太仓武港码头有限公司  裴文华

 

 

摘要：针对皮带机在特殊矿种作业中存在的料斗堵塞、皮带回程带料等制约生产的关键问题，以太仓武港码头为研究对象，通过实验分析、技术研发与工程实践，研发了料斗滴水装置、档位式弹簧清扫器及专用刮板机的创新组合应用方案。研究通过测定不同含水量矿料与金属板材的摩擦系数，建立数学模型并确定滴水装置的设计与运行参数；通过凸轮调节原理设计档位式弹簧清扫器，实现清扫预紧力的按需切换；通过理论计算与结构设计研发刮板机，实现落料的自动化回收。应用结果表明，该创新组合方案显著降低了料斗堵塞频次，减少了皮带磨损与货损，大幅提升了皮带机货运效率与质量，创造了显著的经济与社会效益，为港口散货运输皮带机的技术升级提供了实用参考。

关键词：皮带机；货运质量；料斗堵塞；清扫器；刮板机；摩擦系数

0 引言

港口散货运输中，皮带机是核心的物料输送设备，其运行稳定性直接决定货运效率与质量。太仓武港码头在 2016 年作业过程中，进场线因巴西精粉、智利精粉等含水量大、黏性高的特殊矿种作业，全年发生料斗堵塞 44 次，影响卸船时间 105.41 小时；同时原装配重清扫器因预紧力不足，出现头部回程带料现象，不仅加剧皮带磨损、缩短设备使用寿命，还造成矿料损耗、港容机况受损，人工清理的安全风险与工作负担也显著增加。2016 年底皮带机额定流量从 4200t/h 提升至 5000t/h 后，料斗堵塞风险进一步加剧，特殊矿种作业成为制约码头生产发展的瓶颈。

为解决上述问题，项目团队组建专项研发小组，通过现场调研、原因分析、实验测试与技术研发，针对性开发了料斗滴水装置、档位式弹簧清扫器和专用刮板机，形成了提升皮带机货运质量的创新组合应用技术。该技术从料斗防堵、皮带清扫、落料回收三个核心环节切入，实现了皮带机作业流程的优化升级，有效解决了特殊矿种作业的技术难题，为同类港口皮带机的技术改造提供了可复制、可推广的实践经验。

1 问题分析与研究思路

1.1 核心问题成因分析

项目团队通过现场跟踪与机理分析，明确了皮带机货运质量问题的两大核心成因：

1.料斗堵塞成因：特殊矿种因含水量高、黏性大，极易附着在料斗壁上，在持续作业过程中，料斗壁积料不断增加，料斗口逐渐缩小，最终引发堵塞。其本质是矿料与料斗壁之间的摩擦系数过大，导致物料流动性显著下降。

2.皮带回程带料成因：特殊矿种的高附着力使原装配重清扫器无法提供持续增加的预紧力，清扫器易被物料冲击外翻，无法有效清除皮带表面的黏附矿料，进而形成头部回程带料。带料堆积不仅加剧皮带磨损，落料还难以人工回收，造成货损与现场管理难题。

上述问题均会导致皮带机输送流程瘫痪，且人工处理存在效率低、安全风险高等问题，亟需通过技术手段从根源上解决。

1.2 研究思路

针对料斗堵塞与皮带回程带料的核心成因，项目团队确定了 “实验分析定参数、技术研发解难题、组合应用提效能” 的研究思路：

1.开展矿料摩擦特性实验，测定不同含水量矿料与金属板材的摩擦系数，建立数学模型，为料斗防堵技术研发提供理论依据；

2.基于摩擦系数规律，研发料斗滴水装置，通过调节矿料与料斗壁接触部位的局部含水量，降低摩擦系数，解决料斗堵塞问题；

3.针对清扫器预紧力不足问题，在现有设备基础上研发档位式弹簧清扫器，实现清扫预紧力的档位调节，适配普通矿与特殊矿的不同清扫需求；

4.研发专用刮板机，安装于头部料斗下方，实现皮带回程落料的自动化回收，减少货损与人工清理成本；

5.将三种研发设备组合应用，形成从料斗防堵、皮带清扫到落料回收的全流程解决方案，实现皮带机货运质量的整体提升。

2 实验测试与数学模型建立

为确定料斗防堵的关键技术参数，项目团队以 PB 粉（普通矿）、巴西精粉（特殊矿）为实验对象，开展不同含水量矿料的流动性实验，测定矿料与钢板、耐磨板的摩擦系数，建立摩擦系数与含水量的数学模型。

