计。由于设计时无法较精确的确定加强筋的重量，也就无法十分确定箕斗的重量以及提升力的计算等重要参数，只能以增大安全系数冗余的方式确定这些重要参数，致使整个提升机系统冗余过渡，增加了提升机系统的制造成本和运行成本。事后增加加强筋的方式没有从根本上解决问题，反而使提升机系统的成本增加过多。为增加大型箕斗的斗箱壁强度，有人提出使用隔板加强斗箱壁强度的方式。但由于隔板的设置没有理论支持，隔板的尺寸设置比较随意，致使增加隔板的斗箱在使用过程中产生许多新的问题，例如：装载不均匀、出料不通畅，隔板本身产生“涨肚”现象等。由于这些问题的出现使多数斗箱设计者不敢使用隔板加强斗箱壁的强度。

发明内容

为了克服现有技术的问题，本发明提出了一种大型双腔箕斗的设计方法和双腔箕斗。所述的设计方法，根据所述的方法设计的矩形斗箱在中间设置了隔板，使斗箱形成双腔，解决了超过50吨容量的大型箕斗的斗箱结构稳定性问题，使大型箕斗在运行中不再出现“涨肚”现象，保证大型箕斗安全可靠运行。

本发明的目的是这样实现的：一种大型双腔箕斗的设计方法，所述方法的设计步骤如下：

确定箕斗的斗箱水平截面形状的步骤：用于将斗箱的水平截面形状确定为矩形，使所述矩形的长边与短边之比等于或者接近于2；

设置隔板的步骤：用于在矩形截面的两个相对的长边的中点设置隔板，使斗箱的截面形状被隔板分割为两个正方形或两个接近正方形的矩形，形成双腔；

确定隔板垂直高度尺寸的步骤：用于确定隔板上缘与斗箱上缘的距离，以及隔板下缘与斗箱下缘的距离，以确定隔板的高度；

所述隔板的上、下缘与斗箱上、下缘的距离通过以下子步骤计算：

利用公式计算在没有隔板情况下的物料对斗箱壁的压力并绘制压力分布曲线图：

垂直压力：                                                ，

水平压力：，

其中：

γ——物料的容重，单位为每立方米牛顿；

f——物料与箕斗壁面的摩擦系数；

R——箕斗截面水力半径，当截面形状为矩形时，，其中A和B分别为水平截面为矩形的箕斗截面的长和宽，单位为米；

K——侧压系数，K=tg(45°- φ/2)²，φ为物料的内摩擦角；

h——箕斗装载口至所计算截面的距离，单位为米，这个距离可以认为是计算截面到斗箱上缘的距离；

根据物料对斗箱壁的压力分布曲线，找到斗箱壁所受物料压力增大速度变缓的区域；

根据物料进入斗箱时的散落情况，分析隔板上缘在压力增大速度变缓的区域什么位置上，可以使物料不受干扰的均匀进入被隔板隔开的双腔中，以确定隔板上缘到斗箱上缘的垂直距离；

将物料的最大粒径值乘以2至5的倍数，即为隔板下缘到斗箱下缘的垂直距离；

将斗箱的高度减去隔板上缘到斗箱上缘的垂直距离，再减去隔板下缘到斗箱下缘的垂直距离，即得到隔板的垂直高度尺寸；

确定隔板厚度的步骤：用于通过强度校核计算隔板的最小许用厚度。

一种根据上述设计方法设计的双腔箕斗，所述的箕斗包括：框架，所述的框架中设有斗箱，所述的斗箱的下部连接溜槽，所述溜槽上设有扇形闸门，所述的斗箱的水平截面形状为矩形，所述矩形的长边与短边之比等于或者接近等于2，在所述矩形的两个相对的长边的中点设置隔板，所述隔板的上缘到斗箱上缘的距离为斗箱高度的0.5至0.6之间；所述隔板的下缘到斗箱下缘的距离为2—5倍的物料最大粒径值。

