履行式電纜漏斗車的開發(fā)設(shè)計(jì)★

朱海成

（太原重型機(jī)械集團(tuán)有限公司技術(shù)中心， 山西 太原 030024）

引言

半連續(xù)開采是一種適應(yīng)能力強(qiáng)、優(yōu)點(diǎn)突出的生產(chǎn)工藝，它兼具連續(xù)工藝和間斷工藝的優(yōu)勢(shì)，適應(yīng)能力強(qiáng)，能解決中、硬礦巖的開采，實(shí)現(xiàn)礦巖的連續(xù)運(yùn)輸，有利于擴(kuò)大生產(chǎn)規(guī)模，降低生產(chǎn)成本。在世界范圍內(nèi)，隨著新設(shè)備、新技術(shù)的不斷涌現(xiàn)，形成了多樣化的露天開采工藝。電纜漏斗車的出現(xiàn)就是針對(duì)礦床賦存條件，優(yōu)化開采工藝出現(xiàn)的新型設(shè)備。它的出現(xiàn)大幅度提高了開采效率，提高了經(jīng)濟(jì)效益。

1 軌行式電纜漏斗車的產(chǎn)生與發(fā)展

在早期的半連續(xù)生產(chǎn)工藝中電纜漏斗車并沒有作為一個(gè)獨(dú)立的運(yùn)行機(jī)構(gòu)在礦山開采中被使用，而是集成在半連續(xù)系統(tǒng)中的轉(zhuǎn)載機(jī)上，采用這種方式使得轉(zhuǎn)載機(jī)的外形比較龐大，國(guó)內(nèi)在元寶山礦使用這種方式進(jìn)行電力供給和物料轉(zhuǎn)運(yùn)。

隨著礦山開采能力的不斷增加，對(duì)物料轉(zhuǎn)運(yùn)的要求成倍數(shù)的增加，如果沿用這樣的方式，無(wú)論是從成本還是設(shè)計(jì)角度都是不科學(xué)的。于是，在近二十幾年新上馬的大型礦山半連續(xù)工藝中，電纜漏斗車作為一個(gè)獨(dú)立的供電和轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)構(gòu)被廣泛采用。這樣的結(jié)構(gòu)的主要特點(diǎn)是把動(dòng)力電纜卷筒、供電電纜卷筒以及轉(zhuǎn)載漏斗獨(dú)立出來(lái)，安裝到通過軌道行使的小車上，軌道可以方便地安裝在長(zhǎng)距離皮帶運(yùn)輸機(jī)的支撐鋼結(jié)構(gòu)上。這樣的結(jié)構(gòu)出現(xiàn)對(duì)大型半連續(xù)系統(tǒng)的成本降低起到了極大的作用，機(jī)構(gòu)比較靈活，移設(shè)比較方便，而且一旦出現(xiàn)故障，檢修和排除故障的時(shí)間和工作強(qiáng)度以及難度都大大減少和降低，具體結(jié)構(gòu)見圖1[1]。

隨著電纜集成技術(shù)的發(fā)展，電纜漏斗車的動(dòng)力和控制電纜能夠被集成在一起，更好地解決了雙卷筒同步的問題，于是出現(xiàn)了下圖2 所示的電纜漏斗車的結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)在本質(zhì)上與上面所提的電纜漏斗車沒有區(qū)別，也是為供電和轉(zhuǎn)運(yùn)物料而單獨(dú)設(shè)計(jì)的軌道行使的小車。但是在同步性方面，集成的電纜完全不必考慮兩種不同粗細(xì)的電纜的卷繞同步性的問題，使得設(shè)計(jì)、制造、安裝、維修、維護(hù)都變得比較簡(jiǎn)單，具體機(jī)構(gòu)見圖2。

圖1 動(dòng)力電纜與控制電纜分離的軌行式電纜漏斗車

圖2 動(dòng)力電纜與控制電纜集成的軌行式電纜漏斗車

2 目前礦山設(shè)備使用中存在的問題及分析

隨著礦山開采的不斷進(jìn)行，使用軌行式電纜漏斗車的弊端和缺點(diǎn)逐漸顯露出來(lái)，其中最大的問題就是電纜崩斷的問題。現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研過程中幾個(gè)礦區(qū)的維護(hù)人員都反饋電纜漏斗車發(fā)生過溜車，導(dǎo)致電纜崩斷的問題，尤其是在冬季比較頻繁。

2.1 穩(wěn)定運(yùn)行的靜阻力分析

軌行式電纜漏斗車運(yùn)行機(jī)構(gòu)在直線軌道上穩(wěn)定運(yùn)行的靜阻力由摩擦阻力Fm、坡道阻力Fp和風(fēng)阻力Fw三項(xiàng)組成，即：

