適用于機械化采煤工作面轉(zhuǎn)載機的設計

陳 璐

（陽泉煤業(yè)（集團）平定東升興裕煤業(yè)有限公司， 山西 陽泉 045000）

0 引言

當前，采煤工作面開采效率不僅與采煤機、帶式輸送機以及液壓支架等主要綜采設備的性能相關(guān)；而且，與工作面其他工序所涉及到的生產(chǎn)的自動化水平也息息相關(guān)。在傳統(tǒng)工作面生產(chǎn)的矸石處理中主要依靠人工進行完成，其效率偏低，嚴重制約著綜采工作面的整體效率。鑒于采煤工作面的空間相對狹小，其他轉(zhuǎn)載機無法在其中適用。因此，急需設計一套可在狹小采煤工作面適用的轉(zhuǎn)載機，提高工作面的轉(zhuǎn)運效率。本文將結(jié)合上述需求完成適用于高效率機械化采煤工作面轉(zhuǎn)載機的設計。

1 轉(zhuǎn)載機總體結(jié)構(gòu)設計

根據(jù)行走方式的不同，可將轉(zhuǎn)載機分為輪式轉(zhuǎn)載機和履帶式轉(zhuǎn)載機；根據(jù)動力源的不同，可將轉(zhuǎn)載機分為電動式、柴油式以及蓄電池式等[1]。為滿足轉(zhuǎn)載機在狹小采煤工作面的適用要求，所設計的轉(zhuǎn)載機結(jié)構(gòu)應盡可能的小。鑒于綜采工作面地面不平整，本文擬采用履帶式行走的轉(zhuǎn)載機；鑒于綜采工作面存在瓦斯爆炸的風險，采用電動的動力源對裝載進行驅(qū)動，初步設計轉(zhuǎn)載機的總體結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 轉(zhuǎn)載機總體結(jié)構(gòu)示意圖

結(jié)合采煤工作面的轉(zhuǎn)運需求，要求所設計的轉(zhuǎn)載機具備自插入工況、鏟裝工況、舉升工況以及卸載工況的正常運行功能。與地面轉(zhuǎn)載機不同，采煤工作面的小型轉(zhuǎn)載機與地面轉(zhuǎn)載機的主要區(qū)別如下：

1）采煤工作面小型轉(zhuǎn)載機收斗角相比地上轉(zhuǎn)載機大。

2）采煤工作面小型轉(zhuǎn)載機卸載角度相比地上轉(zhuǎn)載機小，一般為30°～45°之間[2]。

結(jié)合所設計轉(zhuǎn)載機在采煤工作面應用條件，初步將轉(zhuǎn)載機的尺寸確定如下[3]：

1）機身寬度的確定：機身寬度需要結(jié)合巷道的寬度，同時還需考慮巷道內(nèi)礦車的寬度，將本工程轉(zhuǎn)載機機身寬度初步確定為1 000 mm。

2）卸載高度的確定：要求轉(zhuǎn)載機的卸載高度大于礦車的高度，低于采煤工作面巷道的高度；本工程中巷道內(nèi)礦車的高度為1 290 mm，工作面巷道的邊緣高度為1 500 mm。最終確定轉(zhuǎn)載機的卸載高度為1 400 mm。

3）卸載距離和卸載角度的確定：要求轉(zhuǎn)載機在最大卸載高度可將鏟斗中的物料不灑落在履帶上。最終確定轉(zhuǎn)載機的卸載距離為636 mm，卸載角度為34°。

2 轉(zhuǎn)載機鏟斗及動臂的結(jié)構(gòu)設計

鏟斗直接決定轉(zhuǎn)載機的裝載能力，而動臂決定轉(zhuǎn)載機的受力情況和卸載能力。因此本節(jié)重點對轉(zhuǎn)載機的關(guān)鍵部件鏟斗和動臂進行設計。

2.1 鏟斗的結(jié)構(gòu)設計

本文設計的轉(zhuǎn)載機的主要作用是將采煤工作面的矸石進行轉(zhuǎn)運。根據(jù)采煤工作面的工序安排，要求所設計的轉(zhuǎn)載機在2 h 內(nèi)完成60 m3矸石的轉(zhuǎn)運任務；經(jīng)計算，要求轉(zhuǎn)載機在360 次的動作完成轉(zhuǎn)運任務。則要求轉(zhuǎn)載機鏟斗的體積不得小于60 m3/360 次=0.16 m3。考慮到并不是每次鏟斗均能夠裝滿矸石，初步設計轉(zhuǎn)載機的容積為0.2 m3[4]。

