防爆铅酸蓄电池铲运机的优化改进设计

1、第5 0 卷 第7 期 煤炭工程 c oal e ngi ne e ri ng vo 15 0 no 7 do i ： 1 01 1 7 9 9 c e 2 01 8 0 7 0 4 0 防爆铅酸蓄 电池铲运机 的优化 改进设计 郝志军 ( 中国煤炭科工集团太原研究院有限公司，山西 太原0 3 0 0 0 6 ) 摘 要 ：铲运机的工作机构往往影 响着清理浮煤的效率文章针对在前期 工业性试验期间 铲运机 工作时的突出问题进行分析 ，并进行 了技术改进和设计计算。详 细介绍 了改进后 的铲运 机的工作机构和部分重要 器件的工作原理 ，并进行 了铲运机铲斗装载阻力计算和倾翻油缸 的浮 动作用校核

2、。经神 东大柳塔煤矿使 用验证得知 改进 工作机构后的铲运机 能很好地满足井下清理 浮煤和搬运货物的需要 ，为生产提供 了极大的便利 ，提 高了工作效率。 关键词 ：蓄电池铲运机 ；工作机构 ；优化改进 ；改进分析 中图分类号：t d 4 2 2 4 文献标识码 ：a 文章编号 ：1 6 7 1 0 9 5 9 ( 2 0 1 8 ) 0 7 0 1 6 3 0 5 i mpr o v e me nt a n d o pt i mi z a t i o n de s i g n f o r e x pl o s i o n p r o o f l e a d a c i d b a t t e

3、 r y lhd h a o z h i j n n ( c c t e g t a i y u a n r e s e a r c h i n s ti t u t e ，t a i y u a n 0 3 0 0 0 6 ，c h i n a ) ab s t r a c t ： e x p l o s i o n p r o o f b a t t e r y l hd i s ma i n l y u s e d t o c l e a n u p t h e r e ma i n i n g fl o a t i n g c o a l o n t h e g r o u n d a

4、 f t e r c o n t i n u o u s mi n e r s c u t t i n g i n t h i s p a p e r ，t h e a u t h o r a n a l y z e d the o u t s t a n d i n g p r o b l e ms o f the s c r a p e r d u rin g t h e p r e v i o u s i n d u s t ria l t e s t ， a n d c a r r i e d o u t t e c h n i c a l i mp r o v e me n t s

5、a n d d e s i g n c alc u l a t i o n s t h e w o r k i n g p rin c i p l e s o f the i mp r o v e d s c r a p e r a n d s o me i mp o r t a n t c o mp o n e n t s a r e i n t r o d u c e d i n d e t a i l ，a n d t h e l o a d r e s i s t a n c e c alc i o n o f t h e s c r a p e r b u c k e t a n d

6、 t h e fl o a t i n g a c t i o n c h e c k o f t h e t i l t i n g c y l i n d e r a r e c a r r i e d o u t i t h a s b e e n v e ri f i e d b y i n d ali u t a c o a l mi n e t h a t ，aft e r i mp r o v i n g t h e wo r k i n g me c h a n i s m，the s c r a p e r c a n me e t the n e e d s o f u n

7、 d e r gro u n d c l e an i n g o f c o a l a n d c a r g o h a n d l i n g ， w h i c h p r o v i d e s gre a t c o n v e n i e n c e f o r p r o d u c t i o n a n d i mp r o v e s w o r k i n g e ffi c i e n c y ke y wo r d s ： b a t t e ry l hd ；wo r k i n g me c h a n i s m； t e c h n i c a l i m

8、p rov e me n t ； i mp r o v e me n t a n aly s i s 几年来为了解决大量的矿井煤柱及不规则块段煤的 开采难题，我国多处矿区引入了以连续采煤机为核心的短 臂机械化开采工艺。防爆胶轮铲运车是短臂机械化开采设 备中连续采煤机后配套设备中的关键设备之一，主要用于 前进式采煤、房柱式采煤等煤矿短臂开采工作面中。其作 用是清理巷道中的浮煤 ，运输煤炭以及搬运机电设备和物 料等。 目前。我国主要使用的防爆胶轮铲车还是神东煤炭公 司2 o世纪9 0年代引入的进口4 8 8 铲车 1 - 5 。2 0 1 3年为了实 现防爆胶轮铲车的国产化。太原研究院与神东煤炭公

