丁建剛，王艷兵，楊小利

（陜西煤業(yè)化工集團(tuán)孫家岔龍華礦業(yè)有限公司，陜西榆林 719000）

0 引言

綜掘機(jī)在巷道掘進(jìn)過(guò)程中，需要隨著巷道的延伸而前進(jìn)，有時(shí)也需要后退。綜掘機(jī)的供電電纜一般有一定的富余量并盤(pán)放在綜掘機(jī)頂部，當(dāng)綜掘機(jī)在前進(jìn)或后退時(shí)，往往需要有專人在后方配合電纜的收放，這既增加了作業(yè)人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，也存在一定的安全隱患［1］。

研究設(shè)計(jì)一種適合綜掘機(jī)能自動(dòng)收放電纜的滾筒有著十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。目前，關(guān)于綜掘機(jī)用電纜收放裝置的研究多集中在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，有采用類似單軌吊拖移裝置的［2］，也有采用與采煤機(jī)隨機(jī)電纜相同的移動(dòng)原理的，如文獻(xiàn)［3］中設(shè)計(jì)的一種履帶牽引電纜裝置。但針對(duì)驅(qū)動(dòng)滾筒的驅(qū)動(dòng)力矩的分析計(jì)算以及系統(tǒng)的具體實(shí)現(xiàn)方法上研究的相對(duì)較少。本文對(duì)液壓驅(qū)動(dòng)滾筒的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與選型、負(fù)載力矩計(jì)算以及液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)等方面進(jìn)行了具體的分析，研究結(jié)果對(duì)綜掘機(jī)用電纜收放滾筒的設(shè)計(jì)與實(shí)際應(yīng)用具有重要的參考和指導(dǎo)意義。

1 滾筒的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

由于綜掘機(jī)上布置有一運(yùn)刮板運(yùn)輸機(jī)以及受后配套設(shè)備連接的限制，電纜收放滾筒只能布置在綜掘機(jī)頂部靠后的位置。此外，滾筒的軸向尺寸不應(yīng)超過(guò)綜掘機(jī)的寬度，高度又受巷道高度的限制。本文以EBZ－160綜掘機(jī)為例，設(shè)計(jì)的滾筒結(jié)構(gòu)如圖1所示，滾筒通過(guò)支撐座支撐固定在綜掘機(jī)本體上，整個(gè)裝置由液壓馬達(dá)、減速器、聯(lián)軸器、軸、滾筒等幾部分構(gòu)成。液壓馬達(dá)輸出力矩依次經(jīng)過(guò)減速器、聯(lián)軸器、軸，最終通過(guò)鍵帶動(dòng)滾筒旋轉(zhuǎn)。整個(gè)裝置的主要部件選型如表1所示。其中，馬達(dá)選用擺線液壓馬達(dá)，這種馬達(dá)具有以下優(yōu)點(diǎn)［4］：體積小、重量輕；轉(zhuǎn)速范圍廣，可實(shí)現(xiàn)無(wú)極調(diào)速；轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小，在負(fù)載下容易起動(dòng)，正反轉(zhuǎn)都可使用，而且換向不用停機(jī)。因此，其非常適合作為滾筒的驅(qū)動(dòng)單元。減速器選用結(jié)構(gòu)緊湊的擺線針輪減速器，其允許正、反兩個(gè)方向旋轉(zhuǎn)，采用油池潤(rùn)滑，它的傳動(dòng)效率高，一般能達(dá)到90%以上，而且具有壽命長(zhǎng)、噪音小等優(yōu)點(diǎn)［5］。聯(lián)軸器選用彈性柱銷聯(lián)軸器，該種聯(lián)軸器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、裝拆容易，具有一定的緩沖減震性能。液壓馬達(dá)與減速器安裝于左支撐座底板上，安裝時(shí)，依次安裝支撐座、液壓馬達(dá)、減速器、聯(lián)軸器、安裝了軸承的軸、鍵、右軸承端蓋；拆卸時(shí)，按照相反的順序即可。由于液壓馬達(dá)、減速器、聯(lián)軸器等的安裝充分利用了滾筒的內(nèi)腔空間，大大縮小了整個(gè)滾筒的軸向尺寸。

圖1 液壓驅(qū)動(dòng)滾筒的結(jié)構(gòu)

