高效可靠帶式輸送機(jī)用自移機(jī)尾的研制

魏訓(xùn)濤，劉德軍，張慶良，鄭 粲

（山東能源集團(tuán)有限公司，山東 鄒城 273500）

0 引言

帶式輸送機(jī)用自移機(jī)尾（以下簡(jiǎn)稱(chēng)：自移機(jī)尾）用于煤礦井下工作面運(yùn)輸順槽巷道，可實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)載機(jī)與帶式輸送機(jī)機(jī)尾的連接配合和快速推移，可滿足高強(qiáng)度、快推進(jìn)的采煤工作面生產(chǎn)需要。同時(shí)該裝置還可對(duì)輸送膠帶偏移進(jìn)行調(diào)整、校正轉(zhuǎn)載機(jī)推移方向和隨采煤工作面的推進(jìn)自行前移等，本設(shè)備起到了轉(zhuǎn)載機(jī)與膠帶運(yùn)輸機(jī)承上啟下的作用，可保證順槽運(yùn)輸設(shè)備：轉(zhuǎn)載機(jī)、膠帶運(yùn)輸機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)通暢及良好銜接。

1 高效可靠自移機(jī)尾的研制的必要性

目前，國(guó)內(nèi)在用的自移機(jī)尾，普遍存在可靠性較差、壽命較短、使用和維護(hù)較困難、維修不方便等問(wèn)題。

因此,有必要研發(fā)一種故障率低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單合理、高效可靠的自移機(jī)尾。這種自移機(jī)尾可以減少膠帶磨損，提高自移機(jī)尾使用壽命，降低膠帶使用成本，便于現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)和后續(xù)維修，可有效提高煤礦煤炭運(yùn)輸效率，降低生產(chǎn)成本，更加符合高產(chǎn)高效現(xiàn)代化煤礦對(duì)生產(chǎn)裝備的要求。

2 自移機(jī)尾的研發(fā)內(nèi)容

針對(duì)國(guó)內(nèi)外自移機(jī)尾使用過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題，結(jié)合國(guó)內(nèi)外自移機(jī)尾使用的先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)，利用先進(jìn)的研發(fā)設(shè)計(jì)手段，開(kāi)展高效可靠自移機(jī)尾的研發(fā)工作，研發(fā)的主要內(nèi)容有：

2.1 自移機(jī)尾的主要技術(shù)參數(shù)

根據(jù)井下實(shí)際使用需要及以往自移機(jī)尾使用經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合實(shí)際情況，確定以研發(fā)適用帶寬B=1400 mm膠帶運(yùn)輸機(jī)的自移機(jī)尾為例開(kāi)展研發(fā)工作。

首先確定其主要技術(shù)參數(shù)。自移機(jī)尾與液壓支架處于同一液壓系統(tǒng)中，采用相同的動(dòng)力源和工作介質(zhì)而定工作壓力與液壓支架相同。通過(guò)計(jì)算可得各部位液壓缸缸徑；按照采煤工藝要求可選取推移行程、側(cè)移調(diào)節(jié)行程；依據(jù)膠帶運(yùn)輸機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范，可得符合帶寬B=1 400 mm自移機(jī)尾的滾筒、托輥等規(guī)格。主要技術(shù)參數(shù)可作如下選?。?/p>

工作介質(zhì)： 乳化液

工作壓力： 31.5 MPa

適用帶寬： 1 400 mm

推移液壓缸推力： 2×631 kN

推移液壓缸行程： 2 600 mm

調(diào)高液壓缸推力： 4×631 kN

調(diào)高液壓缸行程： 250 mm

側(cè)移液壓缸推力： 4×180 kN

側(cè)移液壓缸行程： 200 mm

機(jī)尾滾筒直徑： 560 mm

推移方式： 三刀一推

2.2 自移機(jī)尾的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在自移機(jī)尾的研發(fā)設(shè)計(jì)過(guò)程中，充分利用虛擬樣機(jī)技術(shù)，通過(guò)PTC Creo Parametric建立數(shù)字模型，聯(lián)合ANSYS等軟件對(duì)數(shù)字樣機(jī)進(jìn)行仿真分析，確保自移機(jī)尾整機(jī)結(jié)構(gòu)布置科學(xué)合理，通過(guò)分析選擇合適材質(zhì)鋼材、規(guī)格，降低制作成本保證結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。

