掘進(jìn)工作面裝載機(jī)的設(shè)計(jì)

李 炎

（陽(yáng)煤寺家莊有限責(zé)任公司開拓三隊(duì)， 山西 晉中 045300）

引言

巷道掘進(jìn)為煤炭開采的基礎(chǔ)，在煤炭開采效率不斷提升的背景下，需進(jìn)一步提升巷道的掘進(jìn)速度，從而達(dá)到采掘平衡。對(duì)于煤巷或者巖石硬度較低的半煤巖巷道可采用懸臂式掘進(jìn)機(jī)進(jìn)行截割，且其掘進(jìn)速度能夠達(dá)到采掘平衡的標(biāo)準(zhǔn)[1]。而對(duì)于純巖石巷（普氏系數(shù)大于8）常采用鉆爆法工藝，其中裝巖工藝耗時(shí)最多，嚴(yán)重影響了巷道的掘進(jìn)速度，從而間接影響綜采工作面的開采效率。本文著重研究一款可快速裝巖的新型裝載機(jī)，具體闡述如下。

1 挖掘式裝載機(jī)概述

挖掘式裝載機(jī)主要應(yīng)用于煤礦巷道的掘進(jìn)中，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)掘進(jìn)巷道內(nèi)巖石、矸石的連續(xù)裝載。挖掘式裝載機(jī)的總體結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 挖掘式裝載機(jī)總體結(jié)構(gòu)

如圖1 所示，挖掘式裝載機(jī)由6 個(gè)分系統(tǒng)組成，其主要應(yīng)用于對(duì)中小型巷道的掘進(jìn)，且傳統(tǒng)挖掘式裝載機(jī)最佳裝載物料的直徑小于500 mm。挖掘式裝載機(jī)具有扒取范圍廣、動(dòng)力足、工作平穩(wěn)等優(yōu)勢(shì)，一定程度上大大減輕了掘進(jìn)工作面作業(yè)人員的勞動(dòng)強(qiáng)度[2]。為進(jìn)一步提升挖掘式裝載機(jī)的工作效率，本文將對(duì)傳統(tǒng)裝載機(jī)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

2 新型挖掘式裝載機(jī)的總體設(shè)計(jì)

本文以ZWY-160/55 型裝載機(jī)為研究對(duì)象，經(jīng)調(diào)研其在實(shí)際掘進(jìn)過(guò)程中所存在的問(wèn)題，并在結(jié)合

《煤礦安全生產(chǎn)規(guī)程》的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及客戶要求的基礎(chǔ)上，對(duì)原裝載機(jī)的部分尺寸進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整。優(yōu)化調(diào)整后裝載機(jī)的關(guān)鍵參數(shù)如表1 所示。

表1 優(yōu)化調(diào)整后裝載機(jī)的關(guān)鍵參數(shù)

3 新型裝載機(jī)液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

根據(jù)挖掘式裝載機(jī)所應(yīng)用的工況，為確保其液壓系統(tǒng)能夠滿足實(shí)際生產(chǎn)的需求，挖掘式裝載機(jī)采用三泵串聯(lián)的方式為其供油。其中，采用變量柱塞泵為裝載機(jī)的反鏟機(jī)構(gòu)和行走機(jī)構(gòu)供油；采用定量齒輪泵為裝載機(jī)的其他液壓元器件供油[3]?；谧兞恐脼檠b載機(jī)的核心分系統(tǒng)反鏟機(jī)構(gòu)和行走機(jī)構(gòu)供油，大大提升了裝載機(jī)運(yùn)行的穩(wěn)定性；采用先導(dǎo)手柄控制裝載機(jī)的各項(xiàng)挖掘動(dòng)作及行走，大大減輕了作業(yè)人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。

3.1 裝載機(jī)工況研究

挖掘式裝載機(jī)在工作面實(shí)際掘進(jìn)過(guò)程中，其挖掘作業(yè)主要依靠反鏟機(jī)構(gòu)的小臂液壓缸和插兜液壓缸的復(fù)合動(dòng)作實(shí)現(xiàn)裝載任務(wù)；而反鏟機(jī)構(gòu)的大臂液壓缸的主要功能是完成鏟斗的升降功能[4]。因此，裝載機(jī)工況僅需綜合小臂液壓缸的最大負(fù)荷和鏟斗液壓缸的最大負(fù)荷來(lái)確定。

綜合分析裝載機(jī)小臂液壓缸和鏟斗液壓缸的最大負(fù)荷。經(jīng)研究可知，在外部載荷一定的情況下，系統(tǒng)工作壓力越大，裝載機(jī)的結(jié)構(gòu)更為緊湊，其裝填效率越高。因此，結(jié)合挖掘式裝載機(jī)的工況載荷要求，初步設(shè)定裝載機(jī)液壓系統(tǒng)的工作壓力為10 MPa。

