陳 璐

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

0 引言

當(dāng)前，采煤工作面開采效率不僅與采煤機(jī)、帶式輸送機(jī)以及液壓支架等主要綜采設(shè)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(dòng)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(jìn)行完成，其效率偏低，嚴(yán)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(duì)狹小，其他轉(zhuǎn)載機(jī)無法在其中適用。因此，急需設(shè)計(jì)一套可在狹小采煤工作面適用的轉(zhuǎn)載機(jī)，提高工作面的轉(zhuǎn)運(yùn)效率。本文將結(jié)合上述需求完成適用于高效率機(jī)械化采煤工作面轉(zhuǎn)載機(jī)的設(shè)計(jì)。

1 轉(zhuǎn)載機(jī)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)行走方式的不同，可將轉(zhuǎn)載機(jī)分為輪式轉(zhuǎn)載機(jī)和履帶式轉(zhuǎn)載機(jī)；根據(jù)動(dòng)力源的不同，可將轉(zhuǎn)載機(jī)分為電動(dòng)式、柴油式以及蓄電池式等[1]。為滿足轉(zhuǎn)載機(jī)在狹小采煤工作面的適用要求，所設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)載機(jī)結(jié)構(gòu)應(yīng)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(jī)；鑒于綜采工作面存在瓦斯爆炸的風(fēng)險(xiǎn)，采用電動(dòng)的動(dòng)力源對(duì)裝載進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，初步設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)載機(jī)的總體結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 轉(zhuǎn)載機(jī)總體結(jié)構(gòu)示意圖

結(jié)合采煤工作面的轉(zhuǎn)運(yùn)需求，要求所設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)載機(jī)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(yùn)行功能。與地面轉(zhuǎn)載機(jī)不同，采煤工作面的小型轉(zhuǎn)載機(jī)與地面轉(zhuǎn)載機(jī)的主要區(qū)別如下：

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

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

結(jié)合所設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)載機(jī)在采煤工作面應(yīng)用條件，初步將轉(zhuǎn)載機(jī)的尺寸確定如下[3]：

1）機(jī)身寬度的確定：機(jī)身寬度需要結(jié)合巷道的寬度，同時(shí)還需考慮巷道內(nèi)礦車的寬度，將本工程轉(zhuǎn)載機(jī)機(jī)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(jī)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(jī)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(jī)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(jī)的卸載距離為636 mm，卸載角度為34°。

2 轉(zhuǎn)載機(jī)鏟斗及動(dòng)臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

鏟斗直接決定轉(zhuǎn)載機(jī)的裝載能力，而動(dòng)臂決定轉(zhuǎn)載機(jī)的受力情況和卸載能力。因此本節(jié)重點(diǎn)對(duì)轉(zhuǎn)載機(jī)的關(guān)鍵部件鏟斗和動(dòng)臂進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2.1 鏟斗的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)載機(jī)的主要作用是將采煤工作面的矸石進(jìn)行轉(zhuǎn)運(yùn)。根據(jù)采煤工作面的工序安排，要求所設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)載機(jī)在2 h 內(nèi)完成60 m3矸石的轉(zhuǎn)運(yùn)任務(wù)；經(jīng)計(jì)算，要求轉(zhuǎn)載機(jī)在360 次的動(dòng)作完成轉(zhuǎn)運(yùn)任務(wù)。則要求轉(zhuǎn)載機(jī)鏟斗的體積不得小于60 m3/360 次=0.16 m3?？紤]到并不是每次鏟斗均能夠裝滿矸石，初步設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)載機(jī)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(duì)密度較小且比較松散物料的裝運(yùn)任務(wù)；非直線鏟斗適用于對(duì)密度大物料的裝運(yùn)任務(wù)，而且裝運(yùn)效率較高。因此，本文轉(zhuǎn)載機(jī)采用非直線型的V 型切削刃的鏟斗。在相關(guān)理論計(jì)算的基礎(chǔ)上，得出轉(zhuǎn)載機(jī)鏟斗的關(guān)鍵參數(shù)如表1 所示。