自移機(jī)尾主要由機(jī)頭部、中間部、尾部、調(diào)整架、集中潤(rùn)滑系統(tǒng)、支撐小車(chē)、液壓系統(tǒng)等幾部分組成（如圖1所示）。

圖1 自移機(jī)尾的結(jié)構(gòu)示意圖

1）機(jī)頭部由機(jī)頭架體、浮動(dòng)托輥組（含壓帶滾筒）、前部調(diào)偏裝置等組成?？蓪?shí)現(xiàn)自移機(jī)尾頭部的抬高和側(cè)移。機(jī)頭最前端設(shè)有浮動(dòng)托輥組與機(jī)頭架鉸接，其上設(shè)有調(diào)節(jié)液壓缸，可隨著膠帶的高度對(duì)浮動(dòng)托輥組進(jìn)行高度調(diào)節(jié)，使自移機(jī)尾與膠帶輸送機(jī)的膠帶平滑過(guò)渡。

2）中間架主要由中間架體、擋板組件、輔助支撐等組成。中間架是轉(zhuǎn)載機(jī)的落料點(diǎn)，也是轉(zhuǎn)載機(jī)機(jī)頭部的直接承載部分。轉(zhuǎn)載機(jī)的機(jī)頭部由支撐小車(chē)相連并承托，支撐小車(chē)跨坐在自移機(jī)尾中間架上，中間架兩側(cè)有導(dǎo)軌，支撐小車(chē)下部有支撐輪在導(dǎo)軌上與自移機(jī)尾相對(duì)運(yùn)動(dòng)。自移機(jī)尾的機(jī)頭部和機(jī)尾部分別與中間架前后兩端相連接。

3）尾架主要由機(jī)尾架體、機(jī)尾改向滾筒、壓帶滾筒、后部調(diào)偏裝置等組成。機(jī)尾改向滾筒安裝在尾端架體的末端，外筒皮有螺旋槽，采用外置式滾筒軸座，稀油潤(rùn)滑。所有滾筒采用集中注油實(shí)現(xiàn)潤(rùn)滑。前后調(diào)偏裝置配合使用，可完成機(jī)尾自移設(shè)備的抬高和側(cè)移等動(dòng)作。這種外筒皮有螺旋槽的滾筒也可稱(chēng)為自清潔滾筒，它可將吸附到輸送帶內(nèi)表面的煤泥、碎矸石等污物，通過(guò)滾筒的轉(zhuǎn)動(dòng)使污物隨螺旋槽從滾筒兩端擠出。另外在機(jī)尾滾筒前部還設(shè)計(jì)有一定傾斜角度的煤泥清掃板，也可把污物清掃收集到U型槽內(nèi)，從機(jī)尾架兩側(cè)排出。

4）支撐小車(chē)是轉(zhuǎn)載機(jī)機(jī)頭的支撐和連接裝置，當(dāng)小車(chē)與轉(zhuǎn)載機(jī)頭連接固定后，可將其與轉(zhuǎn)載機(jī)看作一個(gè)整體，支撐小車(chē)又與推移缸相連，它在自移機(jī)尾推移前進(jìn)及調(diào)偏側(cè)移過(guò)程中起到固定支點(diǎn)的作用。小車(chē)具有多個(gè)自由度，可適應(yīng)轉(zhuǎn)載機(jī)頭部及自移機(jī)尾的不同位置狀態(tài)需要。

5）潤(rùn)滑系統(tǒng)主要由多通塊、油管等組成。通過(guò)潤(rùn)滑系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)單點(diǎn)完成對(duì)所有滾筒等旋轉(zhuǎn)部位的潤(rùn)滑。