本发明产生的有益效果是：本发明所述的设计方法将圆形深仓的分析方式变换为矩形仓的分析，先对斗箱壁进行受力分析，找到受力大的区域，在受力大的区域设立隔板，同时分析隔板上、下缘对物料出入斗箱的影响，尽量减小隔板对物料进出斗箱的影响。增加的隔板有力的加强了斗箱壁的强度，在设计阶段彻底解决了斗箱的涨肚问题，使斗箱的重量成为一个比较确定的参数，减小了过多的安全系数冗余，保证了整个提升机系统的设计在十分坚实的基础上，降低了升降机系统的制造和运营成本。按照本发明所述设计方法设计的大型双腔箕斗由于使用了隔板，斗箱壁的强度大大增加，减少了外围加强筋，使整个斗箱的重量明显减小。所述的隔板设计结构合理，可以使物料顺畅的出入箕斗，设计容量可以超过50吨，在运行过程中不再出现“涨肚”现象，保证了安全可靠运行。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1是本发明的实施例一所述的箕斗竖直截面形状即斗箱壁所受水平和垂直压力的示意图；

图2是本发明的实施例一所述斗箱的水平截面形状示意图，是图1中的A-A向剖面图；

图3是本发明的实施例一所述斗箱壁所受到的垂直压力分布曲线图；

图4是本发明的实施例一所述斗箱壁所受到的水平压力分布曲线图；

图5是本发明的实施例一所述物料进入斗箱的流态示意图；

图6是本发明实施例二所述隔板为一排拉筋的示意图，是图1中B向视图；

图7是本发明实施例三所述大型双腔箕斗的结构示意图；

图8是本发明实施例三所述实例中的有隔板与没有隔板的斗箱壁所受水平压力的曲线比较；

图9是本发明实施例三所述实例中的有隔板与没有隔板的斗箱壁所受垂直压力的曲线比较。

具体实施方式

实施例一：

本实施例是一种大型双腔箕斗的设计方法。应当说明的是本实施例所述的方法针对立井箕斗，所以在描述过程中箕斗的斗箱始终是竖直的，是一种水平截面形状为矩形、竖直截面形状也为矩形箱体。并且竖直截面的矩形的长边和短边之比即斗箱的高度和水平宽度之比的比值较大，是一个长条形的矩形，专业上称为深仓结构。图1所示的是这种深仓结构的竖直截面形状示意图，图1中的竖直截面平行于水平平面中斗箱矩形的长边。

本实施例所述的方法，是箕斗设计中隔板分析和设计的要点，具体箕斗设计的过程还有许多其他细节，例如溜槽的设计、扇形闸门的设计、水平加强筋的设置等等，本实施例不再一一描述。所述方法的设计步骤如下：

确定箕斗的斗箱水平截面形状的步骤：用于将斗箱的水平截面形状确定为矩形，使所述矩形的长边与短边之比等于或者接近于二分之一。即将斗箱的水平截面形状确定为两个合并在一起的正方形或接近正方形，如图2所示。通常情况下，箕斗的水平截面形状都设计为矩形，但一般不太注意将矩形的形状确定为两个合并的正方形。本实施例为分析和设计方便的目的，将水平截面形状为矩形的斗箱确定为两个合并的正方形。

设置隔板的步骤：用于在矩形截面的两个相对的长边的中点设置隔板，使斗箱的截面形状被隔板分割为两个正方形或两个接近正方形的矩形，形成双腔。设置隔板相当于在正方形的中点设置拉筋，也就相当于将一个矩形割为两个正方形。拉筋对于提高矩形两个相对长边的强度是非常有用的。

确定隔板垂直高度尺寸的步骤：用于确定隔板上缘401与斗箱上缘201的距离，以及隔板下缘402与斗箱下缘202的距离，以确定隔板的高度。隔板相当于拉筋，拉筋如果从上到下一直延续，可以极大的提高斗箱两侧长边壁板的强度，但是这样设计的隔板对物料装卸载十分不利，因此，不能设计从上到下的隔板，必须经过分析确定隔板的大小和位置。

所述隔板的上、下缘与斗箱上、下缘的距离通过以下子步骤计算：

利用公式计算在没有隔板情况下的物料对斗箱壁的压力并绘制压力分布曲线图。利用Janssen公式计算物料对斗箱壁所受载荷，可以将物料对斗箱壁的压力分为水平压力P_x和垂直压力P_y两个方向的分力：

