席亞兵 黃志懷 王文瑩

（三一重型裝備有限公司，遼寧 沈陽 110020）

0 引言

俄羅斯地區(qū)煤炭儲量占全球15.2%，全球第二。總產(chǎn)量4.41 億噸，全球第六?？梢姸砹_斯地區(qū)有很好的市場基礎(chǔ)，因此該國已成為我公司開拓海外市場的主要目標(biāo)地區(qū)。經(jīng)調(diào)研EBZ200 掘進(jìn)機(jī)是俄羅斯常規(guī)進(jìn)口機(jī)型，但是該機(jī)型的功能已經(jīng)不能滿足俄羅斯的煤礦標(biāo)準(zhǔn)和使用習(xí)慣，因此開發(fā)一款符合俄羅斯工況的新機(jī)型EBZ200R 掘進(jìn)機(jī)勢在必行。

1 俄羅斯地區(qū)掘進(jìn)設(shè)備需求

通過市場調(diào)研發(fā)現(xiàn)，國內(nèi)煤礦和俄羅斯煤礦在使用掘進(jìn)設(shè)備過程中，無論在煤礦安全標(biāo)準(zhǔn)、客戶需求、還是使用習(xí)慣上都與國內(nèi)有所區(qū)別，歸納總計如下： ①俄羅斯很多礦井都不是采用的皮帶運(yùn)輸，而是采用梭車或者是有軌小車進(jìn)行運(yùn)輸，因此國內(nèi)常規(guī)的第一運(yùn)輸機(jī)就無法適應(yīng)各地區(qū)的后配套運(yùn)輸系統(tǒng)；②俄羅斯文字比較長，國內(nèi)常規(guī)的操作箱一般是5.7 寸屏幕，無法正常顯示俄文；③根據(jù)俄羅斯的煤礦安全規(guī)程，截割頭的噴嘴要求使用柱狀噴嘴，同時還要滿足要求大于2.5MPa；④冷卻水系統(tǒng)的的壓力和流量不足時，設(shè)備需要自動停機(jī)；⑤掘進(jìn)機(jī)要求實(shí)現(xiàn)遙控功能；⑥將掘進(jìn)機(jī)的運(yùn)行和監(jiān)控數(shù)據(jù)傳輸?shù)骄?，進(jìn)行觀測和監(jiān)控；

2 EBZ200R 整機(jī)方案與專項功能

2.1 整體方案

該文以我司現(xiàn)有的EBZ200 掘進(jìn)機(jī)為基礎(chǔ)，針對俄羅斯的特殊需求進(jìn)行功能研發(fā)和部件設(shè)計，最終設(shè)計出一款俄羅斯專用的新機(jī)型EBZ200R 掘進(jìn)機(jī)。整機(jī)方案和結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

EBZ200R 掘進(jìn)機(jī)的設(shè)計，在保持原有設(shè)備基本功能不變的情況下，主要開發(fā)了如下的全新功能和部件，見表1，表1 列出了設(shè)計的新結(jié)構(gòu)和及其作用。

圖1 EBZ200R 掘進(jìn)機(jī)方案和結(jié)構(gòu)圖

2.2 萬向擺尾結(jié)構(gòu)第一運(yùn)輸機(jī)的設(shè)計

現(xiàn)有掘進(jìn)機(jī)中第一運(yùn)輸機(jī)，都是剛性連接，出料口位置固定不變，無法改變出料口位置，截割的物料只能通過后面搭接的皮帶運(yùn)輸機(jī)機(jī)往后運(yùn)送，即后配套運(yùn)輸系統(tǒng)單一，根本無法滿足俄羅斯特殊巷道多樣化的運(yùn)輸需求。

根據(jù)俄羅斯后配套運(yùn)輸系統(tǒng)的多樣性，設(shè)計一款可以實(shí)現(xiàn)出料口高低可調(diào)，左右可擺動，實(shí)現(xiàn)任意方向出料的萬向結(jié)構(gòu)第一運(yùn)輸機(jī)。它適應(yīng)任意形式的后配套系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)如圖2 所示，圖2 顯示了該機(jī)構(gòu)的關(guān)鍵部件和位置。

