任曉力

（中國(guó)煤炭科工集團(tuán)太原研究院有限公司，山西 太原 030006）

連采機(jī)掘進(jìn)后配套運(yùn)輸設(shè)備有很多種，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的情況具體配套不同的設(shè)備，如帶式輸送機(jī)，連運(yùn)系統(tǒng)或者梭車等，而對(duì)于露天端幫開采掘進(jìn)過(guò)程中，連采機(jī)掘進(jìn)過(guò)程不支護(hù)，后配套運(yùn)輸設(shè)備一節(jié)接一節(jié)的跟進(jìn)，不需要人員維護(hù)，針對(duì)上述情況，開發(fā)了一種針對(duì)露天礦端幫時(shí)的后配套運(yùn)輸?shù)霓D(zhuǎn)載機(jī)。該運(yùn)輸系統(tǒng)在生產(chǎn)過(guò)程中不僅起到運(yùn)輸作用，而且在遇到塌方時(shí)還能起到將連采機(jī)拖拽出硐室的作用[1-2]。因此該轉(zhuǎn)載機(jī)需要具有運(yùn)輸能力強(qiáng)、架體強(qiáng)度高、轉(zhuǎn)載機(jī)之間能快速連接等特點(diǎn)。

1 開采工藝概述

轉(zhuǎn)載機(jī)是開采運(yùn)輸系統(tǒng)的主要組成部分，連采機(jī)進(jìn)入硐室采煤，若干個(gè)轉(zhuǎn)載機(jī)串聯(lián)起來(lái)緊跟在連采機(jī)機(jī)后，將連采機(jī)截割的煤運(yùn)輸?shù)巾鲜彝狻．?dāng)連采機(jī)進(jìn)行截割時(shí)，工人將2 個(gè)轉(zhuǎn)載機(jī)連接起來(lái)后，由連采機(jī)將轉(zhuǎn)載機(jī)拖進(jìn)洞內(nèi)，待連采機(jī)截割完成1 個(gè)洞后退出時(shí)，洞外工人將轉(zhuǎn)載機(jī)拆出，直至最后1 個(gè)轉(zhuǎn)載機(jī)退出硐室后，完成1 個(gè)硐室的采煤作業(yè)，進(jìn)行下一硐室的作業(yè)，開采工藝簡(jiǎn)圖如圖1。

圖1 開采工藝簡(jiǎn)圖

2 整體結(jié)構(gòu)

轉(zhuǎn)載機(jī)整體結(jié)構(gòu)，由架體、傳動(dòng)滾筒、減速電機(jī)、改向滾筒、快換連接裝置、自動(dòng)張進(jìn)裝置、鋼輪組件、電控箱、托輥組件、輸送帶10 部分組成。轉(zhuǎn)載機(jī)的運(yùn)行流程是減速電機(jī)帶動(dòng)傳動(dòng)滾筒，傳動(dòng)滾筒再帶動(dòng)輸送帶，將上一轉(zhuǎn)載機(jī)的煤從尾部運(yùn)到轉(zhuǎn)載機(jī)的頭部，再將其傳到下一轉(zhuǎn)載機(jī)上，這樣就實(shí)現(xiàn)了煤的連續(xù)運(yùn)輸。電控箱通過(guò)遠(yuǎn)程控制來(lái)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)載機(jī)輸送帶的啟停，快換裝置是實(shí)現(xiàn)2 個(gè)轉(zhuǎn)載機(jī)之間的快速連接，張緊裝置是對(duì)輸送帶進(jìn)行實(shí)時(shí)張緊防止其打滑，鋼輪組件是在轉(zhuǎn)載機(jī)被拖動(dòng)行走時(shí)起到支撐作用，托輥組件是帶式輸送機(jī)的必要組成，轉(zhuǎn)載機(jī)整體結(jié)構(gòu)組成如圖2。

圖2 轉(zhuǎn)載機(jī)整體結(jié)構(gòu)組成

3 整機(jī)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

3.1 輸送帶寬度和傳動(dòng)功率

轉(zhuǎn)載機(jī)作為連采機(jī)的配套運(yùn)輸系統(tǒng)的組成單元，其運(yùn)輸量和運(yùn)輸帶速均參照端幫連采機(jī)來(lái)確定，設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)其運(yùn)輸量和帶速均比連采機(jī)稍大即可。

