牛江波

（山西新景礦煤業(yè)有限公司，山西 太原 045000）

引言

“采、裝、運、支”為煤礦生產(chǎn)的四大環(huán)節(jié)，各個環(huán)節(jié)的效率最終決定煤礦生產(chǎn)能力。裝載、運輸為煤礦生產(chǎn)中兩個關鍵環(huán)節(jié)，在傳統(tǒng)裝運過程中采用人字軌道交換空礦車和滿礦車的位置，該裝運方式不僅效率低，而且安全系數(shù)低，均無法實現(xiàn)綜采工作面的連續(xù)裝載、運輸，為解決上述問題，皮帶臥式延伸裝載機應運而生。皮帶臥式延伸裝載機可同時對7輛礦車進行裝載，從根本上解決了傳統(tǒng)裝運方式無法連續(xù)性裝載的問題[1]。本文將對裝載牽引車進行設計，旨在提升工作面煤炭的裝載、運輸效率。

1 裝載牽引車關鍵機構的設計

一般的，煤礦裝載牽引車的基本結構如圖1所示。

圖1 煤礦裝載牽引車結構示意圖

皮帶臥式延伸裝載機主要由牽引車、支撐車和礦車三部分組成。牽引車為皮帶臥式延伸裝載機核心部件，是裝載機的動力源泉。一般的，皮帶傳動系統(tǒng)位于牽引車車廂內部，旨在節(jié)省空間。此外，牽引車還能夠保證裝載機整機的共同前進，確保支撐車也處于同步運行狀態(tài)。目前，新景礦所采用皮帶臥式延伸裝載機牽引車的基本參數(shù)如表1所示。

表1 皮帶臥式延伸裝載機關鍵參數(shù)

1.1 行走機構的設計

牽引車行走機構負責對皮帶臥式延伸裝載機整機的運行，根據(jù)其功能，主要包括有電動機、聯(lián)軸器、減速器、錐齒輪傳動副以及傳動輪對等。

輪對為牽引車直接與軌道相接觸的部件，不僅承擔牽扯的重量，而且還為系統(tǒng)提供適當?shù)臓恳椭苿恿?。輪對的設計主要為車輪和車軸兩個部件的設計[2]。根據(jù)皮帶臥式延伸裝載機的日常運載任務，將車輪的內徑設計為300 mm，外徑設計為285 mm；為防止車輪在正常運輸過程中出現(xiàn)掉軌的事故，需在車輪內側焊接厚度為15 mm，直徑為350 mm的擋板。為了便于車軸的安裝與拆卸，將車軸設計為中間粗兩邊細的階梯軸，且車軸所選材料為碳合金鋼并對其進行正火、調質和常規(guī)的熱處理。

車軸各段的直徑和長度如下：第一段、第九段軸為螺紋結構，其主要是對車輪的軸向方向進行固定，該區(qū)域軸的直徑為35 mm，長度為20 mm；第二段、第八段與車輪相配合，該區(qū)域軸的直徑為45 mm，長度為55 mm；第三段、第七段與軸承相配合，該區(qū)域軸的直徑為55 mm，長度為120 mm；第四段為過渡段，主要方便軸承在軸向方向的固定，根據(jù)軸承的位置和牽引車的寬度，該段區(qū)域的直徑為60 mm，長度為50 mm；第五段與錐形軸承配合，根據(jù)錐形齒輪的內徑為65 mm，該區(qū)域軸的直徑為65 mm，長度為100 mm；第六段主要是保證錐形齒輪和右側軸承之間的位置，該區(qū)域軸的直徑為75 mm，長度為150mm。所設計車軸的結構如圖2所示。

圖2 車軸結構示意圖

結合皮帶臥式延伸裝載機牽引車所牽引礦車的數(shù)量和每臺礦車的額定容量，經(jīng)核算，若想滿足實際運輸需求，要求行走機構的電機的額定功率大于2.65 kW。對市場當前電機的型號進行比對，最終確定牽引車電機的型號為YBK2-112M-4，該型電機的額定功率為4 kW，額定轉速為1 440 r/min，傳動效率為82%。

