牛江波

（山西新景礦煤業(yè)有限公司，山西 太原 045000）

引言

“采、裝、運(yùn)、支”為煤礦生產(chǎn)的四大環(huán)節(jié)，各個(gè)環(huán)節(jié)的效率最終決定煤礦生產(chǎn)能力。裝載、運(yùn)輸為煤礦生產(chǎn)中兩個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)，在傳統(tǒng)裝運(yùn)過程中采用人字軌道交換空礦車和滿礦車的位置，該裝運(yùn)方式不僅效率低，而且安全系數(shù)低，均無法實(shí)現(xiàn)綜采工作面的連續(xù)裝載、運(yùn)輸，為解決上述問題，皮帶臥式延伸裝載機(jī)應(yīng)運(yùn)而生。皮帶臥式延伸裝載機(jī)可同時(shí)對(duì)7輛礦車進(jìn)行裝載，從根本上解決了傳統(tǒng)裝運(yùn)方式無法連續(xù)性裝載的問題[1]。本文將對(duì)裝載牽引車進(jìn)行設(shè)計(jì)，旨在提升工作面煤炭的裝載、運(yùn)輸效率。

1 裝載牽引車關(guān)鍵機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

一般的，煤礦裝載牽引車的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 煤礦裝載牽引車結(jié)構(gòu)示意圖

皮帶臥式延伸裝載機(jī)主要由牽引車、支撐車和礦車三部分組成。牽引車為皮帶臥式延伸裝載機(jī)核心部件，是裝載機(jī)的動(dòng)力源泉。一般的，皮帶傳動(dòng)系統(tǒng)位于牽引車車廂內(nèi)部，旨在節(jié)省空間。此外，牽引車還能夠保證裝載機(jī)整機(jī)的共同前進(jìn)，確保支撐車也處于同步運(yùn)行狀態(tài)。目前，新景礦所采用皮帶臥式延伸裝載機(jī)牽引車的基本參數(shù)如表1所示。

表1 皮帶臥式延伸裝載機(jī)關(guān)鍵參數(shù)

1.1 行走機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

牽引車行走機(jī)構(gòu)負(fù)責(zé)對(duì)皮帶臥式延伸裝載機(jī)整機(jī)的運(yùn)行，根據(jù)其功能，主要包括有電動(dòng)機(jī)、聯(lián)軸器、減速器、錐齒輪傳動(dòng)副以及傳動(dòng)輪對(duì)等。

輪對(duì)為牽引車直接與軌道相接觸的部件，不僅承擔(dān)牽扯的重量，而且還為系統(tǒng)提供適當(dāng)?shù)臓恳椭苿?dòng)力。輪對(duì)的設(shè)計(jì)主要為車輪和車軸兩個(gè)部件的設(shè)計(jì)[2]。根據(jù)皮帶臥式延伸裝載機(jī)的日常運(yùn)載任務(wù)，將車輪的內(nèi)徑設(shè)計(jì)為300 mm，外徑設(shè)計(jì)為285 mm；為防止車輪在正常運(yùn)輸過程中出現(xiàn)掉軌的事故，需在車輪內(nèi)側(cè)焊接厚度為15 mm，直徑為350 mm的擋板。為了便于車軸的安裝與拆卸，將車軸設(shè)計(jì)為中間粗兩邊細(xì)的階梯軸，且車軸所選材料為碳合金鋼并對(duì)其進(jìn)行正火、調(diào)質(zhì)和常規(guī)的熱處理。

車軸各段的直徑和長(zhǎng)度如下：第一段、第九段軸為螺紋結(jié)構(gòu)，其主要是對(duì)車輪的軸向方向進(jìn)行固定，該區(qū)域軸的直徑為35 mm，長(zhǎng)度為20 mm；第二段、第八段與車輪相配合，該區(qū)域軸的直徑為45 mm，長(zhǎng)度為55 mm；第三段、第七段與軸承相配合，該區(qū)域軸的直徑為55 mm，長(zhǎng)度為120 mm；第四段為過渡段，主要方便軸承在軸向方向的固定，根據(jù)軸承的位置和牽引車的寬度，該段區(qū)域的直徑為60 mm，長(zhǎng)度為50 mm；第五段與錐形軸承配合，根據(jù)錐形齒輪的內(nèi)徑為65 mm，該區(qū)域軸的直徑為65 mm，長(zhǎng)度為100 mm；第六段主要是保證錐形齒輪和右側(cè)軸承之間的位置，該區(qū)域軸的直徑為75 mm，長(zhǎng)度為150mm。所設(shè)計(jì)車軸的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 車軸結(jié)構(gòu)示意圖

結(jié)合皮帶臥式延伸裝載機(jī)牽引車所牽引礦車的數(shù)量和每臺(tái)礦車的額定容量，經(jīng)核算，若想滿足實(shí)際運(yùn)輸需求，要求行走機(jī)構(gòu)的電機(jī)的額定功率大于2.65 kW。對(duì)市場(chǎng)當(dāng)前電機(jī)的型號(hào)進(jìn)行比對(duì)，最終確定牽引車電機(jī)的型號(hào)為YBK2-112M-4，該型電機(jī)的額定功率為4 kW，額定轉(zhuǎn)速為1 440 r/min，傳動(dòng)效率為82%。

