掘進(jìn)機(jī)履帶板結(jié)構(gòu)的優(yōu)化及校核

李 炎

（陽煤寺家莊有限責(zé)任公司開拓三隊， 山西 昔陽 045300）

引言

巷道的掘進(jìn)速度和質(zhì)量在一定程度上影響后續(xù)煤炭的開采進(jìn)度。為提升掘進(jìn)工作面巷道的掘進(jìn)效率和成巷效果，掘進(jìn)機(jī)作為其主要設(shè)備，其各部件的性能尤為重要。目前，應(yīng)用于巷道掘進(jìn)的主流掘進(jìn)機(jī)的類型為懸臂式掘進(jìn)機(jī)[1]。履帶作為懸臂式掘進(jìn)機(jī)的行走機(jī)構(gòu)，其主要承擔(dān)掘進(jìn)機(jī)的重量和行走任務(wù)。鑒于掘進(jìn)工作面的環(huán)境相對惡劣，加之煤巖塊對履帶的沖擊，對履帶的結(jié)構(gòu)性能提出了更高的要求。在實際掘進(jìn)過程中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)掘進(jìn)機(jī)向前鉆進(jìn)時發(fā)現(xiàn)履帶與巷道地面存在打滑的現(xiàn)象，而且當(dāng)前履帶結(jié)構(gòu)無法自動清除附著于其上的淤泥，進(jìn)而嚴(yán)重制約著掘進(jìn)機(jī)的掘進(jìn)效率。因此，急需對當(dāng)前掘進(jìn)機(jī)的履帶結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，提升掘進(jìn)機(jī)對地面的附著力和自動排出淤泥的功能。

1 掘進(jìn)機(jī)行走機(jī)構(gòu)的概述

目前，應(yīng)用于掘進(jìn)工作面最為廣泛的掘進(jìn)機(jī)類型為懸臂式掘進(jìn)機(jī)[2]。本文所研究掘進(jìn)機(jī)的型號為EBZ-135，該型號掘進(jìn)機(jī)為部分?jǐn)嗝婢蜻M(jìn)機(jī)，主要結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

如圖1 所示，懸臂式掘進(jìn)機(jī)主要由截割機(jī)構(gòu)、裝載機(jī)構(gòu)、液壓系統(tǒng)、行走機(jī)構(gòu)以及電氣系統(tǒng)等組成。本文所研究的重點為掘進(jìn)機(jī)行走機(jī)構(gòu)中的履帶，履帶的結(jié)構(gòu)屬于無支重輪結(jié)構(gòu)[3]。經(jīng)實踐表明，當(dāng)前掘進(jìn)機(jī)的履帶在實際推進(jìn)過程中出現(xiàn)打滑且淤泥排不出的現(xiàn)象。經(jīng)分析可知，造成履帶出現(xiàn)打滑的原因為原履帶結(jié)構(gòu)表面無履刺，導(dǎo)致其無法深入地面產(chǎn)生足夠的附著力。導(dǎo)致履帶出現(xiàn)淤泥排不出的原因為：原履帶結(jié)構(gòu)存在凹槽，造成了淤泥在凹槽中的堆積無法自動排出，從而制約了掘進(jìn)機(jī)的掘進(jìn)效率。

因此，本文將從履帶打滑、淤泥堆積兩個方面對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計。

圖1 懸臂式掘進(jìn)機(jī)結(jié)構(gòu)簡圖

2 履帶結(jié)構(gòu)的優(yōu)化

2.1 提升履帶附著力

2.1.1 加設(shè)履刺

對履帶結(jié)構(gòu)改造前需確保優(yōu)化后的履帶具有足夠的縱向剛度和扭轉(zhuǎn)剛度，從而避免出現(xiàn)履帶脫落現(xiàn)象[4]。經(jīng)分析可知，導(dǎo)致履帶附著力不夠的原因為

其缺乏履刺。為此，在原有履帶結(jié)構(gòu)上配置如圖2 所示的履刺。

圖2 優(yōu)化后的履帶結(jié)構(gòu)

如圖2 所示，履刺均勻?qū)ΨQ分布，且為確保履帶的受力均勻，將履帶中間位置的履刺長度加長。履帶上的履刺增加其對地面的剪切力，進(jìn)而提升其與地面的附著力，從而確保掘進(jìn)機(jī)在推進(jìn)過程中不出現(xiàn)打滑的現(xiàn)象。

2.1.2 履刺提升附著力的驗證

將優(yōu)化后的履帶裝配于掘進(jìn)機(jī)行走機(jī)構(gòu)中，并對比在同等路障情況下裝配原履帶和裝配優(yōu)化后履帶的掘進(jìn)機(jī)在后輪的牽引扭矩。經(jīng)驗證得出如下頁表1 所示的后輪牽引扭矩對比值。

分析表1 可知，優(yōu)化后履帶的掘進(jìn)機(jī)后輪牽引扭矩值明顯增大，且增加量為22.36 kN·m。履刺的加設(shè)可增加履帶與地面的接觸深度，從而增大履帶與地面的附著力。但是，履刺的加設(shè)無法解決掘進(jìn)機(jī)的側(cè)滑現(xiàn)象，而且履帶積淤泥的問題也未得到解決。因此，還需對履刺的安裝形式進(jìn)行深入研究。

