裝煤機履帶行走機構(gòu)選用分析

張 旭

（山西方華機械有限公司，山西陽泉 045000）

0 引言

裝煤機廣泛應(yīng)用在煤礦裝載及運輸中，大大提高煤礦的生產(chǎn)率，裝煤機履帶行走機構(gòu)的穩(wěn)定性是裝煤機工作效率的可靠保證。履帶行走機構(gòu)直接與地面接觸，滿足合理的接地比壓，并提供足夠的動力驅(qū)動裝煤機行走。由于履帶工況條件比較惡劣，經(jīng)常與泥、砂石、水相接觸，同時履帶還承受沖擊負荷[1]。選用履帶行走機構(gòu)需要充分考慮履帶的附著性能、強度、剛度、耐磨性、耐腐蝕等因素，為了減小裝煤機的接地比壓，有效發(fā)揮動力設(shè)備的驅(qū)動效率，履帶行走機構(gòu)重量要輕。履帶行走機構(gòu)的合理選用對提高裝煤機的承載性能及牽引力有重要的意義。

1 履帶行走機構(gòu)基本形式

履帶行走機構(gòu)主要包括：履帶鏈、導向輪、張緊裝置、履帶架、支重輪、驅(qū)動裝置、驅(qū)動鏈輪等部分。由于裝煤機屬于移動裝載設(shè)備，其履帶行走機構(gòu)一般采用液壓馬達進行驅(qū)動，根據(jù)履帶驅(qū)動裝置的位置不同，履帶行走機構(gòu)的機構(gòu)形式有兩種：動力內(nèi)置式履帶行走機構(gòu)和動力外置式履帶行走機構(gòu)[2]。

動力內(nèi)置式履帶行走機構(gòu)，由于內(nèi)置動力元件，考慮到內(nèi)置元件的安裝及檢修空間因素，履帶體積設(shè)計得較大，動力越大，履帶尺寸也隨之增大。動力裝置外置式履帶行走機構(gòu)，動力安裝在履帶鏈外側(cè)，通過傳動系統(tǒng)驅(qū)動履帶行走，履帶鏈尺寸設(shè)計不受動力元件約束，相對于內(nèi)置式履帶行走機構(gòu)，同樣驅(qū)動力的履帶外形尺寸可以設(shè)計得更小，適應(yīng)煤礦井下生產(chǎn)設(shè)備空間要求[3]。

2 履帶行走機構(gòu)牽引力大小的影響因素

履帶行走機構(gòu)驅(qū)動力矩計算公式[4]：

式中：F為牽引力，N；M為動力裝置輸出轉(zhuǎn)矩，N·m；R為驅(qū)動鏈輪節(jié)圓半徑，m；η為機械效率，%。

從式（1）可以看出，牽引力與驅(qū)動鏈輪節(jié)圓半徑成反比關(guān)系。同樣動力裝置輸出轉(zhuǎn)矩下，驅(qū)動鏈輪節(jié)圓半徑越大，得到需要的牽引力越小。因此，減小驅(qū)動鏈輪節(jié)圓半徑可有效提高裝煤機的牽引力。

2.1 動力內(nèi)置式履帶行走機構(gòu)

動力內(nèi)置式履帶行走機構(gòu)，動力裝置和履帶架安裝在外層履帶形成的閉環(huán)中，裝載機運行時，動力元件有履帶保護。動力組成包括：軸向柱塞馬達、大速比行星傳動機構(gòu)。在動力裝置輸出殼體上直接安裝驅(qū)動鏈輪，驅(qū)動鏈輪與動力裝置組成一體。通過驅(qū)動鏈輪與履帶嚙合傳動扭矩，驅(qū)動履帶行走[5]。

由于履帶輪直接與動力裝置輸出殼體聯(lián)結(jié)，驅(qū)動輪內(nèi)徑、外徑尺寸受到動力裝置殼體大小的影響，考慮到動力裝置的安裝及檢修空間，內(nèi)置式履帶行走機構(gòu)體積較大，驅(qū)動鏈輪節(jié)圓半徑較大。

2.2 動力外置式履帶行走機構(gòu)

動力外置式履帶行走機構(gòu)，動力組成包括：低速大扭矩液壓馬達、行星傳動機構(gòu)（單級）。動力裝置安裝在履帶架外側(cè)，驅(qū)動輪尺寸不受驅(qū)動單元尺寸的限制，相對于動力內(nèi)置式履帶行走機構(gòu)，動力外置式履帶行走機構(gòu)具有更小的驅(qū)動鏈輪節(jié)圓半徑。