9、司签 署协议决定共同研制大吨位的国产防爆胶轮铲车，以铅酸 蓄电池作为动力源 采用变频电机和变频器作为动力单元 为铲车提供动力，可以实现铲斗和叉子快速更换的多功能 铲运机。设计初期为了兼顾铲装和搬运功能的同时实现。 在工作装置上设计了多种机构 ，而主要用于清理浮煤的铲 车在煤矿井下使用受到了很大的制约产生 了难以预知的 问题。本文主要针对前期使用中出现的问题针对性地对铲 运机进行了技术改造 。主要围绕铲运机工作机构方面的改 造进行。 1 改造前的铲运机 原铲运机工作机构由铲斗、卸料装置和升降机构组成。 升降机构是与机架铰接的曲柄机构，一端连接前机架， 另一段连接快换机构 ，通过举升油缸和翻转油缸

10、的协作来 实现快换机构的升降及翻转，从而调整铲斗的铲取角度和 卸料高度。 铲斗通过快换机构与升降机构连接，可以实现铲斗和 叉子的快换更换。铲斗 自带卸料装置，能够实现物料的卸 载。卸料装置由推煤器和卸料液压缸组成。推煤器板用螺 栓与卸料液压缸的缸体相连 ，可沿铲斗侧板和底板移动。 收稿日期：2 0 1 7 0 8 2 1 作者简介： 郝志军 ( 1 9 8 6 一) ，男 ，山西运城人 ，助理研究员，主要从事煤矿用无 轨胶轮 车的设计研发，e m a i l ： h a o z h ij u n l 1 2 1 6 3 c o rn。 引用格式： 郝志军 防爆铅酸蓄电池铲运机的优化改进设计 j

11、 煤炭工程， 2 0 1 8 ，5 0 ( 7 ) ：1 6 3 1 6 7 1 6 3 煤炭工程 2 0 1 8 年第7 期 卸料液压缸为三级伸缩式。卸料液压缸的活塞杆通过销子 和铲斗后帮板上的液压缸安装座铰接。卸物料时，缸体 向 前伸 出，使 卸料板推 着铲斗 内物料 向外运动把 物料卸 净 。改造前的工作机构如图 1 所示。 倾翻油缸 举升油缸 2 存在的问题 图 1 改造前 的工作机构 1 )操作繁琐。将倾翻动作和举升动作分别由两个手柄 来控制 时，在清 理浮煤 使用 时存 在 相互 交 叉 、干涉 问题 ， 在倾翻油缸后倾过程 中与举升油缸干涉时必须先操作举 升油缸收回然后再操作倾翻

12、油缸手柄而清理浮煤的过 程中，车辆行走速度快 ，往往来不及操作手柄，车辆已经 驶 过 造成浮煤清理不上的状 况。 2 )铲尖过高容易造成清理浮煤后清理不干净。清理浮 煤过程的几种状况如图 2所示。为了避免问题 1的情况产 生，往往在清理浮煤前将铲斗的位置调整好 ，根据所在路 面调整的铲斗底部与前端接触地面( 图2 a ) ，但是在车辆工 作开始后，由于路面的起伏铲斗的高度过高，造成铲尖和 底板留存一定的间隙h ，那么浮煤距底板 h高度范围内的浮 煤均不能被清理，造成留存一定厚度的浮煤 ，增加了人工 工作量，反而降低了效率。 3 )铲尖倾角过大容易将工作面底板铲起，如 图 2 c 所示 ( a

13、) 理想工况 ( b ) 铲尖过高 ( c ) 铲底板状况 图2 清理浮煤过程的几种状况 同样为了避免问题 1的情况产生根据所在路面调整 的铲斗底部与前端接触地面( 图 2 a ) ，在车辆工作开始后 ， 由于路面的起伏铲斗的高度过高造成铲尖过低将工作面 底板铲起( 底板是由连采机用截割机头割过的路面，硬度为 1 6 4 4 6 ) 造成还得重新填补底板等问题。 3改进后的铲运机 为解决上述出现的问题，对铲运机的工作机构进行了 改进改进后的工作机构由铲斗、卸料装置和快换机构组 成( 如图3所示) ，铲斗通过快换机构与前机架连接，可以 实现铲斗和叉子的快换更换。相 比较改进前的工作机构， 简化了

