露天礦端幫連采掘進后配套運輸轉載機的設計

任曉力

（中國煤炭科工集團太原研究院有限公司，山西 太原 030006）

連采機掘進后配套運輸設備有很多種，根據(jù)現(xiàn)場的情況具體配套不同的設備，如帶式輸送機，連運系統(tǒng)或者梭車等，而對于露天端幫開采掘進過程中，連采機掘進過程不支護，后配套運輸設備一節(jié)接一節(jié)的跟進，不需要人員維護，針對上述情況，開發(fā)了一種針對露天礦端幫時的后配套運輸?shù)霓D載機。該運輸系統(tǒng)在生產過程中不僅起到運輸作用，而且在遇到塌方時還能起到將連采機拖拽出硐室的作用[1-2]。因此該轉載機需要具有運輸能力強、架體強度高、轉載機之間能快速連接等特點。

1 開采工藝概述

轉載機是開采運輸系統(tǒng)的主要組成部分，連采機進入硐室采煤，若干個轉載機串聯(lián)起來緊跟在連采機機后，將連采機截割的煤運輸?shù)巾鲜彝?。當連采機進行截割時，工人將2 個轉載機連接起來后，由連采機將轉載機拖進洞內，待連采機截割完成1 個洞后退出時，洞外工人將轉載機拆出，直至最后1 個轉載機退出硐室后，完成1 個硐室的采煤作業(yè)，進行下一硐室的作業(yè)，開采工藝簡圖如圖1。

圖1 開采工藝簡圖

2 整體結構

轉載機整體結構，由架體、傳動滾筒、減速電機、改向滾筒、快換連接裝置、自動張進裝置、鋼輪組件、電控箱、托輥組件、輸送帶10 部分組成。轉載機的運行流程是減速電機帶動傳動滾筒，傳動滾筒再帶動輸送帶，將上一轉載機的煤從尾部運到轉載機的頭部，再將其傳到下一轉載機上，這樣就實現(xiàn)了煤的連續(xù)運輸。電控箱通過遠程控制來實現(xiàn)轉載機輸送帶的啟停，快換裝置是實現(xiàn)2 個轉載機之間的快速連接，張緊裝置是對輸送帶進行實時張緊防止其打滑，鋼輪組件是在轉載機被拖動行走時起到支撐作用，托輥組件是帶式輸送機的必要組成，轉載機整體結構組成如圖2。

圖2 轉載機整體結構組成

3 整機設計要點

3.1 輸送帶寬度和傳動功率

轉載機作為連采機的配套運輸系統(tǒng)的組成單元，其運輸量和運輸帶速均參照端幫連采機來確定，設計計算時其運輸量和帶速均比連采機稍大即可。

帶寬計算公式：

式中：B 為膠帶寬度，mm；α 為最大粒度，mm。

可以根據(jù)截割情況確定物料的粒度[3－5]，進而計算出皮帶的寬度B，不同帶寬推薦輸送物料的最大粒度見表1。

表1 不同帶寬推薦輸送物料的最大粒度

帶速計算公式：

式中：v 為帶速，m/s；s 為物料橫截面積（可根據(jù)帶寬查表可得），m2；Q 為運輸能力（固端幫連采機運輸量），t/h；k 為傾斜輸送機面積折減系數(shù)；ρ 為物料的密度（煤密度），g/cm3。

傳動滾筒功率可根據(jù)帶寬和運輸量確定轉載機驅動部分功率公式：

式中：P 為傳動滾筒的軸功率，kW；c 為輸送帶、軸承等處的阻力系數(shù)；f 為托輥的阻力系數(shù)，取0.025～0.030；l 為輸送機電動滾筒與改向滾筒之間中心距離的水平投影，m；Gm為輸送帶、托輥、改向滾筒等旋轉零件的質量，kg；h 為輸送高度，m。

3.2 耐寒輸送帶

煤礦井下輸送機，一般采用阻燃型難燃型輸送帶，設計的轉載機是在露天礦中使用，考慮到我國北方地區(qū)冬天室外溫度可達－30～－40 ℃，在設計運輸膠帶材料時要保證輸送帶滿足耐寒要求。傳統(tǒng)的PVC 與PVG 輸送帶不適合低溫條件，綜合考慮選用聚酯帶芯。

輸送帶織物的層數(shù)。聚酯織物芯輸送帶層數(shù)按式（4）計算：

式中：Z 為輸送帶織物層數(shù)；F 為輸送帶的最大張力，N；n 為織物芯輸送帶靜安全系數(shù)，尼龍聚氨酯一般取10～12；σ 為輸送帶的扯斷強度，N/mm。

3.3 快速連接裝置

轉載機緊跟在連采機后面進入采煤硐室，每個轉載機的長度僅有十幾米，隨著連采機的不斷截割推進，后續(xù)的轉載機需要不斷的快速連接到上1 個轉載機中，同樣當連采機退出硐室時，需要快速的拆卸轉載機保證轉載機輸出的連續(xù)性。因此就需要設計1 個快換裝置，來實現(xiàn)2 個轉載機之間連接的快速拆裝，因為拆裝程度的快慢直接決定了整個邊幫采煤系統(tǒng)的效率。

快速連接裝置設計要求不僅要滿足拆裝方便，同時還要保證足夠的強度，由于邊幫開采的硐室不需要支護，一旦出現(xiàn)塌方，連采機被埋，轉載機還起到拖拽連采機的作用，因此必須保證足夠的強度。快換連接裝置結構由快插銷軸、前端連接耳、后端連接耳和快插塊組成，前端連接耳和后端連接耳分別固定在架體上，屬于架體的一部分，連接時將2 個單元的前端和后端對其，將快插塊從架體內側插入后再講快插銷軸從上部穿入前端連接耳的孔中，實現(xiàn)2個轉載機的連接，快換連接裝置結構簡圖如圖3。