2.1.1 摩擦阻力

軌行式電纜漏斗車運(yùn)行摩擦阻力：

初步計(jì)算可用經(jīng)驗(yàn)公式Fm=（Q+G）ω。

式中：Q 為物料及電纜等外部載荷，N；G 為軌行式電纜漏斗車的自重載荷，N；f 為滾動(dòng)摩擦系數(shù)，通過查表選用0.06；μ 為車輪軸承摩擦系數(shù)，通過查表選用0.015；d 為與軸承相配合處輪軸的直徑，mm；D 為車輪踏面直徑，mm；β 為附加摩擦阻力系數(shù)，通過查表選用1.3；ω 為摩擦阻力系數(shù)，初算時(shí)可根據(jù)車輪直徑、車軸直徑以及選用的軸承類型（滑動(dòng)或滾動(dòng)軸承）進(jìn)行選取，在此處選用系數(shù)0.01。

2.1.2 坡道阻力

當(dāng)路面或軌道具有坡度時(shí)，電纜漏斗車的支腿支撐不平時(shí)，自重載荷和承載載荷都會(huì)產(chǎn)生與坡道方向平行的分力，這個(gè)分力就是坡道載荷。上坡時(shí)坡道載荷是運(yùn)動(dòng)的阻力，下坡時(shí)則變成運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力。Fp=（Q+G）sinα=（52t+25t）×sin6°×10000=80500N。

2.1.3 風(fēng)阻力

由于軌行式電纜漏斗車的運(yùn)行環(huán)境是在露天礦山，不可避免要受到風(fēng)載荷的作用，風(fēng)壓的大小會(huì)很大程度上影響軌行式電纜漏斗車的運(yùn)行狀況。

此處簡(jiǎn)單對(duì)將風(fēng)阻力進(jìn)行計(jì)算。

式中：風(fēng)壓qf為風(fēng)壓，取值250 N/m2；A 為迎風(fēng)面積，取值20 m2。計(jì)算得Ff=5 000 N。

實(shí)際工作時(shí)電纜漏斗車運(yùn)行速度不會(huì)大于12 m/min。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，只要合理降低加速度或減速度，增加驅(qū)動(dòng)輪數(shù)量，則可以通過啟動(dòng)和制動(dòng)時(shí)打滑驗(yàn)算。

2.2 軌行式電纜漏斗車電纜崩斷分析

礦山維護(hù)實(shí)際情況是礦區(qū)采取了部分車輪改為全部車輪驅(qū)動(dòng)的措施，但是，溜車現(xiàn)象依然不能避免。根據(jù)分析，電纜漏斗車發(fā)生溜車，導(dǎo)致電纜崩斷產(chǎn)生的原因有以下幾個(gè)方面組成：首先是使用過程中沒有嚴(yán)格的按照使用說(shuō)明書中進(jìn)行，運(yùn)行軌道的斜度大于安全使用的許用范圍。在圖紙資料中明確提到設(shè)備運(yùn)行坡度不大于1∶15，也就是說(shuō)最大角度為3°49′6″。在開采過程中由于地勢(shì)的復(fù)雜性，這個(gè)要求經(jīng)常性被忽略。調(diào)研測(cè)量時(shí)最大坡度達(dá)到1:10。其次冬季冷凝結(jié)冰導(dǎo)致摩擦力變小，理論計(jì)算滾動(dòng)摩擦系數(shù)選取0.06（該數(shù)值是直徑600 mm鋼輪對(duì)鋼軌），實(shí)際情況是冬季濕度較大時(shí)，鋼軌表面會(huì)冷凝結(jié)冰，據(jù)查鋼對(duì)光滑堅(jiān)冰的滾動(dòng)摩擦系數(shù)為0.014～0.027 之間。夾軌器的夾緊力小于重力及其他外力產(chǎn)生的分力。另外，其他不可抗力的影響，例如風(fēng)壓大于250 N/m2。當(dāng)幾種惡劣情況產(chǎn)生或疊加，溜車情況不可避免就會(huì)產(chǎn)生。

根據(jù)礦山開采的實(shí)際情況，第一次提出了用更加可靠的方法來(lái)避免設(shè)備溜車現(xiàn)象。履帶側(cè)拉式、跨軌正拉式等多種可行性方案被提出。