14、提升装置，省略曲柄机构 ，通过倾翻油缸的动作来 实现铲斗的前倾和后倾 ，省略了提升油缸手柄，简化了铲 斗的操作。同时采用了浮动阀组 ，实现铲斗跟随地面的浮 动实现在清理浮煤时 自动浮动，而在搬运货物时为了保 证铲斗的高度，使其锁定在一定的高度。 图 3 改进 后的工作机构 同时，铲斗宽度较两轮间最大外形宽度大，以便清理 底板 轮胎即可在清理过的底板上行走 。从而避免了尖石 刺破或划伤轮胎 的可能 。 3 1浮动 阀组 倾 翻油缸 的浮动 功能 的实现 主要 通过 浮动控 制 阀和逻 辑阀来实现，其控制原理如图4所示。在铲车正常行驶过 程中 铲斗抬起并 保持 底部距 地面一 定 的高 度 ，浮动

15、控 制 阀 5阀芯处于 图示下方位置 ，逻辑阀 4 处 于 “自锁 ”位置 ， 液压油缸 2 通过流经平衡阀的单向阀来控制 ：在铲车清理 浮煤工作过程中，由于需要将铲斗铲尖及地面紧贴路面， 操作浮动控制阀 5的手柄使阀芯移动到上方，逻辑阀 4得 到浮动控制阀 5的信号从而推动阀芯移动位置使倾翻油 缸 2的有杆腔和无杆腔连通，且同时流回油箱，此时在铲 斗工作时，铲斗便可随着路况而起伏，即铲车在遇到坑洼 路面时，铲斗可随地面下降；在遇到缓坡时，铲斗可随着 坡路抬起，实现浮动功能。 3 2改进 分析 如果车辆所受阻力与车辆的动力性能相匹配，那么车 辆就完全可以满足使用工况，另外倾翻油缸跟随地面的反

16、应时间也是影响清理浮煤干净与否的关键，因此着重对这 两方面进行分析还是很有必要的。 3 2 1 铲运机铲斗装载阻力计算 铲运机铲斗在浮动状态下清理浮煤时，此时铲斗底部 紧贴地面。铲斗保持水平，因此应该按照平铲来分析铲斗 的装载阻力。在文献 1 0 和文献 1 1 中，对装载机 的 装载阻力进行了分析 ，但是对于在浮动状态下工作的铲运 机的铲斗和装载机铲斗受力有着明显的区别。在浮动状态 2 0 1 8 年第7 期 煤炭工程 倾翻油缸 图 4 油缸浮动控制原理图 下由于倾翻油缸处于卸荷状态 ，虽然此时铲斗还是通过倾 翻油缸与前机架连接，但是只是限制了铲斗的左右翻转 自 由度 ，未限制铲斗围绕机架连

17、接点转动的 自由度，因此铲 斗仅受到倾翻油缸的内部粘性摩擦力的作用( 在下文讨论) 。 图 5 物料对铲 斗的作用力 物料对铲斗的作用力如图5所示 ，图 5中 为物料对 铲斗底刃的作用力 ；f z为物料对铲斗底板下表面的作用 力；f 为铲斗底板上表面与物料之间的摩擦力；f 4和 分别为物料对铲斗左右侧刃的作用力；f 6 和 分别为物料 对铲斗左右侧板的摩擦力：f s 为铲斗内物料的重力；f 9 为 铲斗前方物料对铲斗内物料的作用力 1 ； 。 工作面底板对 铲斗底板下表面的摩擦力。由于铲运机两侧板宽度较小， 在清理浮煤过程中。所受侧 向力均较小，为简化计算不予 考虑，因此主要分析物料对铲斗的作

18、用力 f 。 、 、 、 、 和 f 。 。 等。 1 )物料对铲斗底刃的作用力 f。 l 】 。 f 1=k o p g s h c o q 3 ( 1 ) 式中， 为被铲掘物料的插入阻力影响系数；p为物 料密度，k s m ；g为重力加速度，m s 。 ；s为铲掘物料截 面积，m ；h为填土高度，m；b为水平方向与铲斗运动方 向之间的夹角 ，( 。 ) 。 2 )物料对铲斗底板下表面的作用力 。 f 2=f s+ +g ( 2 ) 式中，g为铲斗 自重 ，n； 为铲斗底刃与地面之间的 夹角 ，( 。 ) 。 3 )铲斗底板上表面与物料之间的摩擦力 。 是斗 内物料与铲斗之间的相对滑动或移动