6）液壓系統(tǒng)（如圖2所示）主要由以下幾部分組成:操作閥組、、液壓管路、推移液壓缸2件、抬升液壓缸4件，調(diào)偏液壓缸4件、浮動(dòng)托輥組調(diào)節(jié)液壓缸2件、液控單向閥、安全閥等。通過(guò)液壓系統(tǒng)可以將系統(tǒng)壓力轉(zhuǎn)化為機(jī)尾自移設(shè)備推移、抬升、左右擺動(dòng)等的動(dòng)力，從而實(shí)現(xiàn)自移機(jī)尾進(jìn)行推移、側(cè)移、抬高等操作。

圖2 液壓原理圖

液壓控制閥設(shè)置在自移機(jī)尾機(jī)頭部，這里視野較開(kāi)闊，還便于工人觀察設(shè)備整體運(yùn)行狀況、觀察煤流和對(duì)設(shè)備的操作。液壓控制閥安裝位置可根據(jù)采煤面的左右方向需要調(diào)整，滿足采煤工作面更換方向的需要。

2.3 工作原理

自移機(jī)尾液壓系統(tǒng)與液壓支架液壓系統(tǒng)采用同一動(dòng)力源，均以高壓乳化液為動(dòng)力，以機(jī)頭架、中間架、尾架為主體，轉(zhuǎn)載機(jī)、順槽底板互相作為支點(diǎn)固定，利用轉(zhuǎn)載機(jī)、自移機(jī)尾與順槽底板間的摩擦力，通過(guò)對(duì)液壓控制閥的操作，配合各液壓元件各司其職，使各液壓液壓缸產(chǎn)生伸縮運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)自移機(jī)尾調(diào)高、調(diào)偏、前移等功能。

2.4 工作過(guò)程

2.4.1 推移

當(dāng)采煤機(jī)完成一定截深后，液壓支架向前推動(dòng)工作面輸送前移，轉(zhuǎn)載機(jī)隨之前移，與轉(zhuǎn)載機(jī)相聯(lián)的支撐小車(chē)也一起在中間架上部的軌道上相對(duì)于自移機(jī)尾主體前移，下部與小車(chē)相聯(lián)的推移液壓缸活塞桿回縮,當(dāng)轉(zhuǎn)載機(jī)和支撐小車(chē)前移3個(gè)步距（約2 400 mm），活塞桿基本全部回縮至缸體內(nèi),此時(shí)自移機(jī)尾即可向前推移。操作液壓系統(tǒng)控制閥，使立缸回縮，機(jī)尾底在順槽底板上落實(shí)，再操縱推移缸控制閥，使推移液壓缸活塞桿伸出，推動(dòng)與其相聯(lián)的機(jī)尾架體，此時(shí)與轉(zhuǎn)載機(jī)相連的支撐小車(chē)作為推移固定支點(diǎn)，即可推動(dòng)自移機(jī)尾整體前移。

2.4.2 抬高

當(dāng)自移機(jī)尾在有起伏的巷道通過(guò)時(shí)，為使自移機(jī)尾各部位處于適當(dāng)?shù)母叨裙ぷ鳎@時(shí)需操作液壓控制閥使調(diào)高液壓缸伸縮（行程≤250 mm），使機(jī)尾前后左右都處于合適的高度，完成調(diào)高操作。

2.4.3 調(diào)偏

首先操作調(diào)高立缸使機(jī)尾升起離開(kāi)順槽底板，只留調(diào)偏裝置的滑靴支撐機(jī)尾；自移機(jī)尾通過(guò)調(diào)高立缸與調(diào)偏裝置的滑塊連接，自移機(jī)尾以調(diào)偏裝置的滑架為支點(diǎn)，操作水平缸使自移機(jī)尾沿滑架向預(yù)定方向移動(dòng)。側(cè)移水平缸安裝在滑架中間位置，水平缸設(shè)計(jì)調(diào)偏行程為250 mm；一個(gè)調(diào)偏行程完成后，操作調(diào)高立缸回縮將自移機(jī)尾落到順槽底板上，同時(shí)使滑架抬高完全離開(kāi)底板。操作水平缸使滑架處于機(jī)尾中間位置，一個(gè)行程的調(diào)偏操作完成。如機(jī)尾側(cè)移距離大于設(shè)計(jì)調(diào)偏行程，可重復(fù)執(zhí)行如上操作，直到符合要求調(diào)偏距離。每次調(diào)偏操作最后，應(yīng)使水平缸恢復(fù)中位。操作時(shí)調(diào)偏裝置時(shí)，既可同操作前后調(diào)偏裝置向一個(gè)方向移動(dòng)自移機(jī)尾的前、后端，也可以單獨(dú)移動(dòng)自移機(jī)尾的一端或同時(shí)向相反的方向移動(dòng)自移機(jī)尾的前、后端在一定范圍內(nèi)側(cè)移，俗稱(chēng)“調(diào)角”。