表1 液壓驅(qū)動(dòng)滾筒的主要零部件及選型

為減少電纜在收放過(guò)程中與地面接觸長(zhǎng)度，電纜在滾筒的旋轉(zhuǎn)方向如圖2所示，滾筒可纏繞電纜有效寬度W：1 200 mm，滾筒外徑D＝400 mm。EBZ－160綜掘機(jī)采用型號(hào)為MYP0.66／1.14－3×70＋1×25的橡套電纜，電纜外徑d＝55 mm，滾筒上需要纏繞電纜長(zhǎng)度L的最大量，也即電纜的最大富余量為100 m，則電纜需纏繞的層數(shù)n的計(jì)算采用如下計(jì)算式，代入相關(guān)數(shù)據(jù)計(jì)算得n＝3。為了保證滾筒能滿足纏繞3層電纜，則滾筒兩端端盤(pán)的外徑D1的值應(yīng)不小于D＋3d，即565 mm。

圖2 電纜在滾筒上纏繞的示意圖

2 滾筒的受力分析

為了能選擇合適的液壓馬達(dá)作為驅(qū)動(dòng)單元并對(duì)液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中的溢流閥、背壓閥的動(dòng)作壓力進(jìn)行準(zhǔn)確的設(shè)置，必須對(duì)滾筒的受力進(jìn)行分析。如圖3所示，滾筒在旋轉(zhuǎn)時(shí)所受的力包括聯(lián)軸器施加的扭矩N、滾筒的重力G、軸承的支撐力F、繞在滾筒上電纜的壓力G1、因電纜拖拽給滾筒施加的力矩N1，轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)軸承的滾動(dòng)阻力NZ［7］，根據(jù)受力平衡，可得：

圖3 滾筒的受力簡(jiǎn)圖

由于滾筒在實(shí)際旋轉(zhuǎn)中，軸承的運(yùn)行轉(zhuǎn)速較低，使用如下滾動(dòng)軸承摩擦力矩的一般計(jì)算公式［8］：

式中：f1為與軸承類型和所受負(fù)荷有關(guān)的系數(shù)；P1為確定軸承摩擦力矩的計(jì)算負(fù)荷，N；dm為軸承節(jié)圓直徑，mm；f0為與軸承類型和潤(rùn)滑方式有關(guān)的系數(shù)［4］；ν為工作溫度下潤(rùn)滑劑的運(yùn)動(dòng)黏度（對(duì)于潤(rùn)滑脂，取基油的黏度），mm2／s；n為軸承轉(zhuǎn)速，r／min。

滾筒左右軸承型號(hào)為6306型深溝球軸承，該軸承的外徑do＝72 mm，內(nèi)徑di＝30 mm，則軸承節(jié)圓直徑dm＝（do＋di）／2＝51 mm，參考文獻(xiàn)［4］的有關(guān)公式計(jì)算得：f1＝0.000 9，P1＝4 802 N，f0＝2，軸承使用的鋰基潤(rùn)滑脂的黏度為169 mm2／s，軸承的轉(zhuǎn)速n＝30 r／min，代入式（3）計(jì)算得NZ＝0.229 N·m。

因電纜拖拽給滾筒施加的力矩N1的值隨著滾筒上纏繞電纜的增加而減少。當(dāng)滾筒上只有1圈電纜且未纏繞電纜即將離地時(shí)力矩N1的值最大，此時(shí)N1＝μG1D，其中μ為電纜與地面的摩擦因數(shù)，取0.75，G1為電纜的最大重量，D為滾筒的外徑，代入相關(guān)數(shù)據(jù)計(jì)算得N1＝1 380 N·m。

根據(jù)公式P＝Nn／9550（kW），滾筒在轉(zhuǎn)速n＝30 r／min時(shí)的輸入功率P＝1 380.229×30／9 550＝4.34 kW。由于減速機(jī)、聯(lián)軸器都有一定的傳動(dòng)效率，假設(shè)擺線針輪減速機(jī)的傳動(dòng)效率為η1，彈性柱銷聯(lián)軸器的傳動(dòng)效率為η2，參照相關(guān)資料［9］知：η1＝0.9，η2＝0.99，則液壓馬達(dá)的輸出功率P1＝P／（η1·η2）＝4.87 kW。

3 液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)分析

結(jié)合綜掘機(jī)在煤礦井下巷道掘進(jìn)過(guò)程中的實(shí)際運(yùn)行情況，只有在綜掘機(jī)前進(jìn)或后退時(shí)，才需要滾筒旋轉(zhuǎn)完成電纜的收放。綜掘機(jī)的行走動(dòng)力部為兩臺(tái)液壓馬達(dá)，當(dāng)兩臺(tái)馬達(dá)旋轉(zhuǎn)方向相同時(shí)，綜掘機(jī)前進(jìn)或者后退；當(dāng)兩臺(tái)馬達(dá)的旋轉(zhuǎn)方向相反時(shí)，可實(shí)現(xiàn)綜掘機(jī)的原地左轉(zhuǎn)或右轉(zhuǎn)。如何將滾筒的正反旋轉(zhuǎn)與行走馬達(dá)關(guān)聯(lián)起來(lái)，對(duì)于實(shí)現(xiàn)并簡(jiǎn)化滾筒的驅(qū)動(dòng)控制有著十分重要的意義。

