履帶式井下煤泥清理機結構設計和分析

冀建磊

（晉中市煤炭規劃設計研究院， 山西 晉中 030600）

引言

煤礦開采過程中會產生大量的廢水，廢水中摻雜著碎石以及其他的泥土等，最終混合后流到水倉中，水倉是位于煤礦井底車場水平以下的一般由兩條相互之間獨立的一組巷道組成的用于存水的巷道，一般是包括兩個，一個是主水倉，另外一個是副水倉，用于在清理煤泥時可以交替進行，便于提高煤泥清理效率。水廠的入口位于巷道的最低點，所以在水倉中匯聚了大量的煤礦井下水和煤泥，影響煤礦生產，因此為保證生產的需要，煤礦上要求煤泥必須要進行定期清理。目前，傳統的煤泥清理主要是靠大量的工人來完成，人工清挖水倉，工人的勞動強度比較大且工作效率比較低，污染運輸的軌道，同時清挖過程中伴隨著瓦斯、一氧化碳等危險工況，容易造成人員傷亡，具有一定的危險性。因此，設計了一套履帶式行走功能的井下水倉清理機，并對其結構進行設計和分析。

1 水倉煤泥清理機履帶行走機構設計

水倉煤礦清理機的工作環境是煤礦井下巷道水倉，機械結構和控制系統需要長期處于復雜工況下，主要有粉塵、噪聲、振動以及電磁干擾等工況下，并且煤泥清理機所處的巷道相對比較狹窄，行走路面長期存在小碎石等，采用傳統的輪式行走機構并不合適，為此采用履帶式行走機構。如圖1 所示為履帶行走裝置結構組成圖，通過液壓馬達帶動驅動輪轉動，利用張緊輪對履帶進行張緊。

圖1 清理機履帶行走裝置

2 水倉煤泥清理機總體方案設計

水倉煤泥清理機不僅需要在巷道中移動，同時要求從水倉中將煤泥進行挖掘，輸送并裝料，為此使用SolidWorks 建立水倉清理機結構各個零部件圖，并進行整體裝配，如圖2 所示為本次設計的水倉煤泥清理機整機裝配圖。

圖2 總體方案結構圖

清理機設備主要由履帶行走裝置、刮板輸送機裝置、螺旋集料裝置、電氣控制系統以及液壓系統等部分組成[1-2]。履帶行走裝置車架采用H 型結構，對行走部分進行支撐，預留有足夠大的安裝空間。刮板輸送機安裝在車間中間，前端與清理機構連接，呈現一定的傾斜角度，可以將煤泥進行輸送。前端連接的清理機構主要是采用螺旋結構進行煤泥輸送，螺旋集料，集料時通過馬達驅動輸送機，帶動螺旋集料裝置進行不間斷轉動，帶動的是電機輸出軸連接的三聯齒輪泵進行轉動，液壓泵驅動行走馬達，刮板輸送馬達，鏟斗油缸實現了對全液壓的螺旋集料，刮板輸送，從而將水倉中的煤泥隨著螺旋輸送到刮板輸送機中，最后將煤泥輸送到礦車上，實現井下水倉煤泥清理過程。

3 水倉清理機液壓系統設計與仿真分析

水倉清理機液壓系統設計首先需要滿足煤礦專用設備的液壓系統要求：液壓系統中使用的液壓缸和馬達的壓力和流量，能夠根據外部負載的變化進行一定適配性的改變；由于井下水倉清理周期較長，需要考慮油缸以及液壓系統的散熱問題；水倉煤泥清理機的液壓油缸和刮板輸送機是同時動作，螺旋攪拌和螺桿泵同時動作，保證動作的連續性和一致性；液壓系統需要具有自鎖或互鎖保護，防止水倉清理機載斜坡面上會發生溜車；液壓系統需要具有一定的穩定性和可靠性，保證履帶式液壓系統回路具有較好的啟動性能[3-4]。

履帶式井下煤泥清理機液壓系統主要有四個回路，具體包括履帶底盤液壓系統回路、集料液壓缸驅動回路、刮板輸送機角度調節油缸回路和調節回路。選取其中的履帶底盤液壓系統回路作為分析的對象，在automation 中搭建液壓系統回路模型進行仿真，分析液壓系統啟動性能和系統反應時間，如圖3 所示為液壓系統仿真分析模型圖，通過設定仿真參數和調節仿真時間進行計算機數值模擬，最終可以得到如圖4所示的仿真分析結果。

圖3 液壓系統回路仿真模型

水倉煤泥清理機是采用防爆電機作為驅動動力源，電機的啟動按鈕是通過位于水倉煤泥清理機側方的電控柜來實現，同時可以使用遙控對水倉煤泥清理機進行控制，控制履帶的前進和轉向以及集料的速度等參數。從圖4 中可以看出，水倉煤泥清理機液壓系統回路運行平穩，馬達在短時間內能夠保持在穩定狀態，其中包括上馬達在約1.3 s 后趨于穩定，中馬達在大約1.5 s 時趨于穩定狀態，也就是說液壓系統具有比較好的啟動性能，能夠滿足煤礦巷道水倉清理行走的需求[5]。

圖4 液壓系統回路仿真結果

4 履帶水倉煤泥清理機參數特征

如表1 所示為本次設計的水倉煤泥清理機的設計參數和主要技術指標。從表1 中可以看出，本次設計的水倉煤泥清理機結構緊湊、體積小，能夠適應煤礦巷道狹窄空間，具有較好的通過能力，同時集料機的寬度較大，可以同時采集較大范圍內的煤泥進行清挖[6]。

表1 水倉煤泥清理機參數特征和指標

5 結語

煤礦水倉煤泥清理一直是煤礦生產中的難題，傳統的煤泥清理主要采用人工進行清理，煤泥清理效率不高，清理效果不好，伴隨著煤礦井下復雜危險環境，對于煤泥清理工人的健康極為不利，為此本文通過對煤礦水倉煤泥進行分析，采用模塊化和集成化設計思路，設計了一種具有履帶行走機構的井下水倉煤泥清理機，可以實現對井下煤泥的自移動清理，利用SolidWorks 建立了各個零部件的模型并進行了裝配，同時設計了與清理機配套的液壓系統，實現對清理機履帶式行走機構、集料機油缸等的控制，可以大大提高煤泥清理效率、減輕工人清理難度和強度，在一定程度上減輕了煤礦煤泥清理上投入的經濟成本，取得了很好的經濟效益。