鏟斗形式包括有直線型鏟斗和非直線型鏟斗。其中，直線型鏟斗主要適用于對密度較小且比較松散物料的裝運任務；非直線鏟斗適用于對密度大物料的裝運任務，而且裝運效率較高。因此，本文轉(zhuǎn)載機采用非直線型的V 型切削刃的鏟斗。在相關(guān)理論計算的基礎上，得出轉(zhuǎn)載機鏟斗的關(guān)鍵參數(shù)如表1 所示。

表1 轉(zhuǎn)載機鏟斗關(guān)鍵參數(shù)

2.2 動臂的結(jié)構(gòu)設計

在鏟斗結(jié)構(gòu)設計的基礎上，本小節(jié)重點對動臂的結(jié)構(gòu)進行設計，尤其是對動臂與機身車架的鉸接位置進行合理設計，盡可能地保證整機在裝載過程中承受的阻力較小。

2.2.1 動臂結(jié)構(gòu)形式的確定

動臂的斷面形狀可采用單板、雙板以及箱形的結(jié)構(gòu)形式。綜合對比上述三種斷面形狀動臂的優(yōu)劣勢，本轉(zhuǎn)載機采用單板斷面形狀的動臂結(jié)構(gòu)形式。

2.2.2 動臂鉸接位置的確定

動臂與機身、鏟斗、機架、轉(zhuǎn)斗油缸和舉升油缸的鉸接位置將直接決定轉(zhuǎn)載機在轉(zhuǎn)運過程中所承受的阻力，從而影響轉(zhuǎn)載機裝運效率。

圖1 中，動臂與機架鉸接位置（A 點）的確定標準，主要與鏟斗的極限位置、履帶驅(qū)動輪的中心距離相關(guān)；動臂與舉升油缸鉸接位置（B 點和C 點）的確定標準為保證舉升力臂盡可能的小，保證鉸接靠近鏟斗的方向；動臂與轉(zhuǎn)斗油缸鉸接位置（D 點和E 點）確定的標準為盡可能地減小轉(zhuǎn)載機在卸載過程中油缸的形成，保證轉(zhuǎn)斗油缸的剛度；動臂與鏟斗的鉸接位置（F 點）確定的標準為：保證鏟斗可以正常插入物料中[5]。

根據(jù)上述設計標準，對上述鉸接點的坐標進行賦值，賦值結(jié)果如表2 所示。表2 中，h1為F 點與地面之間的高度差；h2為E 點與F 點的高度差；h3為A 點和D 點的高度差；h4為A 點與C 點的高度差；h5為A 點與F 點的高度差；L1為A 點C 點之間的距離；L2為A點和D 點之間的距離；L3為D 點和E 點之間的距離；L4為E 點和F 點之間的距離；L5為C 點和F 點之間的距離。

表2 動臂各鉸接點坐標賦值及參數(shù)

結(jié)合上述設計標準，確定表2 中各項參數(shù)結(jié)果如表3 所示。

表3 動臂各鉸接點初步設計參數(shù)

對上述動臂鉸接形式下，轉(zhuǎn)載機在正載工況下的各個鉸接點的受力進行計算，計算結(jié)果如表4 所示。

表4 制動臂初步設計的各鉸接點的受力計算結(jié)果

為了盡可能地減少各鉸接點的受力，保證整機的使用壽命，對各鉸接點的坐標采用MATLAB 軟件進行優(yōu)化，優(yōu)化結(jié)果如表5 所示。

表5 動臂各鉸接點優(yōu)化參數(shù)

對優(yōu)化后動臂各鉸接點的受力情況進行仿真分析，得出F 點的受力從7.19×104N 減小為6.53×104N，達到了預期的優(yōu)化效果。

3 結(jié)語

采煤工作面的生產(chǎn)能力除了與采煤機、輸送設備以及液壓支架等主要設備的工作性能相關(guān)外，還與輔助運輸設備的性能相關(guān)。對于采煤工作面矸石場矸石的運輸任務，傳統(tǒng)采用人工方式進行轉(zhuǎn)運，效率較低。為此，本文設計了可在狹小工作面應用的小型轉(zhuǎn)載機，主要完成了鏟斗結(jié)構(gòu)和動臂鉸接位置的設計任務。同時，本著盡可能減小鉸接點受力的目標對鉸接位置參數(shù)進行優(yōu)化，優(yōu)化后鉸接點的最大受力減小9.18%。