综掘设备部分问题的分析及改造设计

陈有力　吴雪娜　陈隆

摘  要：该文通过对掘进设备的基本组成部分、功能的分析及用户的反馈和调研，发现现有部分综掘设备的油箱油温偏高，存在截割头紧固螺栓易松动的问题，给安全生产带来了隐患。针对这些问题，该文对水冷壁式油箱及截割螺栓防松装置进行了分析及改造设计，在实际生产中得到应用，取得了较好的效果，实现了使煤炭开采变得更加安全、方便、快捷的目的。

关键词：综掘设备;改造设计;煤炭开采

中图分类号：TD421   文献标志码：A

1 掘进设备的组成部分及各部分功能

1.1 矿用掘进机的组成部分

煤矿用掘进机主要由截割部、铲板部、本体部、行走部、第一运输机、后支撑、电气系统、液压系统、水系统等部分构成。而各主要组成部分也由多个下级构成部分组成。其中截割部主要由截割头、截割臂、截割减速机、电机架、截割电机、联轴器等构成。铲板部主要由主铲板、侧铲板、小溜槽、星轮马达装置等构成。本体部主要由本体架、回转轴承、连接销轴、衬套等构成。行走部主要由履带链、履带架、驱动轮、导向轮、支重轮、张紧装置等构成。第一运输机主要由前溜槽、后溜槽、刮板输送链、驱动装置等构成。后支撑主要由支撑腿、左右托座、前横梁等组成。电气系统主要由电控箱、显示器、电机、传感器等构成。液压系统主要由油箱、液压缸、液压泵、液压管路、过滤器、主阀等构成。水系统主要由进水装置、减压阀、水管、出水装置等组成。

1.2 矿用综掘设备各部分的功能

综掘设备以本体部为依托，截割部对被采掘对象进行截割，铲板部对被采掘下来的物料进行铲装，第一运输机实现对截割物料的装载与运输，行走部是驱动掘进机行走、调动的执行机构，电气系统及液压系统为整个设备工作提供动力源。综掘设备的各个部分辩证统一，缺一不可，各部分功能充分发挥形成一个有机整体，最终保证设备的正常高效运转。

2 发现的问题

综掘设备的各个部分作为掘进设备的重要组成部分，只有各部分功能得到有效发挥，才能保证掘进设备这一有机整体能够发挥出最大作用，保证矿下掘进工作能够顺利高效进行。通过实际调研和用户的反馈，发现EBZ200掘进设备在实际工作时，油温偏高，煤岩掘进设备截割头紧固螺栓较易松动，不利于井下工作的高效进行，并且也会给井下的安全生产带来了隐患，因此解决这些问题变得十分必要。

3 问题的分析及改造设计

3.1 针对油温偏高问题水冷壁式油箱的设计

针对现有综掘设备油箱散热性能有待提高的问题，在考虑成本及实用性的同时，对其进行了综合分析。油箱作为液压系统的重要组成部分，主要起到存储油液、沉淀杂质、散发热量等作用。油箱系统对整个液压系统的良好运行起着至关重要的作用，在主要依靠油箱来为液压油液散热的系统中，液压油如果不能及时得到冷却或冷却效果不理想，都会加快油液的氧化，加速液压元件的腐蚀磨损[1]。因此从冷却的平衡性、可行性及经济性角度入手，对EBZ200掘进机的液压油箱进行设计，使其既能满足实际工作需要，又能够快速平稳地对油液进行冷却。

综掘机正常工作下的油温要求在40 ℃～60 ℃，这样能够最大限度地发挥整机性能，延长使用寿命[2]。液压油的比热容约为1 675 J/（kg·K），水的比热容是4.2×103 J/（kg·℃），比热容是单位质量物质的热容量，即单位质量物体改变单位温度时的吸收或释放的内能。比热容是表示物质热性质的物理量[4]。该文根据水比热容较大且兼具造价成本低、取用方便的优势，设计出以水为冷却介质的水冷壁式油箱。水冷壁式油箱通过水循环，不断带走油箱部分的热量，达到使油箱降温的目的。

新设计的水冷壁式油箱如图1所示。原油箱容积为600 L，既在不减少油箱容积的前提下，在油箱底部增加水冷壁系统，设计蛇形水路，既在有限的空间内最大限度地利用容水体积，又增加了通过冷却水的流动时间，以便更有效地带走热量，降低温度。I向视图为油箱底部的水道布置，通过进水口进水后，通过出水口出水，实现冷却水的流动，将热量带走。考虑到在增加水冷壁冷却系统后，由于水温低于油温，液压油的热量被冷却水吸收，油温降低水温增加，且水流通过蛇形通道的时间相对较长，因此油水之间的关系应遵循能量守恒定律，两者最终达到一个平衡的温度。根据具体的设计方案及计算分析，可以得到油箱最终温度及通过冷却水后下降的温度。

