綜掘設(shè)備部分問題的分析及改造設(shè)計(jì)

陳有力　吳雪娜　陳隆

摘? 要：該文通過對(duì)掘進(jìn)設(shè)備的基本組成部分、功能的分析及用戶的反饋和調(diào)研，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有部分綜掘設(shè)備的油箱油溫偏高，存在截割頭緊固螺栓易松動(dòng)的問題，給安全生產(chǎn)帶來了隱患。針對(duì)這些問題，該文對(duì)水冷壁式油箱及截割螺栓防松裝置進(jìn)行了分析及改造設(shè)計(jì)，在實(shí)際生產(chǎn)中得到應(yīng)用，取得了較好的效果，實(shí)現(xiàn)了使煤炭開采變得更加安全、方便、快捷的目的。

關(guān)鍵詞：綜掘設(shè)備;改造設(shè)計(jì);煤炭開采

中圖分類號(hào)：TD421 ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

1 掘進(jìn)設(shè)備的組成部分及各部分功能

1.1 礦用掘進(jìn)機(jī)的組成部分

煤礦用掘進(jìn)機(jī)主要由截割部、鏟板部、本體部、行走部、第一運(yùn)輸機(jī)、后支撐、電氣系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、水系統(tǒng)等部分構(gòu)成。而各主要組成部分也由多個(gè)下級(jí)構(gòu)成部分組成。其中截割部主要由截割頭、截割臂、截割減速機(jī)、電機(jī)架、截割電機(jī)、聯(lián)軸器等構(gòu)成。鏟板部主要由主鏟板、側(cè)鏟板、小溜槽、星輪馬達(dá)裝置等構(gòu)成。本體部主要由本體架、回轉(zhuǎn)軸承、連接銷軸、襯套等構(gòu)成。行走部主要由履帶鏈、履帶架、驅(qū)動(dòng)輪、導(dǎo)向輪、支重輪、張緊裝置等構(gòu)成。第一運(yùn)輸機(jī)主要由前溜槽、后溜槽、刮板輸送鏈、驅(qū)動(dòng)裝置等構(gòu)成。后支撐主要由支撐腿、左右托座、前橫梁等組成。電氣系統(tǒng)主要由電控箱、顯示器、電機(jī)、傳感器等構(gòu)成。液壓系統(tǒng)主要由油箱、液壓缸、液壓泵、液壓管路、過濾器、主閥等構(gòu)成。水系統(tǒng)主要由進(jìn)水裝置、減壓閥、水管、出水裝置等組成。

1.2 礦用綜掘設(shè)備各部分的功能

綜掘設(shè)備以本體部為依托，截割部對(duì)被采掘?qū)ο筮M(jìn)行截割，鏟板部對(duì)被采掘下來的物料進(jìn)行鏟裝，第一運(yùn)輸機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)截割物料的裝載與運(yùn)輸，行走部是驅(qū)動(dòng)掘進(jìn)機(jī)行走、調(diào)動(dòng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，電氣系統(tǒng)及液壓系統(tǒng)為整個(gè)設(shè)備工作提供動(dòng)力源。綜掘設(shè)備的各個(gè)部分辯證統(tǒng)一，缺一不可，各部分功能充分發(fā)揮形成一個(gè)有機(jī)整體，最終保證設(shè)備的正常高效運(yùn)轉(zhuǎn)。

2 發(fā)現(xiàn)的問題

綜掘設(shè)備的各個(gè)部分作為掘進(jìn)設(shè)備的重要組成部分，只有各部分功能得到有效發(fā)揮，才能保證掘進(jìn)設(shè)備這一有機(jī)整體能夠發(fā)揮出最大作用，保證礦下掘進(jìn)工作能夠順利高效進(jìn)行。通過實(shí)際調(diào)研和用戶的反饋，發(fā)現(xiàn)EBZ200掘進(jìn)設(shè)備在實(shí)際工作時(shí)，油溫偏高，煤巖掘進(jìn)設(shè)備截割頭緊固螺栓較易松動(dòng)，不利于井下工作的高效進(jìn)行，并且也會(huì)給井下的安全生產(chǎn)帶來了隱患，因此解決這些問題變得十分必要。