調(diào)偏操作可實(shí)現(xiàn)調(diào)整膠帶運(yùn)輸機(jī)膠帶側(cè)偏、轉(zhuǎn)載機(jī)前進(jìn)方向矯正等功能。

2.5 優(yōu)化和創(chuàng)新

為滿足高效可靠的要求在研發(fā)設(shè)計(jì)時(shí)做了以下優(yōu)化和創(chuàng)新。

2.5.1 材料的選擇

整體選材采用Q355板材焊接。其中與膠帶接觸磨損較嚴(yán)重的部位如各部件中板、底板等采用NM360鋼板代替原Q355鋼材，Q355鋼材的屈服強(qiáng)度δs為355 MPa,抗拉強(qiáng)度δb：450～630 MPa，NM360屈服強(qiáng)度δs在八百多兆帕，抗拉強(qiáng)度δb在1000 MPa以上，且NM360鋼板經(jīng)驗(yàn)證在10～30 kJ熱輸入條件下，采用CO2氣體保護(hù)焊和埋弧焊時(shí)都具有良好的焊接性能。NM360鋼板的應(yīng)用既保證了構(gòu)件的機(jī)械性能又增加了易磨損部位的耐磨性，提高了自移機(jī)尾的可靠性。

2.5.2 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

自移機(jī)尾機(jī)頭架、中間架、機(jī)頭架等主要各構(gòu)件都采用鋼板焊接箱型結(jié)構(gòu)。例如：由于自移機(jī)尾工作時(shí)，中間架處于懸空狀態(tài)，故自移機(jī)尾中間架的設(shè)計(jì)尤為重要。由于箱型梁結(jié)構(gòu)抗拉強(qiáng)度高，彈性模量高，材料利用效率高，延展性、韌性好，抗震性優(yōu)越，能有效地發(fā)揮鋼板的承載能力。經(jīng)研究決定，中間架主要受力部位采用箱型梁結(jié)構(gòu)。經(jīng)受力分析（垂直受力值取600 kN，如圖3所示）可得：箱型梁結(jié)構(gòu)的使用，可在保證技術(shù)要求和機(jī)械性能的前提下，簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，減輕重量，降低制造難度。通過(guò)對(duì)自移機(jī)尾整體結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，不僅減輕了重量，降低了制造難度，還可縮小大部件尺寸，最大部件長(zhǎng)度控制在5 m以內(nèi)，以保證井下安裝、運(yùn)輸?shù)囊蟆?/p>

圖3 主要構(gòu)件受力分析

2.5.3 機(jī)尾滾筒優(yōu)化

機(jī)尾滾筒采用自清掃螺旋滾筒。即機(jī)尾滾筒表面布有左右對(duì)稱(chēng)的正反螺紋溝槽，螺紋采用鋼板條制作，并沿滾筒徑向中間軸線左右對(duì)稱(chēng)的。在滾筒旋轉(zhuǎn)過(guò)程中，膠帶內(nèi)側(cè)面上附著的碎煤等雜物會(huì)隨滾筒的轉(zhuǎn)動(dòng)經(jīng)螺紋槽自動(dòng)向滾筒兩側(cè)排出，附著物的減少增大了膠帶與轉(zhuǎn)動(dòng)滾筒間的摩擦力，提高了轉(zhuǎn)動(dòng)效率，同時(shí)左右對(duì)稱(chēng)的螺紋還有一定防止膠帶跑偏的作用。