垂直压力：，

水平压力：。

其中：

γ——物料的容重，单位为N/m³（每立方米牛顿）。

f——物料与箕斗壁面的摩擦系数。

R——箕斗截面水力半径，当截面形状为矩形时，，其中A和B分别为箕斗截面的长和宽，单位为m（米）。本公式原为圆形深仓的受力计算公式，利用这样的变换，将矩形截面的深仓等效为圆形截面的深仓，以此获得矩形仓各壁面所受压力载荷。在保证矩形仓截面尺寸不变的条件下，将矩形长度方向划分为等距离的2段，可形成2个A/2×B的截面，此时每个截面的R值变化最大，各个壁面所受压力可有效降低。当A/2与B相等或接近相等时，各个壁面受载更加均匀，因此，本实施例采用斗箱的水平截面形状为正方形或接近正方形的双腔。

K——侧压系数，K=tg(45°- φ/2)²，φ为物料的内摩擦角。

h——箕斗装载口至所计算截面的距离，单位为m（米）。

所述的水平压力和垂直压力是物料对斗箱壁的压力在水平和垂直方向的分力。其合力是形成斗箱壁“涨肚”现象的主要作用力。

根据物料对斗箱壁的压力分布曲线，找到斗箱壁所受物料压力增大速度变缓的区域。图1显示了水平压力和垂直压力的位置，图3、4分别是垂直压力P_y和水平压力P_x随高度变化的压力分布曲线示意图。由图中可以观察到，斗箱壁面所受载荷随h增大而逐渐增大，在h达到一定高度时，增大速度变缓，这两条曲线显示:斗箱壁“涨肚”问题通常发生在斗箱的中下部。在斗箱的下半部增加隔板形成双腔室结构，可有效提高斗箱壁的承载能力。经过本步骤后虽然可以大致确定隔板的位置在斗箱下半部。但这还不够，还必须对物料进入斗箱进行分析，以解决物料在进入斗箱过程中受到隔板干扰，不能均匀的分布在隔板两边的双腔中，造成物料装载不均匀的问题。

根据物料进入斗箱时的散落情况，分析隔板上缘在压力增大速度变缓的区域什么位置上，可以使物料不受干扰的均匀进入被隔板隔开的双腔中，以确定隔板上缘到斗箱上缘的垂直距离。图5是物料进入斗箱的下落状态，图中细实曲线所包括的部分表示的是相对集中物料流，虚线表示的是散落下落的物料流。从图中可以观察到：物料的入射角度θ、物料的进入高度等因素影响物料是否能够均匀的进入两个腔体中。本步骤可以利用离散元分析法进行物料流动性建模并进行物料装卸载仿真实验。首先确定物料装载时溜煤板的倾斜角度，再根据斗箱的高度和物料的质量、颗粒大小，以及物料颗粒的均匀程度等因素，设置模拟参数。在模拟过程中不断的变换物料的粒径大小、入射角度等要素，以确定的隔板上缘位置。上缘位置确定后，可以在模拟实验中增加隔板，观察隔板在物料装载时对物料散落的影响。由于计算机技术的进步，这种模拟实验十分方便，许多分析软件都可以做到。

将物料最大颗粒的尺寸乘以2至5的倍数，即为隔板下缘到斗箱下缘的垂直距离。本步骤是为了解决隔板对卸料的影响。本实施例所述的斗箱下缘指的是斗箱与卸料溜槽的连接处，不包括倾斜的溜槽部分，如图1所示。隔板对斗箱卸料的影响主要在于物料颗粒的大小，如果最大颗粒的物料在卸料时也可以顺畅的流出斗箱，则隔板没有影响，因此，物料的大小是确定隔板下缘到斗箱下缘的基本要素。一般选取隔板下缘到斗箱下缘的距离为2-5倍的物料最大颗粒外廓尺寸，对于煤炭来说，3倍的最大颗粒外廓尺寸为最佳。

将斗箱的高度减去隔板上缘到斗箱上缘的垂直距离，再减去隔板下缘到斗箱下缘的垂直距离，即得到隔板的垂直高度尺寸。由于斗箱的高度在事先已经确定，通过上述的计算也已经知道了隔板上缘到斗箱上缘的距离，以及隔板下缘到斗箱下缘的距离，只要做一下简单的计算就可以得到隔板的高度尺寸了。