帶寬計(jì)算公式：

式中：B 為膠帶寬度，mm；α 為最大粒度，mm。

可以根據(jù)截割情況確定物料的粒度[3－5]，進(jìn)而計(jì)算出皮帶的寬度B，不同帶寬推薦輸送物料的最大粒度見表1。

表1 不同帶寬推薦輸送物料的最大粒度

帶速計(jì)算公式：

式中：v 為帶速，m/s；s 為物料橫截面積（可根據(jù)帶寬查表可得），m2；Q 為運(yùn)輸能力（固端幫連采機(jī)運(yùn)輸量），t/h；k 為傾斜輸送機(jī)面積折減系數(shù)；ρ 為物料的密度（煤密度），g/cm3。

傳動(dòng)滾筒功率可根據(jù)帶寬和運(yùn)輸量確定轉(zhuǎn)載機(jī)驅(qū)動(dòng)部分功率公式：

式中：P 為傳動(dòng)滾筒的軸功率，kW；c 為輸送帶、軸承等處的阻力系數(shù)；f 為托輥的阻力系數(shù)，取0.025～0.030；l 為輸送機(jī)電動(dòng)滾筒與改向滾筒之間中心距離的水平投影，m；Gm為輸送帶、托輥、改向滾筒等旋轉(zhuǎn)零件的質(zhì)量，kg；h 為輸送高度，m。

3.2 耐寒輸送帶

煤礦井下輸送機(jī)，一般采用阻燃型難燃型輸送帶，設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)載機(jī)是在露天礦中使用，考慮到我國(guó)北方地區(qū)冬天室外溫度可達(dá)－30～－40 ℃，在設(shè)計(jì)運(yùn)輸膠帶材料時(shí)要保證輸送帶滿足耐寒要求。傳統(tǒng)的PVC 與PVG 輸送帶不適合低溫條件，綜合考慮選用聚酯帶芯。

輸送帶織物的層數(shù)。聚酯織物芯輸送帶層數(shù)按式（4）計(jì)算：

式中：Z 為輸送帶織物層數(shù)；F 為輸送帶的最大張力，N；n 為織物芯輸送帶靜安全系數(shù)，尼龍聚氨酯一般取10～12；σ 為輸送帶的扯斷強(qiáng)度，N/mm。

3.3 快速連接裝置

轉(zhuǎn)載機(jī)緊跟在連采機(jī)后面進(jìn)入采煤硐室，每個(gè)轉(zhuǎn)載機(jī)的長(zhǎng)度僅有十幾米，隨著連采機(jī)的不斷截割推進(jìn)，后續(xù)的轉(zhuǎn)載機(jī)需要不斷的快速連接到上1 個(gè)轉(zhuǎn)載機(jī)中，同樣當(dāng)連采機(jī)退出硐室時(shí)，需要快速的拆卸轉(zhuǎn)載機(jī)保證轉(zhuǎn)載機(jī)輸出的連續(xù)性。因此就需要設(shè)計(jì)1 個(gè)快換裝置，來(lái)實(shí)現(xiàn)2 個(gè)轉(zhuǎn)載機(jī)之間連接的快速拆裝，因?yàn)椴鹧b程度的快慢直接決定了整個(gè)邊幫采煤系統(tǒng)的效率。

快速連接裝置設(shè)計(jì)要求不僅要滿足拆裝方便，同時(shí)還要保證足夠的強(qiáng)度，由于邊幫開采的硐室不需要支護(hù)，一旦出現(xiàn)塌方，連采機(jī)被埋，轉(zhuǎn)載機(jī)還起到拖拽連采機(jī)的作用，因此必須保證足夠的強(qiáng)度?？鞊Q連接裝置結(jié)構(gòu)由快插銷軸、前端連接耳、后端連接耳和快插塊組成，前端連接耳和后端連接耳分別固定在架體上，屬于架體的一部分，連接時(shí)將2 個(gè)單元的前端和后端對(duì)其，將快插塊從架體內(nèi)側(cè)插入后再講快插銷軸從上部穿入前端連接耳的孔中，實(shí)現(xiàn)2個(gè)轉(zhuǎn)載機(jī)的連接，快換連接裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖3。

