掘進工作面裝載機的設計

李 炎

（陽煤寺家莊有限責任公司開拓三隊， 山西 晉中 045300）

引言

巷道掘進為煤炭開采的基礎，在煤炭開采效率不斷提升的背景下，需進一步提升巷道的掘進速度，從而達到采掘平衡。對于煤巷或者巖石硬度較低的半煤巖巷道可采用懸臂式掘進機進行截割，且其掘進速度能夠達到采掘平衡的標準[1]。而對于純巖石巷（普氏系數(shù)大于8）常采用鉆爆法工藝，其中裝巖工藝耗時最多，嚴重影響了巷道的掘進速度，從而間接影響綜采工作面的開采效率。本文著重研究一款可快速裝巖的新型裝載機，具體闡述如下。

1 挖掘式裝載機概述

挖掘式裝載機主要應用于煤礦巷道的掘進中，能夠實現(xiàn)對掘進巷道內巖石、矸石的連續(xù)裝載。挖掘式裝載機的總體結構如圖1 所示。

圖1 挖掘式裝載機總體結構

如圖1 所示，挖掘式裝載機由6 個分系統(tǒng)組成，其主要應用于對中小型巷道的掘進，且傳統(tǒng)挖掘式裝載機最佳裝載物料的直徑小于500 mm。挖掘式裝載機具有扒取范圍廣、動力足、工作平穩(wěn)等優(yōu)勢，一定程度上大大減輕了掘進工作面作業(yè)人員的勞動強度[2]。為進一步提升挖掘式裝載機的工作效率，本文將對傳統(tǒng)裝載機進行優(yōu)化設計。

2 新型挖掘式裝載機的總體設計

本文以ZWY-160/55 型裝載機為研究對象，經調研其在實際掘進過程中所存在的問題，并在結合

《煤礦安全生產規(guī)程》的相關標準及客戶要求的基礎上，對原裝載機的部分尺寸進行優(yōu)化調整。優(yōu)化調整后裝載機的關鍵參數(shù)如表1 所示。

表1 優(yōu)化調整后裝載機的關鍵參數(shù)

3 新型裝載機液壓系統(tǒng)的設計

根據挖掘式裝載機所應用的工況，為確保其液壓系統(tǒng)能夠滿足實際生產的需求，挖掘式裝載機采用三泵串聯(lián)的方式為其供油。其中，采用變量柱塞泵為裝載機的反鏟機構和行走機構供油；采用定量齒輪泵為裝載機的其他液壓元器件供油[3]。基于變量柱塞泵為裝載機的核心分系統(tǒng)反鏟機構和行走機構供油，大大提升了裝載機運行的穩(wěn)定性；采用先導手柄控制裝載機的各項挖掘動作及行走，大大減輕了作業(yè)人員的勞動強度。

3.1 裝載機工況研究

挖掘式裝載機在工作面實際掘進過程中，其挖掘作業(yè)主要依靠反鏟機構的小臂液壓缸和插兜液壓缸的復合動作實現(xiàn)裝載任務；而反鏟機構的大臂液壓缸的主要功能是完成鏟斗的升降功能[4]。因此，裝載機工況僅需綜合小臂液壓缸的最大負荷和鏟斗液壓缸的最大負荷來確定。

綜合分析裝載機小臂液壓缸和鏟斗液壓缸的最大負荷。經研究可知，在外部載荷一定的情況下，系統(tǒng)工作壓力越大，裝載機的結構更為緊湊，其裝填效率越高。因此，結合挖掘式裝載機的工況載荷要求，初步設定裝載機液壓系統(tǒng)的工作壓力為10 MPa。

3.2 液壓系統(tǒng)關鍵參數(shù)的確定

3.2.1 主泵參數(shù)的選型計算

基于對挖掘式裝載機液壓系統(tǒng)的設計可知，裝載機共包含有一個變量柱塞泵和兩個定量齒輪泵。所選擇變量柱塞泵的流量為100 cm3/r、兩個定量齒輪泵的流量分別為30 cm3/r、10 cm3/r，根據式（1）得出泵的最大流量Q：

式中：q為變量柱塞泵或定量齒輪泵的流量；n為泵驅動電機的轉速，取n=1 480 r/min。

經計算可知，所要求主泵的最大流量為148 L/min。

3.2.2 裝載機爬坡角度的計算

裝載機爬坡能力與其馬達的最大輸出扭矩、地面附著系數(shù)等參數(shù)相關。經過推導可得出如式（2）所示的爬坡角度計算公式：

式中：α 為裝載機的最大爬坡角度；φ 為掘進工作面地面附著系數(shù)；取φ=0.7。經計算可得：α=28°。即，該裝載機的最大爬坡角度為28°。

3.2.3 散熱器面積的計算

挖掘式裝載機主要應用于巷道的掘進中，其應用環(huán)境相對惡劣，且負載變化無規(guī)律。在實際掘進中，液壓油的溫度會在短時間內升高，從而造成液壓油變質，降低了裝載整機的使用壽命[5]。因此，有效的冷卻系統(tǒng)是必需的。散熱器面積直接決定液壓油的降溫效果。裝載機所需散熱器散熱面積S的計算如式（3）所示：

式中：QH為裝載機系統(tǒng)的總發(fā)熱量，經計算可知QH=13.8 kW；k為冷卻系統(tǒng)的傳熱系數(shù)，取k=50 W/m2·℃；Δt為液壓油與環(huán)境溫度的平均溫差，取Δt=30 ℃。經計算可得，S=9.2 m2。

3.3 裝載機關鍵機構的校核

為驗證裝載機關鍵機構能夠滿足其在工作面的應用需求，特對其重點工況下關鍵結構的應力情況進行仿真分析。基于裝載機在實際應用時所出現(xiàn)問題，本文選擇在最大挖裝距離時裝載機的工況狀態(tài)為重點工況，關鍵機構為反鏟機構。

在重點工況下，反鏟機構所出現(xiàn)的最大位移處于鏟斗斗齒的位置，且最大位移為12.9 mm，而且沿著從鏟斗到大臂的方向，其位移越來越小，說明在重點工況下部件的變形不會影響裝載機的工作性能。

在重點工況下，反鏟機構所出現(xiàn)的最大應力位于鏟斗斗齒的位置，且最大應力值為175 MPa，小于斗齒材料的需用應力345 MPa。因此，在重點工況下反鏟機構的各個零部件不會失效。

綜上所述，裝載機反鏟機構能夠滿足實際生產的需求。

4 結語

挖掘式裝載機主要應用于巖層硬度較大的掘進工作面中。為了確保在對巖層硬度較大的工作面掘進時能夠達到采掘平衡的效果，需根據工作面的實際情況設計與其相匹配的挖掘式裝載機，以達到提升機掘進效率的目的。