1.2 傳動機構的設計

牽引車主要為臥式皮帶延伸裝載機的皮帶運輸系統(tǒng)提供動力。對于臥式皮帶延伸裝載機而言，其皮帶運輸部件位于牽引車的上方，對應的皮帶運輸部的動力分系統(tǒng)為牽引車機架上方。牽引車電機傳動動力通過鏈傳動與皮帶運輸部的滾筒相連接，實現(xiàn)牽引車動力至皮帶的傳送[3]。

牽引車電機與傳輸分系統(tǒng)滾筒之間的中心距離為0.6 m，鏈傳動的傳動比為1，傳遞速度為1.5 m/s。

1.3 牽引車車架的設計

牽引車車架需對其輪對進行固定，承擔牽引電機、減速器以及其他裝置的重量；結合設計經(jīng)驗，將牽引車車廂的壁厚設計為7 mm；將厚度為7 mm的角鋼打孔并裁斷后作為車廂的托架；采用型號為16#b的槽鋼，并結合電機、減速器以及其他裝置在車廂內的布置情況，焊接高度為160 mm，寬度為65 mm，壁厚為8.5 mm的車架。

考慮到綜采工作面的空間有限以及搬運便捷性的問題，而且車架為牽引車承擔其重量的主要機構，需對上述設計的牽引車車架進行有限元分析，并對最終車架的材料選型和尺寸確定進行優(yōu)化設計。

2 牽引車車架的優(yōu)化設計

經(jīng)采用ANSYS仿真軟件對牽引車車架分析后得知：當前參數(shù)的牽引車車架的最大應力和變形均非常小[4]。因此，對牽引車車架結構尺寸及選材進行優(yōu)化，以達到減重、節(jié)約材料的目的。

牽引車車架從整體上講其變形很小，具體分析可知牽引車架的最大變形位于車側壁上方的中間位置。為保證后續(xù)生產(chǎn)的安全性，提升牽引車車架車廂抵抗變形的能力，在車側壁上方的中間位置焊接一塊厚度為7 mm、寬度為30 mm的鋼板。

而且，牽引車整體上所承受的最大應力位于牽引車車廂與車架相連接的位置，即在二者相連接位置存在應力集中現(xiàn)象。為減小車廂與車架連接位置的應力集中現(xiàn)象，在其直角連接區(qū)域焊接一條圓弧倒角。

在上述應力及變形嚴重位置優(yōu)化的基礎上，牽引車整體選材為Q235，其許用應力和許可變形遠大于其實際的應力和變形。因此，在保證牽引車可安全運行的基礎上對機架的結構尺寸進行優(yōu)化，根據(jù)當前機架的尺寸采用如表2所示的方案對牽引車機架的結構參數(shù)進行優(yōu)化。

表2 牽引車機架結構尺寸優(yōu)化方案 mm

經(jīng)仿真分析可知，1號—5號方案的最大位移、最大應力均增大，而對應的機架的整體重量依次減小。而且，雖然5號方案的應變和應力雖然最大，但是其仍然在安全范圍之內[5]。因此，選用5號方案對牽引車機架的結構尺寸進行優(yōu)化，經(jīng)優(yōu)化后牽引車機架質量為936 kg，與原尺寸機架相比整體質量減小136.95 kg。

3 結語

皮帶臥式延伸裝載機為當前解決煤礦傳統(tǒng)裝運不連續(xù)、效率低的設備?？傮w來講，皮帶臥式延伸裝載機結構非常復雜，本文著重對其牽引車的關鍵結構進行設計，包括行走機構、傳動機構以及機架。經(jīng)有限元仿真分析后，初始參數(shù)牽引車機架存在材料浪費的問題，對牽引車機架兩側鋼板厚度、前后鋼板厚度以及車架槽鋼的厚度進行優(yōu)化，最終兩側鋼板的厚度為4.5 mm，前后鋼板厚度為4 mm，車架槽鋼的厚度為5 mm。