履带式井下煤泥清理机结构设计和分析

冀建磊

（晋中市煤炭规划设计研究院， 山西 晋中 030600）

引言

煤矿开采过程中会产生大量的废水，废水中掺杂着碎石以及其他的泥土等，最终混合后流到水仓中，水仓是位于煤矿井底车场水平以下的一般由两条相互之间独立的一组巷道组成的用于存水的巷道，一般是包括两个，一个是主水仓，另外一个是副水仓，用于在清理煤泥时可以交替进行，便于提高煤泥清理效率。水厂的入口位于巷道的最低点，所以在水仓中汇聚了大量的煤矿井下水和煤泥，影响煤矿生产，因此为保证生产的需要，煤矿上要求煤泥必须要进行定期清理。目前，传统的煤泥清理主要是靠大量的工人来完成，人工清挖水仓，工人的劳动强度比较大且工作效率比较低，污染运输的轨道，同时清挖过程中伴随着瓦斯、一氧化碳等危险工况，容易造成人员伤亡，具有一定的危险性。因此，设计了一套履带式行走功能的井下水仓清理机，并对其结构进行设计和分析。

1 水仓煤泥清理机履带行走机构设计

水仓煤矿清理机的工作环境是煤矿井下巷道水仓，机械结构和控制系统需要长期处于复杂工况下，主要有粉尘、噪声、振动以及电磁干扰等工况下，并且煤泥清理机所处的巷道相对比较狭窄，行走路面长期存在小碎石等，采用传统的轮式行走机构并不合适，为此采用履带式行走机构。如图1 所示为履带行走装置结构组成图，通过液压马达带动驱动轮转动，利用张紧轮对履带进行张紧。

图1 清理机履带行走装置

2 水仓煤泥清理机总体方案设计

水仓煤泥清理机不仅需要在巷道中移动，同时要求从水仓中将煤泥进行挖掘，输送并装料，为此使用SolidWorks 建立水仓清理机结构各个零部件图，并进行整体装配，如图2 所示为本次设计的水仓煤泥清理机整机装配图。

图2 总体方案结构图

清理机设备主要由履带行走装置、刮板输送机装置、螺旋集料装置、电气控制系统以及液压系统等部分组成[1-2]。履带行走装置车架采用H 型结构，对行走部分进行支撑，预留有足够大的安装空间。刮板输送机安装在车间中间，前端与清理机构连接，呈现一定的倾斜角度，可以将煤泥进行输送。前端连接的清理机构主要是采用螺旋结构进行煤泥输送，螺旋集料，集料时通过马达驱动输送机，带动螺旋集料装置进行不间断转动，带动的是电机输出轴连接的三联齿轮泵进行转动，液压泵驱动行走马达，刮板输送马达，铲斗油缸实现了对全液压的螺旋集料，刮板输送，从而将水仓中的煤泥随着螺旋输送到刮板输送机中，最后将煤泥输送到矿车上，实现井下水仓煤泥清理过程。

3 水仓清理机液压系统设计与仿真分析

水仓清理机液压系统设计首先需要满足煤矿专用设备的液压系统要求：液压系统中使用的液压缸和马达的压力和流量，能够根据外部负载的变化进行一定适配性的改变；由于井下水仓清理周期较长，需要考虑油缸以及液压系统的散热问题；水仓煤泥清理机的液压油缸和刮板输送机是同时动作，螺旋搅拌和螺杆泵同时动作，保证动作的连续性和一致性；液压系统需要具有自锁或互锁保护，防止水仓清理机载斜坡面上会发生溜车；液压系统需要具有一定的稳定性和可靠性，保证履带式液压系统回路具有较好的启动性能[3-4]。

履带式井下煤泥清理机液压系统主要有四个回路，具体包括履带底盘液压系统回路、集料液压缸驱动回路、刮板输送机角度调节油缸回路和调节回路。选取其中的履带底盘液压系统回路作为分析的对象，在automation 中搭建液压系统回路模型进行仿真，分析液压系统启动性能和系统反应时间，如图3 所示为液压系统仿真分析模型图，通过设定仿真参数和调节仿真时间进行计算机数值模拟，最终可以得到如图4所示的仿真分析结果。

图3 液压系统回路仿真模型

水仓煤泥清理机是采用防爆电机作为驱动动力源，电机的启动按钮是通过位于水仓煤泥清理机侧方的电控柜来实现，同时可以使用遥控对水仓煤泥清理机进行控制，控制履带的前进和转向以及集料的速度等参数。从图4 中可以看出，水仓煤泥清理机液压系统回路运行平稳，马达在短时间内能够保持在稳定状态，其中包括上马达在约1.3 s 后趋于稳定，中马达在大约1.5 s 时趋于稳定状态，也就是说液压系统具有比较好的启动性能，能够满足煤矿巷道水仓清理行走的需求[5]。

图4 液压系统回路仿真结果

4 履带水仓煤泥清理机参数特征

如表1 所示为本次设计的水仓煤泥清理机的设计参数和主要技术指标。从表1 中可以看出，本次设计的水仓煤泥清理机结构紧凑、体积小，能够适应煤矿巷道狭窄空间，具有较好的通过能力，同时集料机的宽度较大，可以同时采集较大范围内的煤泥进行清挖[6]。

表1 水仓煤泥清理机参数特征和指标

5 结语

煤矿水仓煤泥清理一直是煤矿生产中的难题，传统的煤泥清理主要采用人工进行清理，煤泥清理效率不高，清理效果不好，伴随着煤矿井下复杂危险环境，对于煤泥清理工人的健康极为不利，为此本文通过对煤矿水仓煤泥进行分析，采用模块化和集成化设计思路，设计了一种具有履带行走机构的井下水仓煤泥清理机，可以实现对井下煤泥的自移动清理，利用SolidWorks 建立了各个零部件的模型并进行了装配，同时设计了与清理机配套的液压系统，实现对清理机履带式行走机构、集料机油缸等的控制，可以大大提高煤泥清理效率、减轻工人清理难度和强度，在一定程度上减轻了煤矿煤泥清理上投入的经济成本，取得了很好的经济效益。