從式（1）可以看出，動力裝置輸出轉(zhuǎn)矩與驅(qū)動輪節(jié)圓半徑大小成正比。由于動力外置式履帶行走機構(gòu)驅(qū)動輪節(jié)圓半徑較小，相等的牽引力下，需要的動力裝置輸出轉(zhuǎn)矩也小。動力裝置體積減小，履帶行走機構(gòu)的體積相應(yīng)減小，整機重量減輕，驅(qū)動系統(tǒng)功率降低。動力外置式履帶行走機構(gòu)牽引力的增大不受動力元件空間限制，僅需要通過調(diào)整液壓馬達安裝法蘭安裝尺寸，并把對應(yīng)的履帶架部分進行局部加固，其他部件保持不變，可在不增大設(shè)備體積的情況下獲得更大的牽引力。

裝煤機能正常行走的必要條件是牽引力應(yīng)小于或等于額定附著力，額定附著力的計算公式為[6]：

式中：R為額定附著力，N；M為整機重量，kg；g為重力加速度，m/s2；μ為附著系數(shù)，如表1所示。

表1 履帶機械不同路面的附著系數(shù)

裝煤機履帶行走裝置最大牽引力力不僅和動力裝置輸出扭矩有關(guān)，和與地面間的附著力也有關(guān)系，由式（2）可以看出，通過增大裝煤機重量可直接增加地面附著力動力，同樣驅(qū)動功率下的履帶行走機構(gòu)的牽引力可達到最大值[7]。動力外置式履帶行走機構(gòu)的結(jié)構(gòu)可增大裝煤機重量，同時可保持裝煤機最大外形尺寸不改變。在滿足現(xiàn)場接地比壓的前提下獲得最大牽引力，適應(yīng)井下狹小空間的要求。

3 接地比壓對履帶行走機構(gòu)的要求

裝煤機屬于移動裝載設(shè)備，可替代人工完成煤炭的裝載及轉(zhuǎn)運工作，由于井下巷道的限制，裝煤機外形尺寸要盡可能小，并滿足接地比壓的要求，行駛及轉(zhuǎn)運才能比較靈活，履帶行走機構(gòu)作為行走部件，和地面直接接觸，履帶行走機構(gòu)平均接地比壓為[8]：

式中：P為平均接地比壓，Pa；G為設(shè)備整機重量，N；L為履帶行走機構(gòu)接地長度(單側(cè))，m；b為履帶板寬度，m。

由式（3）可以看出，裝煤機的平均接地比壓與裝煤機重量成正比，隨著裝煤機整機重量的增大，為了保持接地比壓滿足要求，履帶板寬度b和履帶行走機構(gòu)接地長度L也需要增大。一方面，由于履帶行走機構(gòu)接地長度越大，履帶行走機構(gòu)轉(zhuǎn)向越不靈活。L的增大要滿足轉(zhuǎn)向要求；另一方面，井下巷道空間比較狹小，裝煤機體積越大，機動性能越差，工作死角就相對較多。影響煤巷井下作業(yè)的工作效率[9]。

裝煤機主要用于煤礦井下煤炭的裝載和轉(zhuǎn)運，履帶行走機構(gòu)行走的同時鏟板插入煤堆中，耙爪耙取煤塊通過受料口送料給帶式輸送機，物料通過輸送機進入轉(zhuǎn)運設(shè)備實現(xiàn)物料的裝載運輸。整個工作過程裝煤機要完成鏟取、輸送、轉(zhuǎn)運等工作，因此，裝煤機需要足夠的承載能力及行走能力。由于煤礦井下作業(yè)空間和工作條件的制約，裝煤機外形要求緊湊，移動靈活，減少工作死角，最大層度上代替人力，提高輸送效率。由于驅(qū)動內(nèi)置式履帶架體積較大，在井下煤巷現(xiàn)場相對低矮的工作環(huán)境有一定的局限性[10]。

4 結(jié)論

裝煤機履帶行走裝置設(shè)計的合理性直接關(guān)系到裝煤機的移動速度及運載能力。本文作者從裝煤機牽引力與驅(qū)動鏈輪直徑的關(guān)系，牽引力與地面額定附著力的關(guān)系，裝煤機接地比壓要求等方面進行分析，得出裝煤機采用動力外置式履帶行走機構(gòu)比較合理的結(jié)論。通過試驗和現(xiàn)場實際使用，采用動力外置式履帶行走機構(gòu)的裝煤機滿足煤礦井作業(yè)狹小空間的需求，極大提高裝煤機工作效率。同時，裝煤機動力外置式履帶行走機構(gòu)也要解決動力裝置引起的偏重問題及防護問題，才能更好地發(fā)揮其結(jié)構(gòu)的優(yōu)越性。