圖3 快換連接裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

這種連接方式保證2 個(gè)轉(zhuǎn)載機(jī)的連接銷軸不僅在推時(shí)是面接觸，在拉時(shí)也是面接觸，在快換的同時(shí)受力也能夠保證，避免銷軸十字交叉。而且快換塊與前端連接耳之間的夾角也能對(duì)轉(zhuǎn)載機(jī)之間的上下擺角進(jìn)行限位，保證運(yùn)輸系統(tǒng)適應(yīng)一定的巷道坡度，快換連接裝置的剖視圖如圖4。

圖4 快換連接裝置的剖視圖

3.4 架體的仿真

由于轉(zhuǎn)載機(jī)不僅是對(duì)運(yùn)輸系統(tǒng)的支撐，其整體結(jié)構(gòu)要有足夠的強(qiáng)度以便在必要的時(shí)候拖拽連采機(jī)，在保證足夠強(qiáng)度的同時(shí)還要盡量較少架體的質(zhì)量。轉(zhuǎn)載機(jī)架體受力主要是受拉力和壓力，即連采機(jī)截割時(shí)平臺(tái)上的油缸將轉(zhuǎn)載機(jī)推入硐室內(nèi)，此時(shí)受壓，當(dāng)截割完成退出時(shí)，平臺(tái)上的油缸將轉(zhuǎn)載機(jī)往外拖拽，此時(shí)受拉。因此架體整機(jī)結(jié)構(gòu)采用桁架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，桁架結(jié)構(gòu)其實(shí)是二力桿，也成為拉桿或壓桿，同時(shí)為了盡量較少質(zhì)量，材料采用方鋼。架體局部受力仿真圖如圖5。

3.5 自動(dòng)張緊裝置

圖5 架體局部受力仿真圖

傳統(tǒng)的輸送機(jī)在遇到打滑情況時(shí)一般采用人為增加輸送帶的張緊力等方法來(lái)減少打滑，但在幫開采時(shí)，其運(yùn)輸系統(tǒng)由若干個(gè)裝載機(jī)串聯(lián)而成，裝載機(jī)進(jìn)入硐室后人員不能進(jìn)入，如果1 個(gè)裝載機(jī)出現(xiàn)打滑的現(xiàn)象，就會(huì)由于短時(shí)間堆煤以至于造成整個(gè)運(yùn)輸系統(tǒng)癱瘓，因此需要從根本上解決開采中輸送帶打滑的問題，就需要設(shè)計(jì)1 個(gè)能實(shí)時(shí)張緊的自動(dòng)張緊裝置。

3.5.1 自動(dòng)張緊裝置的結(jié)構(gòu)

張緊是保持輸送帶各處張力適當(dāng)，如果張力過(guò)大將導(dǎo)致輸送帶變形過(guò)大，滾筒及其他設(shè)備也會(huì)磨損嚴(yán)重。因此就要能動(dòng)態(tài)控制調(diào)整張緊力，一般首先選擇液壓油缸來(lái)張緊，但是系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)整機(jī)沒有液壓系統(tǒng)。再就是考慮電動(dòng)推桿，但是電動(dòng)推桿不能帶負(fù)荷啟動(dòng)。因此選擇電液推桿來(lái)作為張緊裝置的動(dòng)力源[6-8]。電液推桿是以電動(dòng)機(jī)為動(dòng)力源，通過(guò)雙向齒輪泵輸出液壓油，經(jīng)油路集成塊控制，送到油缸來(lái)實(shí)現(xiàn)活塞桿的往復(fù)運(yùn)動(dòng)。電液推桿具有過(guò)載自動(dòng)保護(hù)功能，自鎖功能和遠(yuǎn)程控制的功能。由于端幫開采的特殊性，巷道無(wú)人化，就要求負(fù)載壓力能實(shí)時(shí)反饋并對(duì)其進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，使設(shè)備出現(xiàn)故障時(shí)在短時(shí)間內(nèi)能正常運(yùn)轉(zhuǎn)。同時(shí)電液推桿還具有運(yùn)行平穩(wěn)、拉力無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)、系統(tǒng)封閉性好維修方便等優(yōu)點(diǎn)。

