掘进工作面装载机的设计

李 炎

（阳煤寺家庄有限责任公司开拓三队， 山西 晋中 045300）

引言

巷道掘进为煤炭开采的基础，在煤炭开采效率不断提升的背景下，需进一步提升巷道的掘进速度，从而达到采掘平衡。对于煤巷或者岩石硬度较低的半煤岩巷道可采用悬臂式掘进机进行截割，且其掘进速度能够达到采掘平衡的标准[1]。而对于纯岩石巷（普氏系数大于8）常采用钻爆法工艺，其中装岩工艺耗时最多，严重影响了巷道的掘进速度，从而间接影响综采工作面的开采效率。本文着重研究一款可快速装岩的新型装载机，具体阐述如下。

1 挖掘式装载机概述

挖掘式装载机主要应用于煤矿巷道的掘进中，能够实现对掘进巷道内岩石、矸石的连续装载。挖掘式装载机的总体结构如图1 所示。

图1 挖掘式装载机总体结构

如图1 所示，挖掘式装载机由6 个分系统组成，其主要应用于对中小型巷道的掘进，且传统挖掘式装载机最佳装载物料的直径小于500 mm。挖掘式装载机具有扒取范围广、动力足、工作平稳等优势，一定程度上大大减轻了掘进工作面作业人员的劳动强度[2]。为进一步提升挖掘式装载机的工作效率，本文将对传统装载机进行优化设计。

2 新型挖掘式装载机的总体设计

本文以ZWY-160/55 型装载机为研究对象，经调研其在实际掘进过程中所存在的问题，并在结合

《煤矿安全生产规程》的相关标准及客户要求的基础上，对原装载机的部分尺寸进行优化调整。优化调整后装载机的关键参数如表1 所示。

表1 优化调整后装载机的关键参数

3 新型装载机液压系统的设计

根据挖掘式装载机所应用的工况，为确保其液压系统能够满足实际生产的需求，挖掘式装载机采用三泵串联的方式为其供油。其中，采用变量柱塞泵为装载机的反铲机构和行走机构供油；采用定量齿轮泵为装载机的其他液压元器件供油[3]。基于变量柱塞泵为装载机的核心分系统反铲机构和行走机构供油，大大提升了装载机运行的稳定性；采用先导手柄控制装载机的各项挖掘动作及行走，大大减轻了作业人员的劳动强度。

3.1 装载机工况研究

挖掘式装载机在工作面实际掘进过程中，其挖掘作业主要依靠反铲机构的小臂液压缸和插兜液压缸的复合动作实现装载任务；而反铲机构的大臂液压缸的主要功能是完成铲斗的升降功能[4]。因此，装载机工况仅需综合小臂液压缸的最大负荷和铲斗液压缸的最大负荷来确定。

综合分析装载机小臂液压缸和铲斗液压缸的最大负荷。经研究可知，在外部载荷一定的情况下，系统工作压力越大，装载机的结构更为紧凑，其装填效率越高。因此，结合挖掘式装载机的工况载荷要求，初步设定装载机液压系统的工作压力为10 MPa。

3.2 液压系统关键参数的确定

3.2.1 主泵参数的选型计算

基于对挖掘式装载机液压系统的设计可知，装载机共包含有一个变量柱塞泵和两个定量齿轮泵。所选择变量柱塞泵的流量为100 cm3/r、两个定量齿轮泵的流量分别为30 cm3/r、10 cm3/r，根据式（1）得出泵的最大流量Q：

式中：q为变量柱塞泵或定量齿轮泵的流量；n为泵驱动电机的转速，取n=1 480 r/min。

经计算可知，所要求主泵的最大流量为148 L/min。

3.2.2 装载机爬坡角度的计算

装载机爬坡能力与其马达的最大输出扭矩、地面附着系数等参数相关。经过推导可得出如式（2）所示的爬坡角度计算公式：

式中：α 为装载机的最大爬坡角度；φ 为掘进工作面地面附着系数；取φ=0.7。经计算可得：α=28°。即，该装载机的最大爬坡角度为28°。

3.2.3 散热器面积的计算

挖掘式装载机主要应用于巷道的掘进中，其应用环境相对恶劣，且负载变化无规律。在实际掘进中，液压油的温度会在短时间内升高，从而造成液压油变质，降低了装载整机的使用寿命[5]。因此，有效的冷却系统是必需的。散热器面积直接决定液压油的降温效果。装载机所需散热器散热面积S的计算如式（3）所示：

式中：QH为装载机系统的总发热量，经计算可知QH=13.8 kW；k为冷却系统的传热系数，取k=50 W/m2·℃；Δt为液压油与环境温度的平均温差，取Δt=30 ℃。经计算可得，S=9.2 m2。

3.3 装载机关键机构的校核

为验证装载机关键机构能够满足其在工作面的应用需求，特对其重点工况下关键结构的应力情况进行仿真分析。基于装载机在实际应用时所出现问题，本文选择在最大挖装距离时装载机的工况状态为重点工况，关键机构为反铲机构。

在重点工况下，反铲机构所出现的最大位移处于铲斗斗齿的位置，且最大位移为12.9 mm，而且沿着从铲斗到大臂的方向，其位移越来越小，说明在重点工况下部件的变形不会影响装载机的工作性能。

在重点工况下，反铲机构所出现的最大应力位于铲斗斗齿的位置，且最大应力值为175 MPa，小于斗齿材料的需用应力345 MPa。因此，在重点工况下反铲机构的各个零部件不会失效。

综上所述，装载机反铲机构能够满足实际生产的需求。

4 结语

挖掘式装载机主要应用于岩层硬度较大的掘进工作面中。为了确保在对岩层硬度较大的工作面掘进时能够达到采掘平衡的效果，需根据工作面的实际情况设计与其相匹配的挖掘式装载机，以达到提升机掘进效率的目的。