本文設(shè)計(jì)的滾筒驅(qū)動(dòng)采用液壓馬達(dá)，馬達(dá)的液壓油取自綜掘機(jī)左右行走馬達(dá)的閥后液管，液壓系統(tǒng)如圖4所示。通過(guò)設(shè)置互相并聯(lián)而方向相反的兩個(gè)溢流閥的動(dòng)作壓力，可以防止?jié)L筒的過(guò)度旋轉(zhuǎn)而損傷電纜。液壓泵兩側(cè)的液控單向閥互相控制，構(gòu)成液壓鎖［10］，可以確保液壓馬達(dá)在切斷進(jìn)液的時(shí)候，滾筒保持靜止而不旋轉(zhuǎn)。二位五通換向閥用于綜掘機(jī)司機(jī)控制切換液壓油的流向；閥前并聯(lián)的4個(gè)單向閥，主要作用在于當(dāng)綜掘機(jī)原地旋轉(zhuǎn)時(shí)，可以防止綜掘機(jī)行走馬達(dá)進(jìn)回液的短路而影響轉(zhuǎn)載機(jī)的正常行走動(dòng)作。減壓閥用于調(diào)節(jié)液壓馬達(dá)的入口壓力。

圖4 滾筒的液壓系統(tǒng)

具體的工作過(guò)程為：當(dāng)綜掘機(jī)前進(jìn)時(shí)，將換向閥打到如圖5所示的位置時(shí)，液壓油依次經(jīng)過(guò)單向閥、二位五通換向閥、減壓閥、液控單向閥至液壓馬達(dá)，回液經(jīng)液控單向閥、節(jié)流閥、二位五通換向閥、背壓閥回至油箱，此時(shí)滾筒旋轉(zhuǎn)將放出電纜；當(dāng)綜掘機(jī)后退時(shí)，將換向閥操作桿撥至相反的方向，即可使?jié)L筒向相反的方向旋轉(zhuǎn)而完成收纜。

圖5 綜掘機(jī)前進(jìn)時(shí)滾筒液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的流向

通過(guò)調(diào)節(jié)減壓閥使BMR－50型擺線液壓馬達(dá)的入口壓力為18.5 MPa，通過(guò)調(diào)節(jié)背壓閥設(shè)置馬達(dá)的背壓為1 MPa，根據(jù)公式［11］：

式中：P為液壓馬達(dá)的輸出功率，kW；Δp為液壓馬達(dá)的進(jìn)出口壓差，Pa；Q為液壓馬達(dá)的流量，L／min；ηt為馬達(dá)的總效率，一般為70%。

在本裝置中，P1＝4.87 kW，Δp≈17.5 MPa，代入可計(jì)算得液壓馬達(dá)的流量Q＝24 L／min，對(duì)照該馬達(dá)的性能特性曲線［12］，查得在該流量與壓差下，馬達(dá)的扭矩為125 N·m、轉(zhuǎn)速為340 r／min。而滾筒在工作過(guò)程中的轉(zhuǎn)速為30 r／min，則選擇的減速器的減速比為11。

4 結(jié)束語(yǔ)

（1）由于在實(shí)際掘進(jìn)過(guò)程中，巷道的尺寸有限。因此，綜掘機(jī)用電纜收放滾筒在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)滿足結(jié)構(gòu)緊湊、不影響綜掘機(jī)原有功能實(shí)現(xiàn)、便于維修等要求。

（2）滾筒在運(yùn)行中的阻力矩中，由于電纜的拖拽而施加的阻力矩占絕大部分，而由于載荷而引起的軸承滾動(dòng)阻力是可以忽略不計(jì)的。

（3）基于綜掘機(jī)原有液壓系統(tǒng)進(jìn)行滾筒液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，可以簡(jiǎn)化滾筒的控制，易于實(shí)現(xiàn)滾筒旋轉(zhuǎn)與綜掘機(jī)行走的聯(lián)動(dòng)控制。

（4）液壓馬達(dá)參數(shù)的設(shè)計(jì)應(yīng)基于滾筒的受力分析，在實(shí)際的調(diào)試中，根據(jù)實(shí)際運(yùn)行情況通過(guò)調(diào)節(jié)減壓閥的開(kāi)度來(lái)控制液壓馬達(dá)的入口壓力，通過(guò)調(diào)節(jié)溢流閥的動(dòng)作壓防止?jié)L筒過(guò)旋轉(zhuǎn)。