1.2 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

牽引車主要為臥式皮帶延伸裝載機(jī)的皮帶運(yùn)輸系統(tǒng)提供動(dòng)力。對(duì)于臥式皮帶延伸裝載機(jī)而言，其皮帶運(yùn)輸部件位于牽引車的上方，對(duì)應(yīng)的皮帶運(yùn)輸部的動(dòng)力分系統(tǒng)為牽引車機(jī)架上方。牽引車電機(jī)傳動(dòng)動(dòng)力通過鏈傳動(dòng)與皮帶運(yùn)輸部的滾筒相連接，實(shí)現(xiàn)牽引車動(dòng)力至皮帶的傳送[3]。

牽引車電機(jī)與傳輸分系統(tǒng)滾筒之間的中心距離為0.6 m，鏈傳動(dòng)的傳動(dòng)比為1，傳遞速度為1.5 m/s。

1.3 牽引車車架的設(shè)計(jì)

牽引車車架需對(duì)其輪對(duì)進(jìn)行固定，承擔(dān)牽引電機(jī)、減速器以及其他裝置的重量；結(jié)合設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，將牽引車車廂的壁厚設(shè)計(jì)為7 mm；將厚度為7 mm的角鋼打孔并裁斷后作為車廂的托架；采用型號(hào)為16#b的槽鋼，并結(jié)合電機(jī)、減速器以及其他裝置在車廂內(nèi)的布置情況，焊接高度為160 mm，寬度為65 mm，壁厚為8.5 mm的車架。

考慮到綜采工作面的空間有限以及搬運(yùn)便捷性的問題，而且車架為牽引車承擔(dān)其重量的主要機(jī)構(gòu)，需對(duì)上述設(shè)計(jì)的牽引車車架進(jìn)行有限元分析，并對(duì)最終車架的材料選型和尺寸確定進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

2 牽引車車架的優(yōu)化設(shè)計(jì)

經(jīng)采用ANSYS仿真軟件對(duì)牽引車車架分析后得知：當(dāng)前參數(shù)的牽引車車架的最大應(yīng)力和變形均非常小[4]。因此，對(duì)牽引車車架結(jié)構(gòu)尺寸及選材進(jìn)行優(yōu)化，以達(dá)到減重、節(jié)約材料的目的。

牽引車車架從整體上講其變形很小，具體分析可知牽引車架的最大變形位于車側(cè)壁上方的中間位置。為保證后續(xù)生產(chǎn)的安全性，提升牽引車車架車廂抵抗變形的能力，在車側(cè)壁上方的中間位置焊接一塊厚度為7 mm、寬度為30 mm的鋼板。

而且，牽引車整體上所承受的最大應(yīng)力位于牽引車車廂與車架相連接的位置，即在二者相連接位置存在應(yīng)力集中現(xiàn)象。為減小車廂與車架連接位置的應(yīng)力集中現(xiàn)象，在其直角連接區(qū)域焊接一條圓弧倒角。

在上述應(yīng)力及變形嚴(yán)重位置優(yōu)化的基礎(chǔ)上，牽引車整體選材為Q235，其許用應(yīng)力和許可變形遠(yuǎn)大于其實(shí)際的應(yīng)力和變形。因此，在保證牽引車可安全運(yùn)行的基礎(chǔ)上對(duì)機(jī)架的結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行優(yōu)化，根據(jù)當(dāng)前機(jī)架的尺寸采用如表2所示的方案對(duì)牽引車機(jī)架的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。

表2 牽引車機(jī)架結(jié)構(gòu)尺寸優(yōu)化方案 mm

經(jīng)仿真分析可知，1號(hào)—5號(hào)方案的最大位移、最大應(yīng)力均增大，而對(duì)應(yīng)的機(jī)架的整體重量依次減小。而且，雖然5號(hào)方案的應(yīng)變和應(yīng)力雖然最大，但是其仍然在安全范圍之內(nèi)[5]。因此，選用5號(hào)方案對(duì)牽引車機(jī)架的結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行優(yōu)化，經(jīng)優(yōu)化后牽引車機(jī)架質(zhì)量為936 kg，與原尺寸機(jī)架相比整體質(zhì)量減小136.95 kg。

3 結(jié)語(yǔ)

皮帶臥式延伸裝載機(jī)為當(dāng)前解決煤礦傳統(tǒng)裝運(yùn)不連續(xù)、效率低的設(shè)備。總體來講，皮帶臥式延伸裝載機(jī)結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，本文著重對(duì)其牽引車的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，包括行走機(jī)構(gòu)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)以及機(jī)架。經(jīng)有限元仿真分析后，初始參數(shù)牽引車機(jī)架存在材料浪費(fèi)的問題，對(duì)牽引車機(jī)架兩側(cè)鋼板厚度、前后鋼板厚度以及車架槽鋼的厚度進(jìn)行優(yōu)化，最終兩側(cè)鋼板的厚度為4.5 mm，前后鋼板厚度為4 mm，車架槽鋼的厚度為5 mm。