掘进机星轮装载机构的设计研究

2017-05-11韦汝勤

中国设备工程 2017年5期

关键词：装运煤岩掘进机

韦汝勤

（中国平煤神马能源化工集团有限责任公司，河南平顶山 467000 ）

掘进机星轮装载机构的设计研究

韦汝勤

（中国平煤神马能源化工集团有限责任公司，河南平顶山 467000 ）

根据掘进机装运机构的特点和整机的工作性能，对星轮机构进行了详细的分析与研究：结合整机生产能力，确定星轮的尺寸和转速，并得出刀型星轮的合理性；对于星轮装载功率，在原有类比法的基础上结合其工作原理，提出了系数计算法，结果更加精确，为以后的设计与改进提供理论依据。

掘进机；装载机构；星轮结构；装载功率

对于煤矿巷道的快速掘进，大多将研究重点放到提高截割能力和锚杆支护作业中，但应注意的是，在提高生产能力的同时也应相应的提高装载能力，以提高整机的生产能力。掘进机装载机构主要是星轮装载，以往核算星轮装载能力大都选择类比法，并不精确，因此合理的选择星轮形式，准确的计算星轮装载能力就显得尤为重要。

1 装载星轮的尺寸和转速

装载星轮主要有3种形式，分别为直形星轮、直斜形星轮和刀形星轮，如图1所示。

图1 星轮装载形式

现掘进机大部分用以上三种星轮作为装载机构，本文以刀形星轮为例进行分析。

1.1 星轮基本尺寸

星轮基本尺寸主要由星轮大径D、星轮小径d、小径厚度H、边轮厚度h，如图2所示。

（1）星轮大径D：其主要由铲板尺寸大小、溜槽宽度、液压马达安装位置所决定，设计时综合考虑。

（2）星轮小径d：小径凸台不进行装载工作，所以越小越好，但受到液压马达及配套件的限制，故在满足安装和强度的要求下尽量缩小小径d。

图2 星轮基本尺寸示意图

（3）小径厚度H：小径在满足液压马达与星轮的安装尺寸和强度要求下，应做到最小。另外由于掘进机卧底量的要求，也须将小径厚度压缩到最小。

（4）星轮辐数N及辐条高度h：现星轮辐数以三、四、六居多，这主要由截割能力、马达转速、铲板尺寸以及溜槽转运速度所决定。装运能力随辐条数量的增多呈先增大后减小趋势，所以在其他条件满足的情况下先选装载能力处于最高点的辐条数，现以四辐星轮为例进行研究。辐条高度与辐数的影响因素相同，按式（1）计算，一般为60～120mm。

式中：w——装载机构生产率，m3/h；

n——星轮转速，r/min；

Z——装载系数，一般为1～2；

D——星轮大径，mm；

d——星轮小径，mm；

N——星轮福条数，个；

S——星轮福条所占面积，mm2；

n——星轮转速，r/min。

1.2 星轮转速

根据星轮工作时的受力状态确定星轮转速，星轮工作状态受力情况如图3所示。

星轮装运煤岩主要分为两部分，一部分由星轮将煤岩推进溜槽中，一部分是利用离心力将煤岩送进溜槽中，这就需要煤岩所受的离心力应大于其与星轮侧边的摩擦力，在图3中表示为F1≥F5。由此进行分析。

图3 星轮工作状态受力示意图

设煤岩质量为m，所在位置回转半径为R，煤岩所受离心力Fg为：

煤岩与铲板摩擦力F3为：

故F4=F3-F2，即：

煤岩与星轮侧边的摩擦力F5为：

由F1≥F5可得星轮临界转速：

从上述分析中可以得出：（1）煤岩与星轮侧边的摩擦力由煤岩压向星轮侧面的垂向力决定，这就需要离心力的垂直分力小于煤岩与铲板的摩擦力，离心力随星轮半径的增大逐渐增大，所以需a角在沿侧边过渡过程中需不断减小，即星轮侧边应为圆弧线，就是常称作的刀型星轮。星轮的转速不宜超过临界转速过多，否则会造成甩煤程度较严重，将煤岩带过溜槽甩到铲板挡板上，又落到铲板中，无法起到装载的作用。一般转速为30～50r/min。

2 装载功率

星轮式装载功率一般采用类比法进行确定，在原有机型装载功率下，结合截割功率、溜槽转运速度、煤岩发育程度以及装载工况进行适当调整，一般与所需功率都有所偏差，并不精确。下面根据星轮装载的装运过程进行分析，得出较类比法更加精确的计算方法。由上述星轮装运过程可知，功率主要由两部分组成，一部分是星轮将煤岩以一定速度推进溜槽所消耗的功率W1，另一部分是煤岩受摩擦力所消耗的功率W2，其他不确定因素由相关系数T表示（一般取1.2～1.5）。

（1）星轮动能所需功率W1：