適用于機械化采煤工作面轉載機的設計

陳 璐

（陽泉煤業（集團）平定東升興裕煤業有限公司， 山西 陽泉 045000）

0 引言

當前，采煤工作面開采效率不僅與采煤機、帶式輸送機以及液壓支架等主要綜采設備的性能相關；而且，與工作面其他工序所涉及到的生產的自動化水平也息息相關。在傳統工作面生產的矸石處理中主要依靠人工進行完成，其效率偏低，嚴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狹小，其他轉載機無法在其中適用。因此，急需設計一套可在狹小采煤工作面適用的轉載機，提高工作面的轉運效率。本文將結合上述需求完成適用于高效率機械化采煤工作面轉載機的設計。

1 轉載機總體結構設計

根據行走方式的不同，可將轉載機分為輪式轉載機和履帶式轉載機；根據動力源的不同，可將轉載機分為電動式、柴油式以及蓄電池式等[1]。為滿足轉載機在狹小采煤工作面的適用要求，所設計的轉載機結構應盡可能的小。鑒于綜采工作面地面不平整，本文擬采用履帶式行走的轉載機；鑒于綜采工作面存在瓦斯爆炸的風險，采用電動的動力源對裝載進行驅動，初步設計轉載機的總體結構如圖1 所示。

圖1 轉載機總體結構示意圖

結合采煤工作面的轉運需求，要求所設計的轉載機具備自插入工況、鏟裝工況、舉升工況以及卸載工況的正常運行功能。與地面轉載機不同，采煤工作面的小型轉載機與地面轉載機的主要區別如下：

1）采煤工作面小型轉載機收斗角相比地上轉載機大。

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

結合所設計轉載機在采煤工作面應用條件，初步將轉載機的尺寸確定如下[3]：

1）機身寬度的確定：機身寬度需要結合巷道的寬度，同時還需考慮巷道內礦車的寬度，將本工程轉載機機身寬度初步確定為1 000 mm。

2）卸載高度的確定：要求轉載機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。最終確定轉載機的卸載高度為1 400 mm。

3）卸載距離和卸載角度的確定：要求轉載機在最大卸載高度可將鏟斗中的物料不灑落在履帶上。最終確定轉載機的卸載距離為636 mm，卸載角度為34°。

2 轉載機鏟斗及動臂的結構設計

鏟斗直接決定轉載機的裝載能力，而動臂決定轉載機的受力情況和卸載能力。因此本節重點對轉載機的關鍵部件鏟斗和動臂進行設計。

2.1 鏟斗的結構設計

本文設計的轉載機的主要作用是將采煤工作面的矸石進行轉運。根據采煤工作面的工序安排，要求所設計的轉載機在2 h 內完成60 m3矸石的轉運任務；經計算，要求轉載機在360 次的動作完成轉運任務。則要求轉載機鏟斗的體積不得小于60 m3/360 次=0.16 m3。考慮到并不是每次鏟斗均能夠裝滿矸石，初步設計轉載機的容積為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密度較小且比較松散物料的裝運任務；非直線鏟斗適用于對密度大物料的裝運任務，而且裝運效率較高。因此，本文轉載機采用非直線型的V 型切削刃的鏟斗。在相關理論計算的基礎上，得出轉載機鏟斗的關鍵參數如表1 所示。

表1 轉載機鏟斗關鍵參數

2.2 動臂的結構設計

在鏟斗結構設計的基礎上，本小節重點對動臂的結構進行設計，尤其是對動臂與機身車架的鉸接位置進行合理設計，盡可能地保證整機在裝載過程中承受的阻力較小。

2.2.1 動臂結構形式的確定

動臂的斷面形狀可采用單板、雙板以及箱形的結構形式。綜合對比上述三種斷面形狀動臂的優劣勢，本轉載機采用單板斷面形狀的動臂結構形式。

2.2.2 動臂鉸接位置的確定

動臂與機身、鏟斗、機架、轉斗油缸和舉升油缸的鉸接位置將直接決定轉載機在轉運過程中所承受的阻力，從而影響轉載機裝運效率。

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

根據上述設計標準，對上述鉸接點的坐標進行賦值，賦值結果如表2 所示。表2 中，h1為F 點與地面之間的高度差；h2為E 點與F 點的高度差；h3為A 點和D 點的高度差；h4為A 點與C 點的高度差；h5為A 點與F 點的高度差；L1為A 點C 點之間的距離；L2為A點和D 點之間的距離；L3為D 點和E 點之間的距離；L4為E 點和F 點之間的距離；L5為C 點和F 點之間的距離。

表2 動臂各鉸接點坐標賦值及參數

結合上述設計標準，確定表2 中各項參數結果如表3 所示。

表3 動臂各鉸接點初步設計參數

對上述動臂鉸接形式下，轉載機在正載工況下的各個鉸接點的受力進行計算，計算結果如表4 所示。

表4 制動臂初步設計的各鉸接點的受力計算結果

為了盡可能地減少各鉸接點的受力，保證整機的使用壽命，對各鉸接點的坐標采用MATLAB 軟件進行優化，優化結果如表5 所示。

表5 動臂各鉸接點優化參數

對優化后動臂各鉸接點的受力情況進行仿真分析，得出F 點的受力從7.19×104N 減小為6.53×104N，達到了預期的優化效果。

3 結語

采煤工作面的生產能力除了與采煤機、輸送設備以及液壓支架等主要設備的工作性能相關外，還與輔助運輸設備的性能相關。對于采煤工作面矸石場矸石的運輸任務，傳統采用人工方式進行轉運，效率較低。為此，本文設計了可在狹小工作面應用的小型轉載機，主要完成了鏟斗結構和動臂鉸接位置的設計任務。同時，本著盡可能減小鉸接點受力的目標對鉸接位置參數進行優化，優化后鉸接點的最大受力減小9.18%。