为了减轻重量，同时改善物料在斗箱中的流动性，可以考虑将隔板在垂直方向上分为多段，成为从上到下一排拉筋。

确定隔板厚度的步骤：用于通过强度校核计算隔板的最小许用厚度。隔板高度尺寸确定后需要对隔板的厚度进行计算。隔板的许用厚度应当由隔板所受的物料作用力和隔板的稳定性进行校核，乘以适当的安全系数即可以得到。隔板可以看成一个简支梁，由此计算弯曲的绕度，同时梁的两端受到拉力，即还需要校核这个拉力。隔板的尺寸和厚度确定后，可以应用有限元进行分析，进一步对隔板的尺寸和厚度进行分析，并根据分析结果调整隔板的尺寸和厚度。

实施例二：

本实施例是实施例一的改进，是实施例一关于“确定隔板垂直高度的步骤”的细化。本实施例所述的“确定隔板垂直高度的步骤”中，所述的隔板在垂直方向上分为多段，各个隔板之间的缝隙大于2倍的最大物料颗粒的外廓尺寸。

本实施例所述的隔板是一排拉筋403，如图6所示，拉筋之间的缝隙能够通过最大颗粒的物料，所述的物料颗粒的外廓尺寸是指物料颗粒的最大外廓尺寸。

实施例三：

本实施例是一种根据上述权利要求所述设计方法设计的大型双腔箕斗，如图7所示。本实施例所述的箕斗包括：框架1，所述的框架中设有斗箱2，所述的斗箱的下部连接溜槽3，所述溜槽上设有扇形闸门5，所述的斗箱的水平截面形状为矩形，所述矩形的长边与短边之比等于或者接近等于2，在所述矩形的两个相对的长边的中点设置隔板4，所述隔板的上缘到斗箱上缘的距离为斗箱高度的0.5到0.6之间。所述隔板的下缘到斗箱下缘的距离为2—5倍的最大物料颗粒的外形尺寸。

本实施例所述的框架1是整个箕斗的骨架，将提升机的拉力传递到斗箱上。所述的斗箱2通过焊接或栓接固定在框架内。斗箱的竖直截面形状和水平截面形状均为矩形。但竖直截面的矩形的竖直边（即斗箱的高）与水平边的比值较大，是一个深仓结构。水平截面的矩形的长边与短边之比为二分之一或接近二分之一是为了在设置隔板后，使水平截面形状成为两个并排的正方形或接近正方形。斗箱由四块竖直的长条形侧壁板相互连接形成矩形柱子形状的箱体，上口敞开，直接接受物料，下口由溜槽和扇形闸门封住，形成斗形，以便承受物料。所述的溜槽类似于一个漏斗连接一段倾斜的滑槽，是物料可以毫无障碍的从斗箱中卸出。所述的扇形闸门3通过回转轴安装在溜槽下部或底面卸料口处两外侧。

斗箱外侧设置水平加强筋，溜槽上设置竖直加强筋。所述的隔板4通过焊接或栓接固定在斗箱内，将斗箱分隔为双腔，使每腔的横截面形状都是正方形，或者是接近正方形。隔板可以是一整块，也可以是中间带有缝隙，或者一排安装，形成多个隔板，各个隔板之间形成缝隙，方便物料在两腔之间流动。

增加本实施例所述的隔板后斗箱壁所受到的物料的压力明显减小。以50吨大型立井箕斗为例，斗箱截面尺寸为3370×1550mm，在箕斗满载状态下，载荷计算结果如图8、9所示，图8是无隔板01和有隔板02的水平压力曲线的比较，图9是无隔板03和有隔板04的垂直压力曲线比较。由图中可以看到，采用双腔室结构的箕斗壁所受垂直压力和水平压力要比没有安装隔板的单腔室箕斗减小22%。

实施例四：

本实施例是实施例三的改进，是实施例三关于隔板的细化。本实施例所述的隔板上有多道水平缺口，所述水平缺口的垂直宽度大于物料最大颗粒2倍的外形尺寸。

最后应说明的是，以上仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳布置方案对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案（比如设计步骤的前后顺序、斗箱的形状、隔板的安排等）进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围。