2.1 实验设计

实验通过可调挡板支架模拟料斗壁，将不同含水量的矿料置于挡板上，缓慢调节挡板水平倾角，记录矿料开始滑落时的倾角，通过倾角换算得到矿料与板材的摩擦系数（摩擦系数 = tanα，α 为滑落倾角）。实验过程中，通过烘干、加水方式改变矿料含水量，覆盖 0%~20% 的含水量范围，分别测定 PB 粉、巴西精粉在钢板、耐磨板上的摩擦系数变化规律。

2.2 实验结果

实验结果表明，矿料摩擦系数与含水量呈非线性关系：含水量从 0 开始增加时，摩擦系数逐渐上升，达到峰值后，随含水量继续增加而快速下降，最终趋向于 0。其中，特殊矿种巴西精粉的摩擦系数峰值显著高于普通矿种 PB 粉，且在相同含水量下，耐磨板的摩擦系数高于钢板，与现场料斗壁的实际摩擦特性一致。

以 PB 粉为例，含水量 0% 时，其在钢板、耐磨板上的摩擦系数分别为 0.445、0.531；含水量 10.5% 时达到峰值，摩擦系数分别升至 0.795、0.869；含水量 20% 时，摩擦系数大幅降至 0.056。巴西精粉含水量 9.7% 时摩擦系数达峰值，钢板上为 0.869、耐磨板上达 1.149，含水量 20% 时耐磨板上摩擦系数降至 0.011，验证了含水量对矿料摩擦特性的显著影响。

2.3 数学模型构建

根据实验曲线特征，结合含水量 0≤x<1、摩擦系数 y>0 的边界条件，确定摩擦系数与含水量的函数表达式为y=ep(−ln(1−x))，其中 p 为 4 次多项式。通过取 5 个典型实验数据点，计算Zi​=−ln(1−xi​)，采用插值法求解多项式系数，分别建立 PB 粉、巴西精粉的摩擦系数与含水量数学模型：

PB 粉：y=e1266.2ln(1−x)−0.63

该数学模型为料斗滴水装置的滴水量设计提供了精准的理论依据，实现了滴水量与矿料含水量的精准匹配。

3 核心技术研发

基于实验结果与数学模型，项目团队围绕料斗防堵、皮带清扫、落料回收三大核心环节，开展了料斗滴水装置、档位式弹簧清扫器、专用刮板机的研发设计与工程实现。

3.1 料斗滴水装置研发

3.1.1 方案确定

实验表明，降低矿料与料斗壁摩擦系数的方式有两种：烘干矿料使含水量接近 0，或增加矿料局部含水量。考虑到烘干方案投资大、技术不成熟，项目团队确定采用料斗加装滴水装置的方案，通过在料斗壁局部滴水，增加矿料与料斗壁接触部位的含水量，使摩擦系数降至合理范围，同时通过精准控制滴水量，保证矿料整体含水量基本不变。

3.1.2 结构设计

滴水装置的核心设计要点为管路布置、开孔参数与流量控制：

1.管路布置：管路布置于料斗上方矿料接触不到的位置，距料斗壁 50mm 左右，采用三面布置方式，管路开孔向下，使水流沿料斗壁自然下落，覆盖矿料流经的全部料斗壁区域；

2.开孔参数：经现场测试，确定开孔直径 2~3mm，孔间距 3cm，实现滴水对料斗壁的最大面积覆盖；

3.流量控制：采用电磁阀与节流阀串联的方式，实现滴水量的三档控制，根据矿种分类设置对应流量开关，现场操作简便。

料斗滴水管路布置示意图

3.1.3 运行参数确定

结合实验结果、数学模型与现场效果测试，根据矿种含水量与黏性，将矿料分为四类，确定对应的滴水流量：

1.PB 块等块矿（含水量 < 2%）：0m³/h；

2.普通矿（如 PB 粉，含水量 2%~8%）：1m³/h；

3.低含水量特殊矿（如巴西精粉，含水量 5%~8%）：1.5m³/h；

4.高含水量特殊矿（如智利精粉，含水量 > 8%）：2m³/h。

矿种级别	含水量	所需水流量
PB块等块矿	2%以下	0m3/h
含水量不高的普通矿（如PB粉）	2-8%	1 m3/h
含水量不高的特殊矿（如巴西精粉）	5-8%	1.5m3/h
含水量较高的特殊矿（智利精粉等）	8%以上	2m3/h

 

按最高滴水量 2m³/h 计算，单料斗每小时加水 2t，皮带机最长流程经 8 个料斗，物料整体含水量仅增加 0.32%，对矿料整体特性无显著影响，实现了 “局部调湿、整体稳定” 的设计目标。

