露天矿端帮连采掘进后配套运输转载机的设计

2020-07-02任晓力

露天采矿技术 2020年3期

任晓力

（中国煤炭科工集团太原研究院有限公司，山西太原 030006）

连采机掘进后配套运输设备有很多种，根据现场的情况具体配套不同的设备，如带式输送机，连运系统或者梭车等，而对于露天端帮开采掘进过程中，连采机掘进过程不支护，后配套运输设备一节接一节的跟进，不需要人员维护，针对上述情况，开发了一种针对露天矿端帮时的后配套运输的转载机。该运输系统在生产过程中不仅起到运输作用，而且在遇到塌方时还能起到将连采机拖拽出硐室的作用[1-2]。因此该转载机需要具有运输能力强、架体强度高、转载机之间能快速连接等特点。

1 开采工艺概述

转载机是开采运输系统的主要组成部分，连采机进入硐室采煤，若干个转载机串联起来紧跟在连采机机后，将连采机截割的煤运输到硐室外。当连采机进行截割时，工人将2 个转载机连接起来后，由连采机将转载机拖进洞内，待连采机截割完成1 个洞后退出时，洞外工人将转载机拆出，直至最后1 个转载机退出硐室后，完成1 个硐室的采煤作业，进行下一硐室的作业，开采工艺简图如图1。

图1 开采工艺简图

2 整体结构

转载机整体结构，由架体、传动滚筒、减速电机、改向滚筒、快换连接装置、自动张进装置、钢轮组件、电控箱、托辊组件、输送带10 部分组成。转载机的运行流程是减速电机带动传动滚筒，传动滚筒再带动输送带，将上一转载机的煤从尾部运到转载机的头部，再将其传到下一转载机上，这样就实现了煤的连续运输。电控箱通过远程控制来实现转载机输送带的启停，快换装置是实现2 个转载机之间的快速连接，张紧装置是对输送带进行实时张紧防止其打滑，钢轮组件是在转载机被拖动行走时起到支撑作用，托辊组件是带式输送机的必要组成，转载机整体结构组成如图2。

图2 转载机整体结构组成

3 整机设计要点

3.1 输送带宽度和传动功率

转载机作为连采机的配套运输系统的组成单元，其运输量和运输带速均参照端帮连采机来确定，设计计算时其运输量和带速均比连采机稍大即可。

带宽计算公式：

式中：B 为胶带宽度，mm；α 为最大粒度，mm。

可以根据截割情况确定物料的粒度[3－5]，进而计算出皮带的宽度B，不同带宽推荐输送物料的最大粒度见表1。

表1 不同带宽推荐输送物料的最大粒度

带速计算公式：

式中：v 为带速，m/s；s 为物料横截面积（可根据带宽查表可得），m2；Q 为运输能力（固端帮连采机运输量），t/h；k 为倾斜输送机面积折减系数；ρ 为物料的密度（煤密度），g/cm3。

传动滚筒功率可根据带宽和运输量确定转载机驱动部分功率公式：

式中：P 为传动滚筒的轴功率，kW；c 为输送带、轴承等处的阻力系数；f 为托辊的阻力系数，取0.025～0.030；l 为输送机电动滚筒与改向滚筒之间中心距离的水平投影，m；Gm为输送带、托辊、改向滚筒等旋转零件的质量，kg；h 为输送高度，m。

3.2 耐寒输送带

煤矿井下输送机，一般采用阻燃型难燃型输送带，设计的转载机是在露天矿中使用，考虑到我国北方地区冬天室外温度可达－30～－40 ℃，在设计运输胶带材料时要保证输送带满足耐寒要求。传统的PVC 与PVG 输送带不适合低温条件，综合考虑选用聚酯带芯。

输送带织物的层数。聚酯织物芯输送带层数按式（4）计算：

式中：Z 为输送带织物层数；F 为输送带的最大张力，N；n 为织物芯输送带静安全系数，尼龙聚氨酯一般取10～12；σ 为输送带的扯断强度，N/mm。

3.3 快速连接装置

转载机紧跟在连采机后面进入采煤硐室，每个转载机的长度仅有十几米，随着连采机的不断截割推进，后续的转载机需要不断的快速连接到上1 个转载机中，同样当连采机退出硐室时，需要快速的拆卸转载机保证转载机输出的连续性。因此就需要设计1 个快换装置，来实现2 个转载机之间连接的快速拆装，因为拆装程度的快慢直接决定了整个边帮采煤系统的效率。