19、引起的摩擦力。 f 3= t l f s ( 3 ) 式中， 为底板上表面与物料的摩擦系数。 4 )铲斗内物料的重力 。 f s=p v g ( 4 ) 式中， 为铲斗内所装物料的体积 ，m 。 5 )铲斗前方物料对铲斗内物料的作用力 。 在装载过程中，随着铲斗的沿着地面向前推移铲斗 内部物料会形成一个虚拟面来推动铲斗外部物料。根据墙 体与滑移面土楔整体处于平衡状态时的静力条件可应用 库伦土压力理论，将虚拟面看作库论土压力墙 ( 简称库伦 墙) ，库伦土力墙示意如图6所示。应用库伦土压力理论可 以估算铲掘时库伦土力墙所受到的压力【 l ， ” 。 图 6 库伦土力墙示意图 图6中，d为已经铲人

20、斗内的物料 ，e为正在铲掘的物 料 ，f为尚未铲入斗内的物料，根据文献 1 3 求得库伦 土压力计算方程 ： f9 f。 p 刀 口 s i n ( +占 ) 2 sin2 sin c 一 占 ， 。 1 + j； ( 5 ) 式中，f 。为库伦土压力，n；e为库伦墙与垂直方向 的夹角 ，( 。 ) ；为库伦土压力 f 。与库伦墙背面法线方向 的夹角 ，( 。 ) ；f为料堆上表面与水平方向的夹角，( 。 ) 。 6 )工作面底板对铲斗底板下表面的摩擦力 。 。 f l o= 2 f 2 ( 6 ) 式中， 为底板与铲斗底板下表面的摩擦系数。 那么可得，在倾翻油缸均处于浮动状态时，铲斗所受 前

21、进方向的阻力 f 为： f r=f l + + +f l 0 ( 7 ) 为保证铲运机可以稳定可靠的工作。应保证铲运机输 出动力大于铲斗所受阻力和铲车行进方 向上的滚动阻力。 同时铲斗的受力分析也为校核倾翻油缸的受力状态提供 了参考。 3 2 2 倾翻油缸的浮动作用校核 倾翻油缸进油和回油管路均采用 h1 2的双层编制液压 胶管，倾翻油缸活塞杆内径 1 8 0 ra m，杆径 1 0 5 ram。在遇到 上坡路面的情况下 ，油缸将受到内部油压的压力油回到油 1 65 煤炭工程 2 0 1 8 年第7 期 箱的时间和缸杆和活塞筒壁内部摩擦阻力的影响；在下坡 路面。倾翻油缸主要受缸杆和活塞筒壁内部

22、摩擦阻力 的 影响 。 。 ( a ) 平路面铲运机铲斗状态 ( b )正弦路面某点铲运机铲斗状态 图 7 铲 运机驶过正 弦路面示意 图 设定缓坡起伏路面为正弦路面谱平直路面上倾翻油 缸的初始长度为 d ，那么可知油缸与快换结构 的铰接点 q 围绕 0点转到 q 后转过的角度为： ：号 一 a r s 一 c s in 叫 ) ) 叫 ( 8 ) a p o q =a r c c o s ( m +凡 。 +r 一d ) ( 2 rm + ) f 9 ) 倾翻油缸伸缩后三铰点组成的三角形的角度： p o q ： p o q d = m + +r 一( 2 r m +n ) c o s poo

23、 ( 1 0) 倾 翻油缸 的伸缩量为 d d 。 根据整车结构确定设计参数：m= 4 9 4 m mn=8 0 0 ra m b=5 0 0ram ， r ：6 8 3mm ， r=28 6 8mm， d= 1 1 40 mm， b= 1 0 0， ：1 3 8 9 m m s ；根据经验假定正弦路面峰值为 b=l o o m m 波长 a= 4 0 0 0 m m。那么可得正弦上坡路面倾翻油缸收缩量 与时间的关系曲线如图8所示。 好0 -1 0 曩 2 0 o 图 8 0 5 1 0 1 5 2 0 2 5 3 0 时间， s 正弦坡路面倾翻油缸收缩量 与时间的 曲线 由图8可知，在正弦上