3.2 档位式弹簧清扫器研发

为解决原装清扫器预紧力不足、无法适配不同矿种清扫需求的问题，项目团队在现有清扫器基础上，研发了档位式弹簧清扫器，通过凸轮调节弹簧行程，实现清扫预紧力的按需切换。

3.2.1 结构设计

清扫器核心采用凸轮调节原理，主要由凸轮调节手柄、传动臂、伸缩调节杆、弹簧底座、清扫器支架等部件组成，设置空挡、一档、二档三个档位，各档位功能明确：

1.空挡：用于更换清扫器刮片及刮片磨损补偿，为设备维护调节位置；

2.一档：适用于普通矿种作业，提供低压紧力，在满足清扫需求的同时，降低清扫器与皮带的磨损；

3.二档：适用于特殊矿种作业，提供高压紧力，有效清除皮带表面黏附的高黏性矿料，解决回程带料问题。

3.2.2 性能参数确定

通过现场测试不同矿种清扫干净所需的最小预紧力，确定清扫器的关键性能参数：

1.弹簧安装角度为 45°，兼顾清扫效果与设备稳定性；

2.一档弹簧压紧力 100N，适配普通矿种（如 PB 粉）清扫；

3.二档弹簧压紧力 300N，适配特殊矿种（如巴西精粉）清扫；

4.弹簧弹性系数设计为 10N/mm，匹配凸轮行程限制。

同时，在清扫器上设置磨损提示刻度线，当刮片磨损超出刻度线时，可通过空挡进行补偿调节，保证清扫效果的持续性。

3.2.3 技术创新与成果

该档位式弹簧清扫器实现了清扫预紧力的便捷切换，解决了特殊矿种清扫难题，其核心创新点包括：

1.设计了可按需切换弹簧压紧力的档位式结构，适配不同矿种清扫需求；

2.采用凸轮实现档位的快速切换，操作简便、调节精准；

3.设置刮片磨损提示标记，便于及时维护，保证清扫效果；

3.3 专用刮板机研发

针对特殊矿种回程面带料无法完全避免的问题，项目团队研发了专用刮板机，安装于头部料斗下方，实现落料的自动化回收，减少货损与停机清理时间。

3.3.1 设计依据与计算

刮板机以无端循环的刮板链条为牵引构件，在敞开料槽内实现散粒物料的连续输送。结合现场工况，通过理论计算确定刮板机的核心设计参数，包括输送能力、运行阻力、链条张力、电机功率、轴径等，确保设备满足现场落料回收需求。

1.输送能力：根据公式Q=3600B⋅h⋅r⋅v⋅η计算，取槽宽 B=1500mm、槽高 h=105mm、物料容重 r=1.5t/m³、刮板链速度 v=0.164m/s、输送效率 η=0.75，得出输送能力 Q=105t/h，满足现场落料回收需求；

2.运行阻力：通过计算有载分支、无载分支基本运行阻力，得出总运行阻力 W=20.3KN；

3.电机功率：经计算满载运行电机功率需 4.7KW，选用 Y132S-4 型号电动机（功率 5.5Kw），预留备用系数；

4.轴强度校验：主动轴选用 45# 钢，考虑 1.5 倍安全系数，轴直径设计为 115mm；从动轴直径设计为 49mm，满足强度要求；

5.链条伸长量：计算得出 20.4m 刮板链条的预紧伸长量为 0.019m，确保链条运行的稳定性。

3.3.2 功能与创新

研发的刮板机与皮带机联动运行，皮带启动时刮板机自动启动，回程带料落至刮板机回收槽后，由刮板链条输送回头部料斗，其核心创新与优势包括：

1.实现了落料的自动化、连续化回收，解决了长期存在的落料回收难题，减少矿料损耗；

2.无需停机冲洗清理，提升了皮带机流程利用率；

3.支持远程与机侧双重操作，自动化程度高，降低人工干预；

4.有效改善了港容港貌与机容机况，减少现场管理成本。

4 创新组合应用效果分析

将料斗滴水装置、档位式弹簧清扫器、专用刮板机进行组合应用，形成从料斗防堵、皮带清扫到落料回收的全流程解决方案，在太仓武港码头进场线皮带机上实施改造后，取得了显著的应用效果，从故障频次、经济效益、社会效益三个维度实现了皮带机货运质量的大幅提升。

4.1 设备运行效果

改造后，皮带机在特殊矿种作业中的核心问题得到根本性解决：

1.料斗堵塞频次大幅降低，2019 年全年进场线仅发生料斗堵塞 4 次，故障时间从 2016 年的 105.41 小时降至 12.25 小时，故障时长减少 93.16 小时，料斗防堵效果显著；

2.档位式弹簧清扫器有效解决了回程带料问题，皮带磨损程度大幅降低，设备使用寿命延长，现场落料现象基本消除；

3.刮板机实现了落料的 100% 自动化回收，彻底解决了落料人工清理难题，清理人员的工作负担与安全风险显著降低。

4.2 经济效益

创新组合应用方案的实施，为码头创造了显著的直接与间接经济效益：

1.直接经济效益：全年节省堵料人工清理费用约 19.86 万元；减少堵料引起的矿种损耗 560 吨，折合经济损失 28 万元，直接经济效益累计约 47.86 万元；

