掘進機星輪裝載機構(gòu)的設(shè)計研究

韋汝勤

（中國平煤神馬能源化工集團有限責(zé)任公司，河南 平頂山 467000 ）

掘進機星輪裝載機構(gòu)的設(shè)計研究

韋汝勤

（中國平煤神馬能源化工集團有限責(zé)任公司，河南 平頂山 467000 ）

根據(jù)掘進機裝運機構(gòu)的特點和整機的工作性能，對星輪機構(gòu)進行了詳細的分析與研究：結(jié)合整機生產(chǎn)能力，確定星輪的尺寸和轉(zhuǎn)速，并得出刀型星輪的合理性；對于星輪裝載功率，在原有類比法的基礎(chǔ)上結(jié)合其工作原理，提出了系數(shù)計算法，結(jié)果更加精確，為以后的設(shè)計與改進提供理論依據(jù)。

掘進機；裝載機構(gòu)；星輪結(jié)構(gòu)；裝載功率

對于煤礦巷道的快速掘進，大多將研究重點放到提高截割能力和錨桿支護作業(yè)中，但應(yīng)注意的是，在提高生產(chǎn)能力的同時也應(yīng)相應(yīng)的提高裝載能力，以提高整機的生產(chǎn)能力。掘進機裝載機構(gòu)主要是星輪裝載，以往核算星輪裝載能力大都選擇類比法，并不精確，因此合理的選擇星輪形式，準(zhǔn)確的計算星輪裝載能力就顯得尤為重要。

1 裝載星輪的尺寸和轉(zhuǎn)速

裝載星輪主要有3種形式，分別為直形星輪、直斜形星輪和刀形星輪，如圖1所示。

圖1 星輪裝載形式

現(xiàn)掘進機大部分用以上三種星輪作為裝載機構(gòu)，本文以刀形星輪為例進行分析。

1.1 星輪基本尺寸

星輪基本尺寸主要由星輪大徑D、星輪小徑d、小徑厚度H、邊輪厚度h，如圖2所示。

（1）星輪大徑D：其主要由鏟板尺寸大小、溜槽寬度、液壓馬達安裝位置所決定，設(shè)計時綜合考慮。

（2）星輪小徑d：小徑凸臺不進行裝載工作，所以越小越好，但受到液壓馬達及配套件的限制，故在滿足安裝和強度的要求下盡量縮小小徑d。

圖2 星輪基本尺寸示意圖

（3）小徑厚度H：小徑在滿足液壓馬達與星輪的安裝尺寸和強度要求下，應(yīng)做到最小。另外由于掘進機臥底量的要求，也須將小徑厚度壓縮到最小。

（4）星輪輻數(shù)N及輻條高度h：現(xiàn)星輪輻數(shù)以三、四、六居多，這主要由截割能力、馬達轉(zhuǎn)速、鏟板尺寸以及溜槽轉(zhuǎn)運速度所決定 。裝運能力隨輻條數(shù)量的增多呈先增大后減小趨勢，所以在其他條件滿足的情況下先選裝載能力處于最高點的輻條數(shù)，現(xiàn)以四輻星輪為例進行研究。輻條高度與輻數(shù)的影響因素相同，按式（1）計算，一般為60～120mm。

式中：w——裝載機構(gòu)生產(chǎn)率，m3/h；

n——星輪轉(zhuǎn)速，r/min；

Z——裝載系數(shù)，一般為1～2；

D——星輪大徑，mm；

d——星輪小徑，mm；

N——星輪福條數(shù)，個；

S——星輪福條所占面積，mm2；

n——星輪轉(zhuǎn)速，r/min。

1.2 星輪轉(zhuǎn)速

根據(jù)星輪工作時的受力狀態(tài)確定星輪轉(zhuǎn)速，星輪工作狀態(tài)受力情況如圖3所示。

星輪裝運煤巖主要分為兩部分，一部分由星輪將煤巖推進溜槽中，一部分是利用離心力將煤巖送進溜槽中，這就需要煤巖所受的離心力應(yīng)大于其與星輪側(cè)邊的摩擦力，在圖3中表示為F1≥F5。由此進行分析。

圖3 星輪工作狀態(tài)受力示意圖

設(shè)煤巖質(zhì)量為m，所在位置回轉(zhuǎn)半徑為R，煤巖所受離心力Fg為：

煤巖與鏟板摩擦力F3為：

故F4=F3-F2，即：

煤巖與星輪側(cè)邊的摩擦力F5為：

由F1≥F5可得星輪臨界轉(zhuǎn)速：

從上述分析中可以得出：（1）煤巖與星輪側(cè)邊的摩擦力由煤巖壓向星輪側(cè)面的垂向力決定，這就需要離心力的垂直分力小于煤巖與鏟板的摩擦力，離心力隨星輪半徑的增大逐漸增大，所以需a角在沿側(cè)邊過渡過程中需不斷減小，即星輪側(cè)邊應(yīng)為圓弧線，就是常稱作的刀型星輪。星輪的轉(zhuǎn)速不宜超過臨界轉(zhuǎn)速過多，否則會造成甩煤程度較嚴重，將煤巖帶過溜槽甩到鏟板擋板上，又落到鏟板中，無法起到裝載的作用。一般轉(zhuǎn)速為30～50r/min。

2 裝載功率

星輪式裝載功率一般采用類比法進行確定，在原有機型裝載功率下，結(jié)合截割功率、溜槽轉(zhuǎn)運速度、煤巖發(fā)育程度以及裝載工況進行適當(dāng)調(diào)整，一般與所需功率都有所偏差，并不精確。下面根據(jù)星輪裝載的裝運過程進行分析，得出較類比法更加精確的計算方法。由上述星輪裝運過程可知，功率主要由兩部分組成，一部分是星輪將煤巖以一定速度推進溜槽所消耗的功率W1，另一部分是煤巖受摩擦力所消耗的功率W2，其他不確定因素由相關(guān)系數(shù)T表示（一般取1.2～1.5）。

（1）星輪動能所需功率W1：

式中：Mz——星輪轉(zhuǎn)一圈運送煤巖的重力；Mx——星輪重力。

（2）星輪克服摩擦所需的功率W2：

式中：t—星輪扭矩。

（3）裝載功率W

式中：η——裝載總效率。

3 結(jié)語

星輪裝載機構(gòu)在鏟板裝運結(jié)構(gòu)中應(yīng)用較為廣泛，一般采用液壓馬達直接驅(qū)動星輪進行裝載作業(yè)，由于其結(jié)構(gòu)簡單降低了鏟板的高度，增加了截割臥底量；運轉(zhuǎn)平穩(wěn)，較錐齒輪減速器結(jié)構(gòu)可靠性大幅提高。

本文分析了星輪尺寸和轉(zhuǎn)速的計算方法，并由分析結(jié)果得出刀型星輪結(jié)構(gòu)的合理性；星輪裝載功率原采用類比法，精度較差，結(jié)合其工作原理提出了系數(shù)計算法，結(jié)果更加精確，為以后星輪式裝載機構(gòu)的設(shè)計和改進提供借鑒。

[1]許琢，毛君. 掘進機星輪結(jié)構(gòu)尺寸的研究確定[J]. 煤礦機械，2009,10:9～10.

[2]張國棟. 掘進機裝載機構(gòu)的設(shè)計研究[J]. 煤炭科學(xué)技術(shù)，2006,10:59～62.

[3]馬茂平. 掘進機星輪裝載機構(gòu)的模擬研究[D].太原理工大學(xué)，2014.

TD421.5

A

1671-0711（2017）03（上）-0104-02