3 問題的分析及改造設(shè)計(jì)

3.1 針對(duì)油溫偏高問題水冷壁式油箱的設(shè)計(jì)

針對(duì)現(xiàn)有綜掘設(shè)備油箱散熱性能有待提高的問題，在考慮成本及實(shí)用性的同時(shí)，對(duì)其進(jìn)行了綜合分析。油箱作為液壓系統(tǒng)的重要組成部分，主要起到存儲(chǔ)油液、沉淀雜質(zhì)、散發(fā)熱量等作用。油箱系統(tǒng)對(duì)整個(gè)液壓系統(tǒng)的良好運(yùn)行起著至關(guān)重要的作用，在主要依靠油箱來為液壓油液散熱的系統(tǒng)中，液壓油如果不能及時(shí)得到冷卻或冷卻效果不理想，都會(huì)加快油液的氧化，加速液壓元件的腐蝕磨損[1]。因此從冷卻的平衡性、可行性及經(jīng)濟(jì)性角度入手，對(duì)EBZ200掘進(jìn)機(jī)的液壓油箱進(jìn)行設(shè)計(jì)，使其既能滿足實(shí)際工作需要，又能夠快速平穩(wěn)地對(duì)油液進(jìn)行冷卻。

綜掘機(jī)正常工作下的油溫要求在40 ℃～60 ℃，這樣能夠最大限度地發(fā)揮整機(jī)性能，延長(zhǎng)使用壽命[2]。液壓油的比熱容約為1 675 J/（kg·K），水的比熱容是4.2×103 J/（kg·℃），比熱容是單位質(zhì)量物質(zhì)的熱容量，即單位質(zhì)量物體改變單位溫度時(shí)的吸收或釋放的內(nèi)能。比熱容是表示物質(zhì)熱性質(zhì)的物理量[4]。該文根據(jù)水比熱容較大且兼具造價(jià)成本低、取用方便的優(yōu)勢(shì)，設(shè)計(jì)出以水為冷卻介質(zhì)的水冷壁式油箱。水冷壁式油箱通過水循環(huán)，不斷帶走油箱部分的熱量，達(dá)到使油箱降溫的目的。

新設(shè)計(jì)的水冷壁式油箱如圖1所示。原油箱容積為600 L，既在不減少油箱容積的前提下，在油箱底部增加水冷壁系統(tǒng)，設(shè)計(jì)蛇形水路，既在有限的空間內(nèi)最大限度地利用容水體積，又增加了通過冷卻水的流動(dòng)時(shí)間，以便更有效地帶走熱量，降低溫度。I向視圖為油箱底部的水道布置，通過進(jìn)水口進(jìn)水后，通過出水口出水，實(shí)現(xiàn)冷卻水的流動(dòng)，將熱量帶走?？紤]到在增加水冷壁冷卻系統(tǒng)后，由于水溫低于油溫，液壓油的熱量被冷卻水吸收，油溫降低水溫增加，且水流通過蛇形通道的時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)，因此油水之間的關(guān)系應(yīng)遵循能量守恒定律，兩者最終達(dá)到一個(gè)平衡的溫度。根據(jù)具體的設(shè)計(jì)方案及計(jì)算分析，可以得到油箱最終溫度及通過冷卻水后下降的溫度。

通入冷卻水的質(zhì)量：

式中：m1—水的質(zhì)量，kg;ρ—水的密度，kg/m3;V—水的體積，m3。其中，V為水道板的容水體積，可以經(jīng)過計(jì)算，水管道的體積V為0.02 m3，其中水的密度ρ為1.0×103 kg/m3。

在理想狀態(tài)下液壓油釋放出的熱量被水吸收，最終礦物油和水達(dá)到溫度平衡：

式中：Q1吸—水吸收的熱量，J;c1—水的比熱容，J/（kg·℃）;m1—水的質(zhì)量，m3;ΔT1—水的溫度變化量，℃。

式中：Q2放—油吸收的熱量，J;c2—油的比熱容，J/（kg·℃）;m2—油的質(zhì)量，m3;ΔT2—油的溫度變化量，℃。

根據(jù)用戶的實(shí)際反饋，井下油箱實(shí)際使用時(shí)，油溫的最高溫度為61 ℃，井下通入冷卻水的溫度為25 ℃。根據(jù)油水平衡可知，最終油水溫度相同，將最終油水溫度設(shè)為T，則：