通入冷却水的质量：

式中：m1—水的质量，kg;ρ—水的密度，kg/m3;V—水的体积，m3。其中，V为水道板的容水体积，可以经过计算，水管道的体积V为0.02 m3，其中水的密度ρ为1.0×103 kg/m3。

在理想状态下液压油释放出的热量被水吸收，最终矿物油和水达到温度平衡：

式中：Q1吸—水吸收的热量，J;c1—水的比热容，J/（kg·℃）;m1—水的质量，m3;ΔT1—水的温度变化量，℃。

式中：Q2放—油吸收的热量，J;c2—油的比热容，J/（kg·℃）;m2—油的质量，m3;ΔT2—油的温度变化量，℃。

根据用户的实际反馈，井下油箱实际使用时，油温的最高温度为61 ℃，井下通入冷却水的温度为25 ℃。根据油水平衡可知，最终油水温度相同，将最终油水温度设为T，则：

其中矿物油密度为0.88×103 kg/m3[3]，最终计算可得T=57.88℃。

相较于原油箱温度的61 ℃降低了3.12 ℃，满足掘进机正常使用条件下，油箱温度值变化范围40℃～60℃的要求，较好地解决了油温偏高的问题。

3.2 截割头螺栓防松装置的设计

目前大部分综掘设备特别是煤岩、半煤岩设备的截割头，其与截割头轴连接螺栓的防松方式为利用铰制孔螺栓，通过钢丝8字缠绕的编制形式，以此来保持两螺栓相对固定的位置关系，从而起到防松的作用。但由于综掘设备在截割作业时，根据具体的施工工艺及截割原理，截割头体在自转的同时还要完成上下左右的移动截割[5]，这就导致头体的震动较大，导致钢丝在冲击过程中会受到法向力和切向力，产生弹性变形，最终断裂失效。截割头的紧定螺栓由于钢丝变形和断裂，会失去较好的限位，导致其在较大的截割作业震动下，自身受力发生转动，产生松动。这时就需要经常地对螺栓進行紧定，对钢丝进行更换，增加了实际使用者的劳动强度，且频繁的维护更会影响到作业进度，不利于生产。而螺栓松动代表截割头固定发生松动，也会给安全生产带来隐患，因此解决这一问题也变得十分必要。传统截割头螺栓防松形式如图2所示。

通过分析可知，用钢丝8字缠绕铰制孔螺栓的编制来对截割螺栓进行限位固定的方式，相对薄弱。为了解决这一问题，需要重新考虑截割头紧固螺栓的固定方式，并结合实际情况，从结构简单、易操作、好维护等方面入手，设计截割头螺栓防松装置。在设计时利用截割头上自带的加工工艺孔，省去了需要在截割头上二次加工的工序。将与截割头紧定螺栓六角螺帽外沿配合的端面设计成多边形，以此来限制螺栓的自转，并通过截割头自带的工艺孔，利用一颗螺栓安装固定，实现了整体防松，获得了想要的效果，也为后期的维护工作带来了方便，提高了效率，降低了使用者的工作强度。其中安装完的截割头螺栓防松装置的整体及局部剖视图如图3所示。

4 结语

该文针对现有矿用掘进设备油箱油温偏高、截割头紧固螺栓易松动的问题，进行了创新设计，并将其应用在现有EBZ200Q、EBZ260、EBZ200等型号的掘进设备上，较好地解决了这些问题，并获得了较好的效果，实现了使煤炭开采变得更加安全、方便、快捷的目的。

参考文献

[1]毛君，陈江辉.掘进机新型液压油箱的设计与应用[J].世界科技研究与发展，2011，33（6）：973-975.

[2]朱红兴，丁志娟.掘进机油箱冷却系统的改进与应用[J].煤炭科技，2006（4）：19.

[3]胡宗武.非标准机械设备设计手册[M].北京：机械工业出版社，2002.

[4]卢团部，章鑫.掘进机油箱结构改进设计[J].煤矿机械，2017，38（7）：100-101.

[5]刘志刚，乔李宁.煤巷掘进机截割部的研究[J].煤矿机械，2015，36（10）：86-87.