表1 后輪牽引扭矩對比 kN·m

2.2 實現(xiàn)履帶自動排淤泥的結(jié)構(gòu)優(yōu)化

為了解決優(yōu)化后履帶無法自動排出淤泥的問題，經(jīng)對淤泥的受力情況進(jìn)行分析可知，將履刺呈一定角度安裝可實現(xiàn)對淤泥的自動清理。

2.2.1 優(yōu)化履刺安裝角度

參照坦克履帶的設(shè)計角度，一般坦克履帶履刺的安裝形狀為人字形或者八字形。經(jīng)實踐證明，坦克履帶的人字形履刺或者八字形履刺不僅能夠提升履帶的附著力，還能夠確保其不會出現(xiàn)側(cè)滑的現(xiàn)象，更重要的是人字形或者八字形的履刺結(jié)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)淤泥的自動排出[5]。

因此，將掘進(jìn)機(jī)履帶上的履刺按照兩頭斜向布置，中間橫向布置的形式，且斜向布置的傾斜角度為45°。履刺斜向布置的履帶結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

圖3 45°履刺布置的履帶結(jié)構(gòu)示意圖

2.2.2 履刺提升附著力的驗證

將優(yōu)化后的履帶裝配于掘進(jìn)機(jī)行走機(jī)構(gòu)中，并對比在同等路障情況下裝配原履帶和裝配履刺45°履帶的掘進(jìn)機(jī)在后輪的牽引扭矩。經(jīng)驗證得出如表2 所示的后輪牽引扭矩對比值。

表2 后輪牽引扭矩對比 kN·m

分析表2 可知，履刺以45°的傾斜角安裝后履帶的后輪牽引扭矩值為101.53 kN·m，大于優(yōu)化前履帶的后輪牽引扭矩值，且增加量為13.64 kN·m。盡管傾斜布置履刺履帶的附著力小于0°布置履刺履帶的附著力，但是基于傾斜布置履刺的履帶能夠避免掘進(jìn)機(jī)在轉(zhuǎn)彎時出現(xiàn)側(cè)滑，且能夠?qū)崿F(xiàn)淤泥的自動排出功能。

3 優(yōu)化后履帶結(jié)構(gòu)的校核

經(jīng)“2”中的優(yōu)化設(shè)計及驗證，確定履帶結(jié)構(gòu)的最終優(yōu)化方案為將履刺呈45°角傾斜布置于原履帶結(jié)構(gòu)上，并將其優(yōu)化后的履帶裝配于掘進(jìn)機(jī)的行走機(jī)構(gòu)中，對其在轉(zhuǎn)彎工況下履帶板的嚙合力和強(qiáng)度進(jìn)行校核。

3.1 履帶板嚙合力的校核

在轉(zhuǎn)彎工況下，掘進(jìn)機(jī)驅(qū)動輪的平均扭矩及履帶板嚙合力如表3 所示。

表3 轉(zhuǎn)彎工況下履帶板嚙合力的對比

分析表3 可知，履帶結(jié)構(gòu)優(yōu)化后在轉(zhuǎn)彎工況下驅(qū)動率的平均扭矩和履帶板合力均明顯增大，充分驗證了優(yōu)化后的履帶結(jié)構(gòu)能夠明顯提升掘進(jìn)機(jī)與地面的附著力。

3.2 履帶板強(qiáng)度的校核

基于履帶板的合力，經(jīng)換算可得驅(qū)動力的實時力矩為28 kN·m。故，對驅(qū)動輪力矩為28 kN·m 時履帶板的強(qiáng)度進(jìn)行校核?；贏NSYS 軟件對優(yōu)化后履帶板的應(yīng)力和變形結(jié)果為：優(yōu)化后履帶板的最大變形量為0.029 mm，且最大變形的位置處于履帶接觸齒面的中間位置；最大變形的位置即為應(yīng)力集中位置，具體數(shù)值為225 MPa，小于履帶結(jié)構(gòu)所選材料的最小許用應(yīng)力值465 MPa。

因此，優(yōu)化后履帶板的強(qiáng)度校核滿足實際生產(chǎn)的需求，在提升其附著力的同時，實現(xiàn)對淤泥的自動排出。

4 結(jié)論

懸臂式掘進(jìn)機(jī)作為巷道掘進(jìn)的關(guān)鍵設(shè)備，在實際掘進(jìn)工作中由于履帶結(jié)構(gòu)存在缺陷導(dǎo)致出現(xiàn)履帶打滑且淤泥需人工處理的問題，嚴(yán)重制約著掘進(jìn)機(jī)的掘進(jìn)效率。為此，將履刺傾斜呈45°布置安裝于原履帶結(jié)構(gòu)中，不僅有效提升了履帶與地面的附著力，而且實現(xiàn)了履帶自動排出淤泥的功能，且優(yōu)化后履帶板的嚙合力和強(qiáng)度校核均符合要求。