3 履行式電纜漏斗車的設(shè)計(jì)可行性

履帶行走裝置是一種使用較為廣泛的走行方式，在露天礦山的使用有其他行走方式不能替代的優(yōu)秀特性，可以在深雪、沼澤、軟泥等惡劣環(huán)境地形下行駛使用。而且履帶式行走裝置的接地比壓遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于輪胎式走行裝置，所能承受的沖擊載荷也遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于輪胎式走行裝置以及軌道時(shí)走行裝置。履帶式走行裝置具有較好的通過性，能夠通過一定坡度的傾斜角。履帶行走裝置對(duì)土壤有足夠大的附著力，能通過淺灘、窄溝和其他障礙，不需要特殊鋪設(shè)或準(zhǔn)備道路，而且有較好的通過性，爬坡和轉(zhuǎn)彎能力良好，機(jī)器比較好調(diào)動(dòng)。

履帶行走裝置也有一些缺點(diǎn)，行走和轉(zhuǎn)彎時(shí)消耗的功率較大，行走機(jī)構(gòu)的效率比較低，構(gòu)造比較復(fù)雜，制造費(fèi)用較高，有些零件磨損較大，需要經(jīng)常更換和維護(hù)。根據(jù)電纜漏斗車的工作環(huán)境，綜合考慮各種因素，認(rèn)為采用履帶行走裝置在此處使用其優(yōu)點(diǎn)是主要的，是解決這一問題的較好選擇。

由于前期電鏟設(shè)備、液壓挖掘機(jī)以及排土機(jī)等履帶機(jī)械在制造和生產(chǎn)中積累了大量成功的經(jīng)驗(yàn)，為開發(fā)履行式電纜漏斗車奠定了良好基礎(chǔ)。

4 履行式電纜漏斗車設(shè)計(jì)基本技術(shù)參數(shù)與性能數(shù)據(jù)

根據(jù)電纜漏斗車的使用工況，確定的設(shè)計(jì)參數(shù)如表1 所示（由于漏斗車功能單一，且行走動(dòng)力全部由電纜車提供，故此處僅列出電纜車技術(shù)參數(shù)），屢行式電纜車結(jié)構(gòu)如圖3 所示[2]。

表1 電纜車技術(shù)參數(shù)

圖3 屢行式電纜車三維模型圖

5 結(jié)語(yǔ)

從目前的國(guó)情來(lái)看，大型半連續(xù)開采的成套設(shè)備設(shè)計(jì)開發(fā)基本上還處于起步階段，目前國(guó)內(nèi)沒有一家可以設(shè)計(jì)制造半連續(xù)開采工藝系統(tǒng)成套設(shè)備的企業(yè)，有的只是生產(chǎn)成套設(shè)備中的一種設(shè)備。國(guó)內(nèi)的礦山采用的半連續(xù)開采的成套設(shè)備基本都是由國(guó)外進(jìn)口。由于生產(chǎn)周期、供貨周期、備件及易損件的運(yùn)輸?shù)仍颍?gòu)置一套設(shè)備需要花費(fèi)大量的外幣和時(shí)間，增加了開采和剝離的總費(fèi)用。進(jìn)口的設(shè)備也存在各種大大小小的問題，信息反饋漫長(zhǎng)、效率低、問題處理不及時(shí)等，礦山用戶束手無(wú)措。隨著我國(guó)露天開采設(shè)備的配套設(shè)施不斷發(fā)展，為我們?cè)O(shè)計(jì)半連續(xù)開采設(shè)備奠定了基礎(chǔ)。這就使得我國(guó)自己制造的設(shè)備不僅僅能夠裝備中小型礦山，而且能夠滿足大型甚至特大型礦山的需要。

電纜漏斗車作為半連續(xù)開采工藝中供電和轉(zhuǎn)運(yùn)的環(huán)節(jié)，發(fā)揮著其重要的作用，它的安全行、可靠性直接影響著礦山開采是否能正常運(yùn)轉(zhuǎn)。采用履行式電纜漏斗車能夠有效解決礦山半連續(xù)開采現(xiàn)存的溜車問題，避免重大的安全事故發(fā)生。同時(shí)可以在半連續(xù)成套設(shè)備中增加一種高效、安全的轉(zhuǎn)運(yùn)設(shè)備。研究和開發(fā)半連續(xù)開采成套設(shè)備可以填補(bǔ)國(guó)內(nèi)同類產(chǎn)品的空白，打破國(guó)外產(chǎn)品對(duì)國(guó)內(nèi)市場(chǎng)的壟斷局面，可為國(guó)家節(jié)約大量的外匯，可為我國(guó)廣大露天礦山用戶節(jié)約大量的設(shè)備投資和運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用，具有巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。半連續(xù)開采成套設(shè)備的開發(fā)對(duì)于露天采礦業(yè)的有序發(fā)展，提升我國(guó)民族裝備制造業(yè)的設(shè)計(jì)和制造水平，提高企業(yè)的自主創(chuàng)新能力和核心競(jìng)爭(zhēng)能力都具有重大意義。