2.5.4 機(jī)尾滾筒安裝方式創(chuàng)新

機(jī)尾滾筒采有傳統(tǒng)內(nèi)置式軸座改為外置軸座。滾筒的損壞大部分都是因?yàn)樾D(zhuǎn)部位的損壞造成的，因此把旋轉(zhuǎn)部位與滾筒體分開(kāi)設(shè)計(jì)便于滾筒使用過(guò)程中的維護(hù)和軸座損壞后的更換。更換軸座相比于更換滾筒勞動(dòng)強(qiáng)度大大減小，操作更加簡(jiǎn)單、更加省力，從而提高了更換效率、節(jié)約了人力成本。

2.5.5 液壓系統(tǒng)優(yōu)化

1）為保證液壓系統(tǒng)內(nèi)乳化液的清潔在液壓系統(tǒng)進(jìn)液端設(shè)置手動(dòng)反沖洗過(guò)濾器，便于自移機(jī)尾液壓系統(tǒng)的自清潔。手動(dòng)反沖洗過(guò)濾器體積小，拆裝方便，便于操作，維護(hù)容易。

2）為保證左右推移液壓缸推移時(shí)同步伸縮，在推移液系統(tǒng)中設(shè)置分流集流閥，當(dāng)2個(gè)推移液壓缸承受不同的負(fù)載時(shí)，分流集流閥能保證其同步伸縮，避免因2個(gè)缸推移時(shí)不同步而造成的設(shè)備卡阻或損壞。采用分流集流閥的液壓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、制造容易、可靠性強(qiáng)。

另外，各液壓缸內(nèi)腔、活塞桿等零部件采用鍍銅錫合金工藝，其余液壓元件如各種接頭、閥件等使用不銹鋼材質(zhì)，增加了元件耐腐蝕性，提高了液壓系統(tǒng)可靠性和使用壽命。

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)研發(fā)優(yōu)化，本自移機(jī)尾的結(jié)構(gòu)更加科學(xué)合理，使用壽命得到延長(zhǎng)，維護(hù)保養(yǎng)更加方便。據(jù)統(tǒng)計(jì)，原同型號(hào)自移機(jī)尾平均運(yùn)量在200～300萬(wàn)t左右需進(jìn)行大修，通過(guò)在兗礦集團(tuán)兗州煤業(yè)公司興隆莊煤礦的應(yīng)用，本型號(hào)自移機(jī)尾運(yùn)量在400～500萬(wàn)t左右方需要大修，相較其它同類(lèi)型自移機(jī)尾使用效果更好，有效提高了煤炭產(chǎn)量，減輕了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，得到了礦方的認(rèn)可。

本形式的自移機(jī)尾還可以根據(jù)不同礦井使用要求和條件，選擇不同的技術(shù)參數(shù)，開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)成系列化產(chǎn)品，可適用于不同礦井條件，適用于1 200、1 400、1 600 mm等不同帶寬的帶式輸送機(jī)。目前，適用于1 800 mm帶寬的自移機(jī)尾已在兗礦集團(tuán)未來(lái)能源金雞灘煤礦投入使用，使用效果良好，為企業(yè)創(chuàng)造了可觀的積極效益和良好的社會(huì)效益。

隨著采煤技術(shù)的不斷進(jìn)步，現(xiàn)代化、智能化礦井的全面推進(jìn)建設(shè)，自移機(jī)尾也應(yīng)適應(yīng)煤礦發(fā)展，智能化將是未來(lái)自移機(jī)尾的研發(fā)方向。利用北斗定位系統(tǒng)、5G技術(shù)等新技術(shù)、新方案，結(jié)合煤礦現(xiàn)有技術(shù)條件實(shí)現(xiàn)自移機(jī)尾自動(dòng)姿態(tài)調(diào)整、遠(yuǎn)程控制等，與煤礦智能系統(tǒng)有機(jī)結(jié)合，成為智能礦山不可或缺的有機(jī)組成部分。