一種綜掘機電纜收放用液壓驅(qū)動滾筒的分析與設(shè)計

丁建剛，王艷兵，楊小利

（陜西煤業(yè)化工集團孫家岔龍華礦業(yè)有限公司，陜西榆林 719000）

0 引言

綜掘機在巷道掘進過程中，需要隨著巷道的延伸而前進，有時也需要后退。綜掘機的供電電纜一般有一定的富余量并盤放在綜掘機頂部，當(dāng)綜掘機在前進或后退時，往往需要有專人在后方配合電纜的收放，這既增加了作業(yè)人員的勞動強度，也存在一定的安全隱患［1］。

研究設(shè)計一種適合綜掘機能自動收放電纜的滾筒有著十分重要的現(xiàn)實意義。目前，關(guān)于綜掘機用電纜收放裝置的研究多集中在結(jié)構(gòu)設(shè)計上，有采用類似單軌吊拖移裝置的［2］，也有采用與采煤機隨機電纜相同的移動原理的，如文獻［3］中設(shè)計的一種履帶牽引電纜裝置。但針對驅(qū)動滾筒的驅(qū)動力矩的分析計算以及系統(tǒng)的具體實現(xiàn)方法上研究的相對較少。本文對液壓驅(qū)動滾筒的結(jié)構(gòu)設(shè)計與選型、負(fù)載力矩計算以及液壓系統(tǒng)的設(shè)計等方面進行了具體的分析，研究結(jié)果對綜掘機用電纜收放滾筒的設(shè)計與實際應(yīng)用具有重要的參考和指導(dǎo)意義。

1 滾筒的結(jié)構(gòu)設(shè)計

由于綜掘機上布置有一運刮板運輸機以及受后配套設(shè)備連接的限制，電纜收放滾筒只能布置在綜掘機頂部靠后的位置。此外，滾筒的軸向尺寸不應(yīng)超過綜掘機的寬度，高度又受巷道高度的限制。本文以EBZ－160綜掘機為例，設(shè)計的滾筒結(jié)構(gòu)如圖1所示，滾筒通過支撐座支撐固定在綜掘機本體上，整個裝置由液壓馬達(dá)、減速器、聯(lián)軸器、軸、滾筒等幾部分構(gòu)成。液壓馬達(dá)輸出力矩依次經(jīng)過減速器、聯(lián)軸器、軸，最終通過鍵帶動滾筒旋轉(zhuǎn)。整個裝置的主要部件選型如表1所示。其中，馬達(dá)選用擺線液壓馬達(dá)，這種馬達(dá)具有以下優(yōu)點［4］：體積小、重量輕；轉(zhuǎn)速范圍廣，可實現(xiàn)無極調(diào)速；轉(zhuǎn)動慣量小，在負(fù)載下容易起動，正反轉(zhuǎn)都可使用，而且換向不用停機。因此，其非常適合作為滾筒的驅(qū)動單元。減速器選用結(jié)構(gòu)緊湊的擺線針輪減速器，其允許正、反兩個方向旋轉(zhuǎn)，采用油池潤滑，它的傳動效率高，一般能達(dá)到90%以上，而且具有壽命長、噪音小等優(yōu)點［5］。聯(lián)軸器選用彈性柱銷聯(lián)軸器，該種聯(lián)軸器結(jié)構(gòu)簡單、裝拆容易，具有一定的緩沖減震性能。液壓馬達(dá)與減速器安裝于左支撐座底板上，安裝時，依次安裝支撐座、液壓馬達(dá)、減速器、聯(lián)軸器、安裝了軸承的軸、鍵、右軸承端蓋；拆卸時，按照相反的順序即可。由于液壓馬達(dá)、減速器、聯(lián)軸器等的安裝充分利用了滾筒的內(nèi)腔空間，大大縮小了整個滾筒的軸向尺寸。

圖1 液壓驅(qū)動滾筒的結(jié)構(gòu)