表1 轉(zhuǎn)載機(jī)鏟斗關(guān)鍵參數(shù)

2.2 動(dòng)臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在鏟斗結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，本小節(jié)重點(diǎn)對(duì)動(dòng)臂的結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，尤其是對(duì)動(dòng)臂與機(jī)身車架的鉸接位置進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，盡可能地保證整機(jī)在裝載過程中承受的阻力較小。

2.2.1 動(dòng)臂結(jié)構(gòu)形式的確定

動(dòng)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(duì)比上述三種斷面形狀動(dòng)臂的優(yōu)劣勢(shì)，本轉(zhuǎn)載機(jī)采用單板斷面形狀的動(dòng)臂結(jié)構(gòu)形式。

2.2.2 動(dòng)臂鉸接位置的確定

動(dòng)臂與機(jī)身、鏟斗、機(jī)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(jī)在轉(zhuǎn)運(yùn)過程中所承受的阻力，從而影響轉(zhuǎn)載機(jī)裝運(yùn)效率。

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

根據(jù)上述設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)上述鉸接點(diǎn)的坐標(biāo)進(jìn)行賦值，賦值結(jié)果如表2 所示。表2 中，h1為F 點(diǎn)與地面之間的高度差；h2為E 點(diǎn)與F 點(diǎn)的高度差；h3為A 點(diǎn)和D 點(diǎn)的高度差；h4為A 點(diǎn)與C 點(diǎn)的高度差；h5為A 點(diǎn)與F 點(diǎn)的高度差；L1為A 點(diǎn)C 點(diǎn)之間的距離；L2為A點(diǎn)和D 點(diǎn)之間的距離；L3為D 點(diǎn)和E 點(diǎn)之間的距離；L4為E 點(diǎn)和F 點(diǎn)之間的距離；L5為C 點(diǎn)和F 點(diǎn)之間的距離。

表2 動(dòng)臂各鉸接點(diǎn)坐標(biāo)賦值及參數(shù)

結(jié)合上述設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，確定表2 中各項(xiàng)參數(shù)結(jié)果如表3 所示。

表3 動(dòng)臂各鉸接點(diǎn)初步設(shè)計(jì)參數(shù)

對(duì)上述動(dòng)臂鉸接形式下，轉(zhuǎn)載機(jī)在正載工況下的各個(gè)鉸接點(diǎn)的受力進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如表4 所示。

表4 制動(dòng)臂初步設(shè)計(jì)的各鉸接點(diǎn)的受力計(jì)算結(jié)果

為了盡可能地減少各鉸接點(diǎn)的受力，保證整機(jī)的使用壽命，對(duì)各鉸接點(diǎn)的坐標(biāo)采用MATLAB 軟件進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化結(jié)果如表5 所示。

表5 動(dòng)臂各鉸接點(diǎn)優(yōu)化參數(shù)

對(duì)優(yōu)化后動(dòng)臂各鉸接點(diǎn)的受力情況進(jìn)行仿真分析，得出F 點(diǎn)的受力從7.19×104N 減小為6.53×104N，達(dá)到了預(yù)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(jī)、輸送設(shè)備以及液壓支架等主要設(shè)備的工作性能相關(guān)外，還與輔助運(yùn)輸設(shè)備的性能相關(guān)。對(duì)于采煤工作面矸石場(chǎng)矸石的運(yùn)輸任務(wù)，傳統(tǒng)采用人工方式進(jìn)行轉(zhuǎn)運(yùn)，效率較低。為此，本文設(shè)計(jì)了可在狹小工作面應(yīng)用的小型轉(zhuǎn)載機(jī)，主要完成了鏟斗結(jié)構(gòu)和動(dòng)臂鉸接位置的設(shè)計(jì)任務(wù)。同時(shí)，本著盡可能減小鉸接點(diǎn)受力的目標(biāo)對(duì)鉸接位置參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化后鉸接點(diǎn)的最大受力減小9.18%。