李 炎

（陽煤寺家莊有限責(zé)任公司開拓三隊， 山西 晉中 045300）

引言

巷道掘進(jìn)為煤炭開采的基礎(chǔ)，在煤炭開采效率不斷提升的背景下，需進(jìn)一步提升巷道的掘進(jìn)速度，從而達(dá)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(jìn)機進(jìn)行截割，且其掘進(jìn)速度能夠達(dá)到采掘平衡的標(biāo)準(zhǔn)[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(yán)重影響了巷道的掘進(jìn)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(yīng)用于煤礦巷道的掘進(jìn)中，能夠?qū)崿F(xiàn)對掘進(jìn)巷道內(nèi)巖石、矸石的連續(xù)裝載。挖掘式裝載機的總體結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 挖掘式裝載機總體結(jié)構(gòu)

如圖1 所示，挖掘式裝載機由6 個分系統(tǒng)組成，其主要應(yīng)用于對中小型巷道的掘進(jìn)，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(jìn)工作面作業(yè)人員的勞動強度[2]。為進(jìn)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(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。

2 新型挖掘式裝載機的總體設(shè)計

本文以ZWY-160/55 型裝載機為研究對象，經(jīng)調(diào)研其在實際掘進(jìn)過程中所存在的問題，并在結(jié)合

《煤礦安全生產(chǎn)規(guī)程》的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及客戶要求的基礎(chǔ)上，對原裝載機的部分尺寸進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整。優(yōu)化調(diào)整后裝載機的關(guān)鍵參數(shù)如表1 所示。

表1 優(yōu)化調(diào)整后裝載機的關(guān)鍵參數(shù)

3 新型裝載機液壓系統(tǒng)的設(shè)計

根據(jù)挖掘式裝載機所應(yīng)用的工況，為確保其液壓系統(tǒng)能夠滿足實際生產(chǎn)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(gòu)和行走機構(gòu)供油；采用定量齒輪泵為裝載機的其他液壓元器件供油[3]?；谧兞恐脼檠b載機的核心分系統(tǒng)反鏟機構(gòu)和行走機構(gòu)供油，大大提升了裝載機運行的穩(wěn)定性；采用先導(dǎo)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(jìn)過程中，其挖掘作業(yè)主要依靠反鏟機構(gòu)的小臂液壓缸和插兜液壓缸的復(fù)合動作實現(xiàn)裝載任務(wù)；而反鏟機構(gòu)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(fù)荷和鏟斗液壓缸的最大負(fù)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(fù)荷。經(jīng)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(jié)構(gòu)更為緊湊，其裝填效率越高。因此，結(jié)合挖掘式裝載機的工況載荷要求，初步設(shè)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(guān)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(shè)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(jù)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(qū)動電機的轉(zhuǎn)速，取n=1 480 r/min。

經(jīng)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(dá)的最大輸出扭矩、地面附著系數(shù)等參數(shù)相關(guān)。經(jīng)過推導(dǎo)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(jìn)工作面地面附著系數(shù)；取φ=0.7。經(jīng)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(yīng)用于巷道的掘進(jìn)中，其應(yīng)用環(huán)境相對惡劣，且負(fù)載變化無規(guī)律。在實際掘進(jìn)中，液壓油的溫度會在短時間內(nèi)升高，從而造成液壓油變質(zhì)，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(jīng)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(jīng)計算可得，S=9.2 m2。

3.3 裝載機關(guān)鍵機構(gòu)的校核

為驗證裝載機關(guān)鍵機構(gòu)能夠滿足其在工作面的應(yīng)用需求，特對其重點工況下關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的應(yīng)力情況進(jìn)行仿真分析?；谘b載機在實際應(yīng)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(guān)鍵機構(gòu)為反鏟機構(gòu)。

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

綜上所述，裝載機反鏟機構(gòu)能夠滿足實際生產(chǎn)的需求。

4 結(jié)語

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