其中礦物油密度為0.88×103 kg/m3[3]，最終計(jì)算可得T=57.88℃。

相較于原油箱溫度的61 ℃降低了3.12 ℃，滿足掘進(jìn)機(jī)正常使用條件下，油箱溫度值變化范圍40℃～60℃的要求，較好地解決了油溫偏高的問題。

3.2 截割頭螺栓防松裝置的設(shè)計(jì)

目前大部分綜掘設(shè)備特別是煤巖、半煤巖設(shè)備的截割頭，其與截割頭軸連接螺栓的防松方式為利用鉸制孔螺栓，通過鋼絲8字纏繞的編制形式，以此來保持兩螺栓相對(duì)固定的位置關(guān)系，從而起到防松的作用。但由于綜掘設(shè)備在截割作業(yè)時(shí)，根據(jù)具體的施工工藝及截割原理，截割頭體在自轉(zhuǎn)的同時(shí)還要完成上下左右的移動(dòng)截割[5]，這就導(dǎo)致頭體的震動(dòng)較大，導(dǎo)致鋼絲在沖擊過程中會(huì)受到法向力和切向力，產(chǎn)生彈性變形，最終斷裂失效。截割頭的緊定螺栓由于鋼絲變形和斷裂，會(huì)失去較好的限位，導(dǎo)致其在較大的截割作業(yè)震動(dòng)下，自身受力發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，產(chǎn)生松動(dòng)。這時(shí)就需要經(jīng)常地對(duì)螺栓進(jìn)行緊定，對(duì)鋼絲進(jìn)行更換，增加了實(shí)際使用者的勞動(dòng)強(qiáng)度，且頻繁的維護(hù)更會(huì)影響到作業(yè)進(jìn)度，不利于生產(chǎn)。而螺栓松動(dòng)代表截割頭固定發(fā)生松動(dòng)，也會(huì)給安全生產(chǎn)帶來隱患，因此解決這一問題也變得十分必要。傳統(tǒng)截割頭螺栓防松形式如圖2所示。

通過分析可知，用鋼絲8字纏繞鉸制孔螺栓的編制來對(duì)截割螺栓進(jìn)行限位固定的方式，相對(duì)薄弱。為了解決這一問題，需要重新考慮截割頭緊固螺栓的固定方式，并結(jié)合實(shí)際情況，從結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易操作、好維護(hù)等方面入手，設(shè)計(jì)截割頭螺栓防松裝置。在設(shè)計(jì)時(shí)利用截割頭上自帶的加工工藝孔，省去了需要在截割頭上二次加工的工序。將與截割頭緊定螺栓六角螺帽外沿配合的端面設(shè)計(jì)成多邊形，以此來限制螺栓的自轉(zhuǎn)，并通過截割頭自帶的工藝孔，利用一顆螺栓安裝固定，實(shí)現(xiàn)了整體防松，獲得了想要的效果，也為后期的維護(hù)工作帶來了方便，提高了效率，降低了使用者的工作強(qiáng)度。其中安裝完的截割頭螺栓防松裝置的整體及局部剖視圖如圖3所示。

4 結(jié)語

該文針對(duì)現(xiàn)有礦用掘進(jìn)設(shè)備油箱油溫偏高、截割頭緊固螺栓易松動(dòng)的問題，進(jìn)行了創(chuàng)新設(shè)計(jì)，并將其應(yīng)用在現(xiàn)有EBZ200Q、EBZ260、EBZ200等型號(hào)的掘進(jìn)設(shè)備上，較好地解決了這些問題，并獲得了較好的效果，實(shí)現(xiàn)了使煤炭開采變得更加安全、方便、快捷的目的。

參考文獻(xiàn)

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