履帶式井下煤泥清理機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和分析

冀建磊

（晉中市煤炭規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院， 山西 晉中 030600）

引言

煤礦開采過程中會(huì)產(chǎn)生大量的廢水，廢水中摻雜著碎石以及其他的泥土等，最終混合后流到水倉中，水倉是位于煤礦井底車場水平以下的一般由兩條相互之間獨(dú)立的一組巷道組成的用于存水的巷道，一般是包括兩個(gè)，一個(gè)是主水倉，另外一個(gè)是副水倉，用于在清理煤泥時(shí)可以交替進(jìn)行，便于提高煤泥清理效率。水廠的入口位于巷道的最低點(diǎn)，所以在水倉中匯聚了大量的煤礦井下水和煤泥，影響煤礦生產(chǎn)，因此為保證生產(chǎn)的需要，煤礦上要求煤泥必須要進(jìn)行定期清理。目前，傳統(tǒng)的煤泥清理主要是靠大量的工人來完成，人工清挖水倉，工人的勞動(dòng)強(qiáng)度比較大且工作效率比較低，污染運(yùn)輸?shù)能壍?，同時(shí)清挖過程中伴隨著瓦斯、一氧化碳等危險(xiǎn)工況，容易造成人員傷亡，具有一定的危險(xiǎn)性。因此，設(shè)計(jì)了一套履帶式行走功能的井下水倉清理機(jī)，并對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)和分析。

1 水倉煤泥清理機(jī)履帶行走機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

水倉煤礦清理機(jī)的工作環(huán)境是煤礦井下巷道水倉，機(jī)械結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)需要長期處于復(fù)雜工況下，主要有粉塵、噪聲、振動(dòng)以及電磁干擾等工況下，并且煤泥清理機(jī)所處的巷道相對比較狹窄，行走路面長期存在小碎石等，采用傳統(tǒng)的輪式行走機(jī)構(gòu)并不合適，為此采用履帶式行走機(jī)構(gòu)。如圖1 所示為履帶行走裝置結(jié)構(gòu)組成圖，通過液壓馬達(dá)帶動(dòng)驅(qū)動(dòng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)，利用張緊輪對履帶進(jìn)行張緊。

圖1 清理機(jī)履帶行走裝置

2 水倉煤泥清理機(jī)總體方案設(shè)計(jì)

水倉煤泥清理機(jī)不僅需要在巷道中移動(dòng)，同時(shí)要求從水倉中將煤泥進(jìn)行挖掘，輸送并裝料，為此使用SolidWorks 建立水倉清理機(jī)結(jié)構(gòu)各個(gè)零部件圖，并進(jìn)行整體裝配，如圖2 所示為本次設(shè)計(jì)的水倉煤泥清理機(jī)整機(jī)裝配圖。

圖2 總體方案結(jié)構(gòu)圖

清理機(jī)設(shè)備主要由履帶行走裝置、刮板輸送機(jī)裝置、螺旋集料裝置、電氣控制系統(tǒng)以及液壓系統(tǒng)等部分組成[1-2]。履帶行走裝置車架采用H 型結(jié)構(gòu)，對行走部分進(jìn)行支撐，預(yù)留有足夠大的安裝空間。刮板輸送機(jī)安裝在車間中間，前端與清理機(jī)構(gòu)連接，呈現(xiàn)一定的傾斜角度，可以將煤泥進(jìn)行輸送。前端連接的清理機(jī)構(gòu)主要是采用螺旋結(jié)構(gòu)進(jìn)行煤泥輸送，螺旋集料，集料時(shí)通過馬達(dá)驅(qū)動(dòng)輸送機(jī)，帶動(dòng)螺旋集料裝置進(jìn)行不間斷轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)的是電機(jī)輸出軸連接的三聯(lián)齒輪泵進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，液壓泵驅(qū)動(dòng)行走馬達(dá)，刮板輸送馬達(dá)，鏟斗油缸實(shí)現(xiàn)了對全液壓的螺旋集料，刮板輸送，從而將水倉中的煤泥隨著螺旋輸送到刮板輸送機(jī)中，最后將煤泥輸送到礦車上，實(shí)現(xiàn)井下水倉煤泥清理過程。