圖3 快換連接裝置結構簡圖

這種連接方式保證2 個轉載機的連接銷軸不僅在推時是面接觸，在拉時也是面接觸，在快換的同時受力也能夠保證，避免銷軸十字交叉。而且快換塊與前端連接耳之間的夾角也能對轉載機之間的上下擺角進行限位，保證運輸系統(tǒng)適應一定的巷道坡度，快換連接裝置的剖視圖如圖4。

圖4 快換連接裝置的剖視圖

3.4 架體的仿真

由于轉載機不僅是對運輸系統(tǒng)的支撐，其整體結構要有足夠的強度以便在必要的時候拖拽連采機，在保證足夠強度的同時還要盡量較少架體的質量。轉載機架體受力主要是受拉力和壓力，即連采機截割時平臺上的油缸將轉載機推入硐室內，此時受壓，當截割完成退出時，平臺上的油缸將轉載機往外拖拽，此時受拉。因此架體整機結構采用桁架的結構設計，桁架結構其實是二力桿，也成為拉桿或壓桿，同時為了盡量較少質量，材料采用方鋼。架體局部受力仿真圖如圖5。

3.5 自動張緊裝置

圖5 架體局部受力仿真圖

傳統(tǒng)的輸送機在遇到打滑情況時一般采用人為增加輸送帶的張緊力等方法來減少打滑，但在幫開采時，其運輸系統(tǒng)由若干個裝載機串聯(lián)而成，裝載機進入硐室后人員不能進入，如果1 個裝載機出現(xiàn)打滑的現(xiàn)象，就會由于短時間堆煤以至于造成整個運輸系統(tǒng)癱瘓，因此需要從根本上解決開采中輸送帶打滑的問題，就需要設計1 個能實時張緊的自動張緊裝置。

3.5.1 自動張緊裝置的結構

張緊是保持輸送帶各處張力適當，如果張力過大將導致輸送帶變形過大，滾筒及其他設備也會磨損嚴重。因此就要能動態(tài)控制調整張緊力，一般首先選擇液壓油缸來張緊，但是系統(tǒng)設計時整機沒有液壓系統(tǒng)。再就是考慮電動推桿，但是電動推桿不能帶負荷啟動。因此選擇電液推桿來作為張緊裝置的動力源[6-8]。電液推桿是以電動機為動力源，通過雙向齒輪泵輸出液壓油，經油路集成塊控制，送到油缸來實現(xiàn)活塞桿的往復運動。電液推桿具有過載自動保護功能，自鎖功能和遠程控制的功能。由于端幫開采的特殊性，巷道無人化，就要求負載壓力能實時反饋并對其進行遠程控制，使設備出現(xiàn)故障時在短時間內能正常運轉。同時電液推桿還具有運行平穩(wěn)、拉力無級調節(jié)、系統(tǒng)封閉性好維修方便等優(yōu)點。

張緊裝置主要由3 部分組成，分別是電液推桿、張緊塊和張緊滾筒。為保證張緊滾筒的兩側受力均勻，設計在滾筒兩側均安裝電液推桿，由于電液推桿帶有壓力反饋能及時調整兩側壓力使其張緊同步自動張緊裝置示意圖如圖6。

通過計算輸送帶不打滑的最小張緊力和輸送帶的行程（具體計算在此不再贅述），來確定電液推桿的規(guī)格尺寸，張緊力用來確定電液推桿所能輸出的最大推力，此推力是在計算張緊力的基礎上適當增大的值（具體增大比例由實驗結果確定，但不能大于系統(tǒng)設計時滾筒的許用合力），如果推力一直大于輸送帶不打滑的張緊力，對輸送帶以及整個運輸系統(tǒng)都是不經濟的，所以最大推力只是作為輸送帶打滑時臨時采取的應急措施。

圖6 自動張緊裝置示意圖

3.5.2 張緊裝置的控制策略

電液推桿的控制主要就是控制電機的正反轉來實現(xiàn)油缸的伸出與縮回，液壓系統(tǒng)的溢流閥來控制油缸推力的大小。在系統(tǒng)中增加壓力傳感器來檢測張緊力的大小，進而根據(jù)壓力大小來判定油缸是否需要繼續(xù)伸出，以增加張緊力。同時整個運輸系統(tǒng)還設置了帶速測量傳感器，一旦輸送帶打滑能及時檢測出來。具體的控制方式為在程序中設定2 種控制模式，正常工作模式和打滑模式。

系統(tǒng)檢測壓力傳感器壓力，如果未達到設定值，則說明張緊力不夠，需要繼續(xù)伸長油缸實現(xiàn)張緊，當達到設定值時，電推桿電機停止轉動，液壓鎖自鎖，輸送帶正常運轉。打滑時，首先電滾筒是正常運轉的，此時帶速傳感器檢測帶速異常，說明打滑，此時需要張緊，電推桿電機轉動推動活塞桿張緊，當檢測到帶速正常后，此時在程序中給予一定的延時，使較大煤塊順利通過輸送機，然后在恢復到正常壓力傳感器設定的值，即到電推桿縮回，達到壓力傳感器設定值時停止電推桿停止運轉，液壓鎖自鎖。

4 結語

結合連采機邊幫開采技術的特點，設計一套速連轉載機，該轉載機不僅運輸量大，運行穩(wěn)定可靠，而且能實現(xiàn)2 個轉載機之間的快速連接，同時有足夠的強度，在遇到塌方時還能用其將連采機拖拽出來，在實際應用中取得了較好的效果。