表1 新增專項功能

圖2 萬向結(jié)構(gòu)第一運(yùn)輸機(jī)示意圖

① 工作原理

當(dāng)出料口需左右擺動時，通過控制掘進(jìn)機(jī)操作臺對應(yīng)的的液控手柄，使序號為7 的擺動油缸伸長和縮短，推動后面的擺動槽繞著序號8 的擺動銷軸進(jìn)行轉(zhuǎn)動，從而實(shí)現(xiàn)了出料口左右擺動，該機(jī)擺尾范圍為±40°。當(dāng)出料口需要上下調(diào)整時，通過控制掘進(jìn)機(jī)操作臺對應(yīng)的的液控手柄，使序號為5 的拉升油缸進(jìn)行伸長和縮短，從而帶動后面的整體繞著序號為6 的轉(zhuǎn)動銷軸進(jìn)行轉(zhuǎn)動，實(shí)現(xiàn)出料口的抬高和降低。

② 工作能力計算

根據(jù)運(yùn)輸機(jī)運(yùn)行阻力公式如公式（1）所示。

式中：q—溜槽中單位長度內(nèi)煤質(zhì)量；q—刮板鏈、刮板在槽中每1m 的質(zhì)量，上、下槽中共計128kg/m；L—運(yùn)輸機(jī)長度，取12m；W′—煤在槽中移動阻力系數(shù)，取1；β—運(yùn)輸機(jī)傾斜角度平均為9.5°；f—刮板鏈在槽中移動阻力系數(shù)，單鏈，有導(dǎo)向取0.5；W—運(yùn)輸機(jī)運(yùn)輸阻力矩。

將設(shè)計參數(shù)代入公式（1），可得：

第一運(yùn)輸機(jī)馬達(dá)提供給刮板鏈的牽引力F 如公式（2）所示。

式中：D—驅(qū)動鏈節(jié)圓，0.279m；M—馬達(dá)輸出扭矩。馬達(dá)輸出扭矩M的計算如公式（3）所示。

式中：ΔP—馬達(dá)進(jìn)出油口壓力差；q—馬達(dá)排量；η—馬達(dá)容積效率；η—馬達(dá)機(jī)械效率。

將參數(shù)代入公式（3），可得：

因此，可得出結(jié)論：F>W，即牽引力大于阻力，滿足設(shè)計要求。

③ 關(guān)鍵部件強(qiáng)度分析

因萬向擺尾第一運(yùn)輸機(jī)為此設(shè)備關(guān)鍵功能部件，受力復(fù)雜，因此對其進(jìn)行強(qiáng)度校核十分必要。將簡化后的三維模型導(dǎo)入有限元分析軟件（ANSYS）中，進(jìn)行強(qiáng)度分析，計算各個組焊件的最大應(yīng)力。

為了便于對關(guān)鍵部件受力結(jié)果的分析和統(tǒng)計，整理結(jié)果見表2，通過數(shù)據(jù)結(jié)果分析，整個第一運(yùn)輸機(jī)的設(shè)計強(qiáng)度安全可靠，滿足強(qiáng)度要求。

2.3 智能化操作臺的設(shè)計

傳統(tǒng)掘進(jìn)機(jī)的操作臺在井下工作時，屏幕顯示的界面比較小，對個別國家語言的全部顯示，特別是俄文，文字較長，無法在一個頁面中顯示其基本的多條內(nèi)容，甚至無法提供清晰明了的信息。同時伴隨著技術(shù)和產(chǎn)品的進(jìn)步，掘進(jìn)機(jī)正在向智能化的方向發(fā)展，特別是現(xiàn)在已經(jīng)開始實(shí)現(xiàn)以無線遙控和遠(yuǎn)程遙控的方式進(jìn)行操作掘進(jìn)機(jī)，普通的操作臺已經(jīng)不能滿足掘進(jìn)設(shè)備的現(xiàn)代化需求，因此開發(fā)了一款可以實(shí)現(xiàn)無線控的智能化操作臺，總體方案和功能如圖3 所示。

圖3 中的操作臺不但涵蓋了以前的基本功能，還滿足了俄羅斯的特殊需求：

①全面顯示屏，顯示屏設(shè)計由原來的5.7 寸改為10.4寸?？山鉀Q俄文字符較長，顯示字體小的問題。

②電磁換向多路閥、先導(dǎo)電磁閥箱、梭閥組件、先導(dǎo)手柄聯(lián)合作用，實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)設(shè)備的無線遙控和遠(yuǎn)程操作功能，以及手動和遙控的切換。