快速连接装置设计要求不仅要满足拆装方便，同时还要保证足够的强度，由于边帮开采的硐室不需要支护，一旦出现塌方，连采机被埋，转载机还起到拖拽连采机的作用，因此必须保证足够的强度。快换连接装置结构由快插销轴、前端连接耳、后端连接耳和快插块组成，前端连接耳和后端连接耳分别固定在架体上，属于架体的一部分，连接时将2 个单元的前端和后端对其，将快插块从架体内侧插入后再讲快插销轴从上部穿入前端连接耳的孔中，实现2个转载机的连接，快换连接装置结构简图如图3。

图3 快换连接装置结构简图

这种连接方式保证2 个转载机的连接销轴不仅在推时是面接触，在拉时也是面接触，在快换的同时受力也能够保证，避免销轴十字交叉。而且快换块与前端连接耳之间的夹角也能对转载机之间的上下摆角进行限位，保证运输系统适应一定的巷道坡度，快换连接装置的剖视图如图4。

图4 快换连接装置的剖视图

3.4 架体的仿真

由于转载机不仅是对运输系统的支撑，其整体结构要有足够的强度以便在必要的时候拖拽连采机，在保证足够强度的同时还要尽量较少架体的质量。转载机架体受力主要是受拉力和压力，即连采机截割时平台上的油缸将转载机推入硐室内，此时受压，当截割完成退出时，平台上的油缸将转载机往外拖拽，此时受拉。因此架体整机结构采用桁架的结构设计，桁架结构其实是二力杆，也成为拉杆或压杆，同时为了尽量较少质量，材料采用方钢。架体局部受力仿真图如图5。

3.5 自动张紧装置

图5 架体局部受力仿真图

传统的输送机在遇到打滑情况时一般采用人为增加输送带的张紧力等方法来减少打滑，但在帮开采时，其运输系统由若干个装载机串联而成，装载机进入硐室后人员不能进入，如果1 个装载机出现打滑的现象，就会由于短时间堆煤以至于造成整个运输系统瘫痪，因此需要从根本上解决开采中输送带打滑的问题，就需要设计1 个能实时张紧的自动张紧装置。

3.5.1 自动张紧装置的结构

张紧是保持输送带各处张力适当，如果张力过大将导致输送带变形过大，滚筒及其他设备也会磨损严重。因此就要能动态控制调整张紧力，一般首先选择液压油缸来张紧，但是系统设计时整机没有液压系统。再就是考虑电动推杆，但是电动推杆不能带负荷启动。因此选择电液推杆来作为张紧装置的动力源[6-8]。电液推杆是以电动机为动力源，通过双向齿轮泵输出液压油，经油路集成块控制，送到油缸来实现活塞杆的往复运动。电液推杆具有过载自动保护功能，自锁功能和远程控制的功能。由于端帮开采的特殊性，巷道无人化，就要求负载压力能实时反馈并对其进行远程控制，使设备出现故障时在短时间内能正常运转。同时电液推杆还具有运行平稳、拉力无级调节、系统封闭性好维修方便等优点。

张紧装置主要由3 部分组成，分别是电液推杆、张紧块和张紧滚筒。为保证张紧滚筒的两侧受力均匀，设计在滚筒两侧均安装电液推杆，由于电液推杆带有压力反馈能及时调整两侧压力使其张紧同步自动张紧装置示意图如图6。

通过计算输送带不打滑的最小张紧力和输送带的行程（具体计算在此不再赘述），来确定电液推杆的规格尺寸，张紧力用来确定电液推杆所能输出的最大推力，此推力是在计算张紧力的基础上适当增大的值（具体增大比例由实验结果确定，但不能大于系统设计时滚筒的许用合力），如果推力一直大于输送带不打滑的张紧力，对输送带以及整个运输系统都是不经济的，所以最大推力只是作为输送带打滑时临时采取的应急措施。

图6 自动张紧装置示意图

3.5.2 张紧装置的控制策略

电液推杆的控制主要就是控制电机的正反转来实现油缸的伸出与缩回，液压系统的溢流阀来控制油缸推力的大小。在系统中增加压力传感器来检测张紧力的大小，进而根据压力大小来判定油缸是否需要继续伸出，以增加张紧力。同时整个运输系统还设置了带速测量传感器，一旦输送带打滑能及时检测出来。具体的控制方式为在程序中设定2 种控制模式，正常工作模式和打滑模式。

系统检测压力传感器压力，如果未达到设定值，则说明张紧力不够，需要继续伸长油缸实现张紧，当达到设定值时，电推杆电机停止转动，液压锁自锁，输送带正常运转。打滑时，首先电滚筒是正常运转的，此时带速传感器检测带速异常，说明打滑，此时需要张紧，电推杆电机转动推动活塞杆张紧，当检测到带速正常后，此时在程序中给予一定的延时，使较大煤块顺利通过输送机，然后在恢复到正常压力传感器设定的值，即到电推杆缩回，达到压力传感器设定值时停止电推杆停止运转，液压锁自锁。