表1 液壓驅(qū)動滾筒的主要零部件及選型

為減少電纜在收放過程中與地面接觸長度，電纜在滾筒的旋轉(zhuǎn)方向如圖2所示，滾筒可纏繞電纜有效寬度W：1 200 mm，滾筒外徑D＝400 mm。EBZ－160綜掘機采用型號為MYP0.66／1.14－3×70＋1×25的橡套電纜，電纜外徑d＝55 mm，滾筒上需要纏繞電纜長度L的最大量，也即電纜的最大富余量為100 m，則電纜需纏繞的層數(shù)n的計算采用如下計算式，代入相關(guān)數(shù)據(jù)計算得n＝3。為了保證滾筒能滿足纏繞3層電纜，則滾筒兩端端盤的外徑D1的值應(yīng)不小于D＋3d，即565 mm。

圖2 電纜在滾筒上纏繞的示意圖

2 滾筒的受力分析

為了能選擇合適的液壓馬達(dá)作為驅(qū)動單元并對液壓驅(qū)動系統(tǒng)中的溢流閥、背壓閥的動作壓力進行準(zhǔn)確的設(shè)置，必須對滾筒的受力進行分析。如圖3所示，滾筒在旋轉(zhuǎn)時所受的力包括聯(lián)軸器施加的扭矩N、滾筒的重力G、軸承的支撐力F、繞在滾筒上電纜的壓力G1、因電纜拖拽給滾筒施加的力矩N1，轉(zhuǎn)動時軸承的滾動阻力NZ［7］，根據(jù)受力平衡，可得：

圖3 滾筒的受力簡圖

由于滾筒在實際旋轉(zhuǎn)中，軸承的運行轉(zhuǎn)速較低，使用如下滾動軸承摩擦力矩的一般計算公式［8］：

式中：f1為與軸承類型和所受負(fù)荷有關(guān)的系數(shù)；P1為確定軸承摩擦力矩的計算負(fù)荷，N；dm為軸承節(jié)圓直徑，mm；f0為與軸承類型和潤滑方式有關(guān)的系數(shù)［4］；ν為工作溫度下潤滑劑的運動黏度（對于潤滑脂，取基油的黏度），mm2／s；n為軸承轉(zhuǎn)速，r／min。

滾筒左右軸承型號為6306型深溝球軸承，該軸承的外徑do＝72 mm，內(nèi)徑di＝30 mm，則軸承節(jié)圓直徑dm＝（do＋di）／2＝51 mm，參考文獻［4］的有關(guān)公式計算得：f1＝0.000 9，P1＝4 802 N，f0＝2，軸承使用的鋰基潤滑脂的黏度為169 mm2／s，軸承的轉(zhuǎn)速n＝30 r／min，代入式（3）計算得NZ＝0.229 N·m。

因電纜拖拽給滾筒施加的力矩N1的值隨著滾筒上纏繞電纜的增加而減少。當(dāng)滾筒上只有1圈電纜且未纏繞電纜即將離地時力矩N1的值最大，此時N1＝μG1D，其中μ為電纜與地面的摩擦因數(shù)，取0.75，G1為電纜的最大重量，D為滾筒的外徑，代入相關(guān)數(shù)據(jù)計算得N1＝1 380 N·m。

根據(jù)公式P＝Nn／9550（kW），滾筒在轉(zhuǎn)速n＝30 r／min時的輸入功率P＝1 380.229×30／9 550＝4.34 kW。由于減速機、聯(lián)軸器都有一定的傳動效率，假設(shè)擺線針輪減速機的傳動效率為η1，彈性柱銷聯(lián)軸器的傳動效率為η2，參照相關(guān)資料［9］知：η1＝0.9，η2＝0.99，則液壓馬達(dá)的輸出功率P1＝P／（η1·η2）＝4.87 kW。

3 液壓驅(qū)動系統(tǒng)分析

結(jié)合綜掘機在煤礦井下巷道掘進過程中的實際運行情況，只有在綜掘機前進或后退時，才需要滾筒旋轉(zhuǎn)完成電纜的收放。綜掘機的行走動力部為兩臺液壓馬達(dá)，當(dāng)兩臺馬達(dá)旋轉(zhuǎn)方向相同時，綜掘機前進或者后退；當(dāng)兩臺馬達(dá)的旋轉(zhuǎn)方向相反時，可實現(xiàn)綜掘機的原地左轉(zhuǎn)或右轉(zhuǎn)。如何將滾筒的正反旋轉(zhuǎn)與行走馬達(dá)關(guān)聯(lián)起來，對于實現(xiàn)并簡化滾筒的驅(qū)動控制有著十分重要的意義。