③集成水監(jiān)測單元，可以實(shí)時監(jiān)測設(shè)備冷卻水的流量和壓力，同時與掘進(jìn)設(shè)備實(shí)現(xiàn)水電聯(lián)動功能，即當(dāng)操作臺的檢測裝置檢測到冷卻水的流量不足和水壓力過大、過小時，系統(tǒng)自動切斷截割電機(jī)，實(shí)現(xiàn)對截割設(shè)備的實(shí)時保護(hù)。

表2 總體仿真結(jié)果

2.4 全噴嘴的截割頭設(shè)計

所謂全噴嘴截割頭是指在截割頭的每一個截齒座上都要求安裝柱狀噴嘴。這是俄羅斯國家煤安新增的特殊要求。如圖4 所示，在重新設(shè)計截割頭時，將截割頭水套與截割頭體組焊在一起，內(nèi)外兩層之間形成一個儲水空間，截齒座焊接在截割頭體外部，柱狀噴嘴安裝在截齒座上，截割頭體與截齒座的對應(yīng)位置開有水孔。工作時截割頭上的每一個截齒都有噴霧從噴嘴中噴出。

圖3 智能化操作臺方案圖

圖4 全噴嘴截割頭

2.5 智能化水系統(tǒng)的設(shè)計

如圖5 所示，在掘進(jìn)機(jī)水系統(tǒng)中增加壓力和流量傳感器、電磁換向閥、高壓水泵、液控水閥等關(guān)鍵零部件，通過優(yōu)化水路，合理布局等實(shí)現(xiàn)智能化水系統(tǒng)。

水系統(tǒng)中的流量計和壓力傳感器可以將檢測數(shù)據(jù)實(shí)時顯示在屏幕上，同時還可以通過程序自動的控制截割電機(jī)。當(dāng)檢測到流量或者壓力不滿足參數(shù)要求時，傳感器將信號反饋給掘進(jìn)機(jī)主控器，系統(tǒng)會控制截割部自動停機(jī)，最大限度地防止電機(jī)和截齒的過熱，起到智能保護(hù)的作用。

在水系統(tǒng)的前端安裝有增壓水泵，通過給水增壓的方式解決來水壓力和流量不足帶來的噴霧效果不佳的問題，在整個水系統(tǒng)的控制和聯(lián)動過程中，全部采用遙控的控制和自我判斷的方式，實(shí)現(xiàn)了智能化。

2.6 增加Wi-Fi 功能

在掘進(jìn)機(jī)護(hù)板的上方設(shè)置監(jiān)控分站，監(jiān)控分站具有Wi-Fi 無線收發(fā)功能，可以進(jìn)行以太網(wǎng)口和CAN 口之間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，還可以將掘進(jìn)機(jī)的各種數(shù)據(jù)通過無線的方式傳遞到下一個分站，最后通過光纖將信號上傳到井上監(jiān)控中心，用于監(jiān)控整機(jī)的設(shè)備運(yùn)行情況，方案如圖6 所示。

圖5 水系統(tǒng)線路圖

圖6 Wi-Fi 分站方案圖

掘進(jìn)機(jī)的監(jiān)控采用近距離無線Wi-Fi 傳輸和遠(yuǎn)距離光纖傳輸方式相結(jié)合模式。主要參數(shù)如下：

①視頻信號傳輸延時≤5ms。②控制動作信號延時max ≤0.8s。③控制距離≥1000m，無線距離≤80m。

3 結(jié)語

該文結(jié)合目前國內(nèi)EBZ200 機(jī)型和俄羅斯地區(qū)煤礦巷道的實(shí)際情況，成功研發(fā)出了滿足俄羅斯地區(qū)的EBZ200R 掘進(jìn)機(jī)，并且已經(jīng)出口到俄羅斯北鋼瓦爾庫塔煤礦進(jìn)行實(shí)驗(yàn)性應(yīng)用，取得了良好的掘進(jìn)效果。此外，對于其他機(jī)型來說，也可以通過在目前已有的機(jī)型基礎(chǔ)上，進(jìn)行上述配置，提高設(shè)備綜合性能。此結(jié)構(gòu)方案市場前景看好，將創(chuàng)造較大的經(jīng)濟(jì)效益，提高核心競爭力。