3 水倉清理機(jī)液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真分析

水倉清理機(jī)液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)首先需要滿足煤礦專用設(shè)備的液壓系統(tǒng)要求：液壓系統(tǒng)中使用的液壓缸和馬達(dá)的壓力和流量，能夠根據(jù)外部負(fù)載的變化進(jìn)行一定適配性的改變；由于井下水倉清理周期較長，需要考慮油缸以及液壓系統(tǒng)的散熱問題；水倉煤泥清理機(jī)的液壓油缸和刮板輸送機(jī)是同時(shí)動(dòng)作，螺旋攪拌和螺桿泵同時(shí)動(dòng)作，保證動(dòng)作的連續(xù)性和一致性；液壓系統(tǒng)需要具有自鎖或互鎖保護(hù)，防止水倉清理機(jī)載斜坡面上會(huì)發(fā)生溜車；液壓系統(tǒng)需要具有一定的穩(wěn)定性和可靠性，保證履帶式液壓系統(tǒng)回路具有較好的啟動(dòng)性能[3-4]。

履帶式井下煤泥清理機(jī)液壓系統(tǒng)主要有四個(gè)回路，具體包括履帶底盤液壓系統(tǒng)回路、集料液壓缸驅(qū)動(dòng)回路、刮板輸送機(jī)角度調(diào)節(jié)油缸回路和調(diào)節(jié)回路。選取其中的履帶底盤液壓系統(tǒng)回路作為分析的對象，在automation 中搭建液壓系統(tǒng)回路模型進(jìn)行仿真，分析液壓系統(tǒng)啟動(dòng)性能和系統(tǒng)反應(yīng)時(shí)間，如圖3 所示為液壓系統(tǒng)仿真分析模型圖，通過設(shè)定仿真參數(shù)和調(diào)節(jié)仿真時(shí)間進(jìn)行計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬，最終可以得到如圖4所示的仿真分析結(jié)果。

圖3 液壓系統(tǒng)回路仿真模型

水倉煤泥清理機(jī)是采用防爆電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)動(dòng)力源，電機(jī)的啟動(dòng)按鈕是通過位于水倉煤泥清理機(jī)側(cè)方的電控柜來實(shí)現(xiàn)，同時(shí)可以使用遙控對水倉煤泥清理機(jī)進(jìn)行控制，控制履帶的前進(jìn)和轉(zhuǎn)向以及集料的速度等參數(shù)。從圖4 中可以看出，水倉煤泥清理機(jī)液壓系統(tǒng)回路運(yùn)行平穩(wěn)，馬達(dá)在短時(shí)間內(nèi)能夠保持在穩(wěn)定狀態(tài)，其中包括上馬達(dá)在約1.3 s 后趨于穩(wěn)定，中馬達(dá)在大約1.5 s 時(shí)趨于穩(wěn)定狀態(tài)，也就是說液壓系統(tǒng)具有比較好的啟動(dòng)性能，能夠滿足煤礦巷道水倉清理行走的需求[5]。

圖4 液壓系統(tǒng)回路仿真結(jié)果

4 履帶水倉煤泥清理機(jī)參數(shù)特征

如表1 所示為本次設(shè)計(jì)的水倉煤泥清理機(jī)的設(shè)計(jì)參數(shù)和主要技術(shù)指標(biāo)。從表1 中可以看出，本次設(shè)計(jì)的水倉煤泥清理機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊、體積小，能夠適應(yīng)煤礦巷道狹窄空間，具有較好的通過能力，同時(shí)集料機(jī)的寬度較大，可以同時(shí)采集較大范圍內(nèi)的煤泥進(jìn)行清挖[6]。

表1 水倉煤泥清理機(jī)參數(shù)特征和指標(biāo)

5 結(jié)語

煤礦水倉煤泥清理一直是煤礦生產(chǎn)中的難題，傳統(tǒng)的煤泥清理主要采用人工進(jìn)行清理，煤泥清理效率不高，清理效果不好，伴隨著煤礦井下復(fù)雜危險(xiǎn)環(huán)境，對于煤泥清理工人的健康極為不利，為此本文通過對煤礦水倉煤泥進(jìn)行分析，采用模塊化和集成化設(shè)計(jì)思路，設(shè)計(jì)了一種具有履帶行走機(jī)構(gòu)的井下水倉煤泥清理機(jī)，可以實(shí)現(xiàn)對井下煤泥的自移動(dòng)清理，利用SolidWorks 建立了各個(gè)零部件的模型并進(jìn)行了裝配，同時(shí)設(shè)計(jì)了與清理機(jī)配套的液壓系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對清理機(jī)履帶式行走機(jī)構(gòu)、集料機(jī)油缸等的控制，可以大大提高煤泥清理效率、減輕工人清理難度和強(qiáng)度，在一定程度上減輕了煤礦煤泥清理上投入的經(jīng)濟(jì)成本，取得了很好的經(jīng)濟(jì)效益。