本文設(shè)計的滾筒驅(qū)動采用液壓馬達(dá)，馬達(dá)的液壓油取自綜掘機左右行走馬達(dá)的閥后液管，液壓系統(tǒng)如圖4所示。通過設(shè)置互相并聯(lián)而方向相反的兩個溢流閥的動作壓力，可以防止?jié)L筒的過度旋轉(zhuǎn)而損傷電纜。液壓泵兩側(cè)的液控單向閥互相控制，構(gòu)成液壓鎖［10］，可以確保液壓馬達(dá)在切斷進液的時候，滾筒保持靜止而不旋轉(zhuǎn)。二位五通換向閥用于綜掘機司機控制切換液壓油的流向；閥前并聯(lián)的4個單向閥，主要作用在于當(dāng)綜掘機原地旋轉(zhuǎn)時，可以防止綜掘機行走馬達(dá)進回液的短路而影響轉(zhuǎn)載機的正常行走動作。減壓閥用于調(diào)節(jié)液壓馬達(dá)的入口壓力。

圖4 滾筒的液壓系統(tǒng)

具體的工作過程為：當(dāng)綜掘機前進時，將換向閥打到如圖5所示的位置時，液壓油依次經(jīng)過單向閥、二位五通換向閥、減壓閥、液控單向閥至液壓馬達(dá)，回液經(jīng)液控單向閥、節(jié)流閥、二位五通換向閥、背壓閥回至油箱，此時滾筒旋轉(zhuǎn)將放出電纜；當(dāng)綜掘機后退時，將換向閥操作桿撥至相反的方向，即可使?jié)L筒向相反的方向旋轉(zhuǎn)而完成收纜。

圖5 綜掘機前進時滾筒液壓驅(qū)動系統(tǒng)的流向

通過調(diào)節(jié)減壓閥使BMR－50型擺線液壓馬達(dá)的入口壓力為18.5 MPa，通過調(diào)節(jié)背壓閥設(shè)置馬達(dá)的背壓為1 MPa，根據(jù)公式［11］：

式中：P為液壓馬達(dá)的輸出功率，kW；Δp為液壓馬達(dá)的進出口壓差，Pa；Q為液壓馬達(dá)的流量，L／min；ηt為馬達(dá)的總效率，一般為70%。

在本裝置中，P1＝4.87 kW，Δp≈17.5 MPa，代入可計算得液壓馬達(dá)的流量Q＝24 L／min，對照該馬達(dá)的性能特性曲線［12］，查得在該流量與壓差下，馬達(dá)的扭矩為125 N·m、轉(zhuǎn)速為340 r／min。而滾筒在工作過程中的轉(zhuǎn)速為30 r／min，則選擇的減速器的減速比為11。

4 結(jié)束語

（1）由于在實際掘進過程中，巷道的尺寸有限。因此，綜掘機用電纜收放滾筒在設(shè)計時應(yīng)滿足結(jié)構(gòu)緊湊、不影響綜掘機原有功能實現(xiàn)、便于維修等要求。

（2）滾筒在運行中的阻力矩中，由于電纜的拖拽而施加的阻力矩占絕大部分，而由于載荷而引起的軸承滾動阻力是可以忽略不計的。

（3）基于綜掘機原有液壓系統(tǒng)進行滾筒液壓驅(qū)動系統(tǒng)的設(shè)計，可以簡化滾筒的控制，易于實現(xiàn)滾筒旋轉(zhuǎn)與綜掘機行走的聯(lián)動控制。

（4）液壓馬達(dá)參數(shù)的設(shè)計應(yīng)基于滾筒的受力分析，在實際的調(diào)試中，根據(jù)實際運行情況通過調(diào)節(jié)減壓閥的開度來控制液壓馬達(dá)的入口壓力，通過調(diào)節(jié)溢流閥的動作壓防止?jié)L筒過旋轉(zhuǎn)。