張緊裝置主要由3 部分組成，分別是電液推桿、張緊塊和張緊滾筒。為保證張緊滾筒的兩側(cè)受力均勻，設(shè)計(jì)在滾筒兩側(cè)均安裝電液推桿，由于電液推桿帶有壓力反饋能及時(shí)調(diào)整兩側(cè)壓力使其張緊同步自動(dòng)張緊裝置示意圖如圖6。

通過(guò)計(jì)算輸送帶不打滑的最小張緊力和輸送帶的行程（具體計(jì)算在此不再贅述），來(lái)確定電液推桿的規(guī)格尺寸，張緊力用來(lái)確定電液推桿所能輸出的最大推力，此推力是在計(jì)算張緊力的基礎(chǔ)上適當(dāng)增大的值（具體增大比例由實(shí)驗(yàn)結(jié)果確定，但不能大于系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)滾筒的許用合力），如果推力一直大于輸送帶不打滑的張緊力，對(duì)輸送帶以及整個(gè)運(yùn)輸系統(tǒng)都是不經(jīng)濟(jì)的，所以最大推力只是作為輸送帶打滑時(shí)臨時(shí)采取的應(yīng)急措施。

圖6 自動(dòng)張緊裝置示意圖

3.5.2 張緊裝置的控制策略

電液推桿的控制主要就是控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)油缸的伸出與縮回，液壓系統(tǒng)的溢流閥來(lái)控制油缸推力的大小。在系統(tǒng)中增加壓力傳感器來(lái)檢測(cè)張緊力的大小，進(jìn)而根據(jù)壓力大小來(lái)判定油缸是否需要繼續(xù)伸出，以增加張緊力。同時(shí)整個(gè)運(yùn)輸系統(tǒng)還設(shè)置了帶速測(cè)量傳感器，一旦輸送帶打滑能及時(shí)檢測(cè)出來(lái)。具體的控制方式為在程序中設(shè)定2 種控制模式，正常工作模式和打滑模式。

系統(tǒng)檢測(cè)壓力傳感器壓力，如果未達(dá)到設(shè)定值，則說(shuō)明張緊力不夠，需要繼續(xù)伸長(zhǎng)油缸實(shí)現(xiàn)張緊，當(dāng)達(dá)到設(shè)定值時(shí)，電推桿電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，液壓鎖自鎖，輸送帶正常運(yùn)轉(zhuǎn)。打滑時(shí)，首先電滾筒是正常運(yùn)轉(zhuǎn)的，此時(shí)帶速傳感器檢測(cè)帶速異常，說(shuō)明打滑，此時(shí)需要張緊，電推桿電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)推動(dòng)活塞桿張緊，當(dāng)檢測(cè)到帶速正常后，此時(shí)在程序中給予一定的延時(shí)，使較大煤塊順利通過(guò)輸送機(jī)，然后在恢復(fù)到正常壓力傳感器設(shè)定的值，即到電推桿縮回，達(dá)到壓力傳感器設(shè)定值時(shí)停止電推桿停止運(yùn)轉(zhuǎn)，液壓鎖自鎖。

4 結(jié)語(yǔ)

結(jié)合連采機(jī)邊幫開采技術(shù)的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)一套速連轉(zhuǎn)載機(jī)，該轉(zhuǎn)載機(jī)不僅運(yùn)輸量大，運(yùn)行穩(wěn)定可靠，而且能實(shí)現(xiàn)2 個(gè)轉(zhuǎn)載機(jī)之間的快速連接，同時(shí)有足夠的強(qiáng)度，在遇到塌方時(shí)還能用其將連采機(jī)拖拽出來(lái)，在實(shí)際應(yīng)用中取得了較好的效果。