24、坡路面上 ，倾翻油缸的压缩量 最大为 2 0 m m。经计算可知此时进油和回油都作为回油管路 流 回液 压 油 箱 时 最 大 的 回油 流 量 为 1 9 4 l m i n 4 5 l mi n ( h1 2的双层编织液压胶管最大流量) ，因此可 以判定 油缸 浮动状态下倾翻油缸回油通畅。铲运机行驶在正弦坡路面 1 6 6 上可 以满足实际工作需要 。 同理可知在正弦下坡路面上 ，倾翻油缸的伸长量最大 为2 0 mm，如图8所示。同样可以判定油缸浮动状态下倾翻 油缸活塞杆运动满足设计要求 ，铲运机行驶在正弦下坡路 面上可以满足实际工作需要。 倾翻油缸的摩擦是油缸密封面之间在外部切向力的作

25、用下发生相对运动或者具有相对运动的趋势时，接触表 面所受到的阻碍作用，对于倾翻油缸的伸出和收缩过程均 存在着油缸的内摩擦阻力。按照摩擦密封面间的润滑状态， 可分为干摩擦、边界摩擦 、混合摩擦和流体摩擦四种状态， 密封面与油缸缸筒相对运动速度与摩擦状态、磨损的关系 如 图 9所示 。但 是实 际运动 过程 中 ，油缸密 封运 动表 面相 对速度和密封压力 变化 范围较大 ，单 独 的某种摩 擦状 态是 很少存在的，混合摩擦才是液压缸最常见的状态l l 。 图9 相对运动速度与摩擦状态、磨损的关系 通过实验发现液压缸摩擦系数影响因素主要包括法向 载荷、滑动速度 、温度、表面粗糙度、材质等因素。在此

26、 文中就不作 主要讨论 。 本文利用牛顿内摩擦定律计算流体的粘性摩擦力，一 般需要知道液压油的速度分布规律 ，不过对于机械工程中 常见的缝隙流动来说，即使暂时不知道准确的速度分布规 律，只要缝隙尺寸较小，不论任何曲线总可 以近似地看成 是直线，于是可以用平均的速度梯度近似地代表液流与固 体接触表面处的速度梯度。这样计算的切应力与表面摩擦 力虽然不完全准确，但是因为缝隙尺寸相对较小，一般也 不会产生太大的误差 驯 。假定活塞油缸内径缝隙6 2 1 5 3 n：下 坡过程的反作用力为 9 3 0 5 8 n 2 1 5 3 n。由此可见铲斗围绕 o点转 自由翻转不受倾翻油缸的内摩擦力的影响，甚至可

27、 以忽略不计。 4结论 本文主要介绍了连采后配套设备蓄电池铲运机的改进 针对实际使用过程中出现的 3大问题进行了重点分析 提 出了解决方案 ，并在理论方面进行了验证计算和讨论。在 实际应用中改进后的蓄电池铲运机在神东煤炭大柳塔煤矿 试用后，效果良好，在井下清理浮煤过程中改进了上一代 铲运机的缺点，操作更加简单灵活，浮煤清理干净，提高 了生产工作效率，从而再次证明改进是合理可行的。 参考文献 ： 1 宁宇我国煤矿综合机械化开采技术现状与思考 j 煤矿开采 ，2 0 1 3 ，1 8 ( 1 ) ：1 - 4 2 张喜清矿用防爆胶轮铲车动态设计 d 太原：太原理 工大学 2 0 0 7 3 王虹我

28、国短臂机械化开采技术 与装备发展前景 c 2 0 0 7年 短 臂 机 械 化 开 采 专 业 委 员 会 学 术 研 讨 会 论 文 集 。2 0 0 7 4 石岚 c l x 3 型防爆胶轮铲运车的设计开发 j 中国煤 炭 ，2 0 1 1 ，3 7 ( 7 ) ：7 9 8 1 5 赵学社 煤炭高效掘进技术现状与发展趋势 j 煤炭科 学技术 ，2 0 0 7，3 5 ( 4 ) ：1 1 0 6 7 8 9 1 o 1 2 1 3 1 4 1 5 1 6 1 7 1 8 1 9 2 o 郝 志军 ，刘 志更 铲运机铲斗推板液压缸运 动学分析 j 矿 山机械 ，2 0 1 4 ，4 2 ( 9 ) ：4 卜 4 4 张学瑞 现代设 计方法 在 c l x3型 防爆胶轮 铲车研 制 中的 应用 j 煤矿机械，2 0 1 7 (