2.间接经济效益：设备故障时间减少，皮带机运行效率提升，设备维护成本降低，同时减少了因设备故障导致的生产延误损失，提升了码头整体运营效率。

4.3 社会效益

该创新组合应用方案的实施，不仅提升了码头的生产能力，还带来了显著的社会效益：

1.故障时间减少 93.16 小时，按皮带机额定流量 5000t/h 计算，全年可增加卸船量 20 多万吨，大幅提升了特殊矿种的生产效率与货运质量；

2.落料回收与现场清理难题的解决，显著改善了港口作业环境，提升了港容港貌与企业形象；

3.技术研发成果为同类港口散货运输皮带机的技术改造提供了实用参考，推动了港口物流装备的技术升级与创新发展；

4.货运效率与质量的提升，有效缩短了船舶靠港时间，提高了客户满意度，增强了码头的市场竞争力。

5 创新点总结

本次皮带机货运质量提升的创新组合应用研究与实践，形成了三项核心技术成果，其整体创新点体现在理论创新、技术创新、应用创新三个层面：

1.料斗滴水装置的创新：首次通过实验测定铁矿石矿料与金属板材的摩擦系数，建立摩擦系数与含水量的数学模型，为料斗防堵提供理论支撑；通过局部滴水调节摩擦系数，实现料斗防堵的精准控制；采用电磁阀与节流阀实现流量档位控制，操作简便、实用性强。

2.档位式弹簧清扫器的创新：设计了凸轮调节的档位式预紧力结构，实现了清扫器的矿种适配性切换；设置磨损提示刻度线，提升了设备维护的便捷性；该技术获得实用新型专利，具备技术推广价值。

3.刮板机的创新：结合港口皮带机现场工况，研发了专用落料回收刮板机，实现了落料的自动化、联动化回收，解决了行业内长期存在的落料回收难题；支持远程与机侧操作，自动化程度高。

4.组合应用的创新：从料斗防堵、皮带清扫、落料回收三个核心环节切入，形成全流程创新组合方案，实现了 “防堵 - 清扫 - 回收” 的闭环管理，相较于单一技术改造，提升了皮带机整体运行稳定性与货运质量。

6 结论与展望

6.1 研究结论

针对港口皮带机在特殊矿种作业中存在的料斗堵塞、皮带回程带料等关键问题，通过实验分析、技术研发与工程实践，研发的料斗滴水装置、档位式弹簧清扫器、专用刮板机创新组合应用方案，实现了皮带机货运质量的显著提升，主要结论如下：

1.矿料与金属板材的摩擦系数随含水量呈非线性变化，通过局部滴水调节矿料含水量，可有效降低摩擦系数，从根源上解决料斗堵塞问题，且精准控制滴水量可保证矿料整体特性稳定；

2.档位式弹簧清扫器通过凸轮调节实现预紧力档位切换，可适配普通矿与特殊矿的不同清扫需求，有效解决回程带料问题，延长皮带与清扫器使用寿命；

3.专用刮板机实现了落料的自动化回收，减少了货损与停机清理时间，提升了皮带机流程利用率；

4.创新组合方案的应用，使料斗堵塞故障时间减少 93.16 小时，创造了显著的经济与社会效益，为皮带机技术改造提供了成套的解决方案。

6.2 未来展望

本次研究与实践为港口皮带机货运质量提升提供了实用技术方案，未来可从以下方面进一步优化与推广：

1.智能化升级：结合物联网、传感器技术，实现料斗滴水装置滴水量的自动调节，根据矿料含水量实时监测数据精准控制流量；实现清扫器磨损状态的在线监测，及时提醒维护，提升设备智能化水平；

2.技术推广：将该创新组合应用方案推广至其他港口、矿山等散货运输领域的皮带机系统，根据不同工况优化设备参数，扩大技术应用范围；

3.多矿种适配：进一步开展不同矿种（如煤炭、砂石等）的摩擦特性实验，完善摩擦系数数学模型，使滴水装置与清扫器适配更多矿种作业需求；

4.设备集成优化：对料斗滴水装置、档位式弹簧清扫器、刮板机进行集成化设计，减少设备占用空间，提升设备联动运行的协调性与稳定性。

皮带机作为散货运输的核心设备，其运行质量的提升对物流行业发展具有重要意义。本次研发的创新组合应用方案，为皮带机的技术升级提供了实践参考，未来通过智能化、集成化优化，将进一步提升皮带机的运行效率与可靠性，推动散货运输行业的高质量发展。