3.2 液壓系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)的確定

3.2.1 主泵參數(shù)的選型計(jì)算

基于對(duì)挖掘式裝載機(jī)液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)可知，裝載機(jī)共包含有一個(gè)變量柱塞泵和兩個(gè)定量齒輪泵。所選擇變量柱塞泵的流量為100 cm3/r、兩個(gè)定量齒輪泵的流量分別為30 cm3/r、10 cm3/r，根據(jù)式（1）得出泵的最大流量Q：

式中：q為變量柱塞泵或定量齒輪泵的流量；n為泵驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，取n=1 480 r/min。

經(jīng)計(jì)算可知，所要求主泵的最大流量為148 L/min。

3.2.2 裝載機(jī)爬坡角度的計(jì)算

裝載機(jī)爬坡能力與其馬達(dá)的最大輸出扭矩、地面附著系數(shù)等參數(shù)相關(guān)。經(jīng)過(guò)推導(dǎo)可得出如式（2）所示的爬坡角度計(jì)算公式：

式中：α 為裝載機(jī)的最大爬坡角度；φ 為掘進(jìn)工作面地面附著系數(shù)；取φ=0.7。經(jīng)計(jì)算可得：α=28°。即，該裝載機(jī)的最大爬坡角度為28°。

3.2.3 散熱器面積的計(jì)算

挖掘式裝載機(jī)主要應(yīng)用于巷道的掘進(jìn)中，其應(yīng)用環(huán)境相對(duì)惡劣，且負(fù)載變化無(wú)規(guī)律。在實(shí)際掘進(jìn)中，液壓油的溫度會(huì)在短時(shí)間內(nèi)升高，從而造成液壓油變質(zhì)，降低了裝載整機(jī)的使用壽命[5]。因此，有效的冷卻系統(tǒng)是必需的。散熱器面積直接決定液壓油的降溫效果。裝載機(jī)所需散熱器散熱面積S的計(jì)算如式（3）所示：

式中：QH為裝載機(jī)系統(tǒng)的總發(fā)熱量，經(jīng)計(jì)算可知QH=13.8 kW；k為冷卻系統(tǒng)的傳熱系數(shù)，取k=50 W/m2·℃；Δt為液壓油與環(huán)境溫度的平均溫差，取Δt=30 ℃。經(jīng)計(jì)算可得，S=9.2 m2。

3.3 裝載機(jī)關(guān)鍵機(jī)構(gòu)的校核

為驗(yàn)證裝載機(jī)關(guān)鍵機(jī)構(gòu)能夠滿足其在工作面的應(yīng)用需求，特對(duì)其重點(diǎn)工況下關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的應(yīng)力情況進(jìn)行仿真分析。基于裝載機(jī)在實(shí)際應(yīng)用時(shí)所出現(xiàn)問(wèn)題，本文選擇在最大挖裝距離時(shí)裝載機(jī)的工況狀態(tài)為重點(diǎn)工況，關(guān)鍵機(jī)構(gòu)為反鏟機(jī)構(gòu)。

在重點(diǎn)工況下，反鏟機(jī)構(gòu)所出現(xiàn)的最大位移處于鏟斗斗齒的位置，且最大位移為12.9 mm，而且沿著從鏟斗到大臂的方向，其位移越來(lái)越小，說(shuō)明在重點(diǎn)工況下部件的變形不會(huì)影響裝載機(jī)的工作性能。

在重點(diǎn)工況下，反鏟機(jī)構(gòu)所出現(xiàn)的最大應(yīng)力位于鏟斗斗齒的位置，且最大應(yīng)力值為175 MPa，小于斗齒材料的需用應(yīng)力345 MPa。因此，在重點(diǎn)工況下反鏟機(jī)構(gòu)的各個(gè)零部件不會(huì)失效。

綜上所述，裝載機(jī)反鏟機(jī)構(gòu)能夠滿足實(shí)際生產(chǎn)的需求。

4 結(jié)語(yǔ)

挖掘式裝載機(jī)主要應(yīng)用于巖層硬度較大的掘進(jìn)工作面中。為了確保在對(duì)巖層硬度較大的工作面掘進(jìn)時(shí)能夠達(dá)到采掘平衡的效果，需根據(jù)工作面的實(shí)際情況設(shè)計(jì)與其相匹配的挖掘式裝載機(jī)，以達(dá)到提升機(jī)掘進(jìn)效率的目的。