井下装载牵引车的设计

牛江波

（山西新景矿煤业有限公司，山西 太原 045000）

引言

“采、装、运、支”为煤矿生产的四大环节，各个环节的效率最终决定煤矿生产能力。装载、运输为煤矿生产中两个关键环节，在传统装运过程中采用人字轨道交换空矿车和满矿车的位置，该装运方式不仅效率低，而且安全系数低，均无法实现综采工作面的连续装载、运输，为解决上述问题，皮带卧式延伸装载机应运而生。皮带卧式延伸装载机可同时对7辆矿车进行装载，从根本上解决了传统装运方式无法连续性装载的问题[1]。本文将对装载牵引车进行设计，旨在提升工作面煤炭的装载、运输效率。

1 装载牵引车关键机构的设计

一般的，煤矿装载牵引车的基本结构如图1所示。

图1 煤矿装载牵引车结构示意图

皮带卧式延伸装载机主要由牵引车、支撑车和矿车三部分组成。牵引车为皮带卧式延伸装载机核心部件，是装载机的动力源泉。一般的，皮带传动系统位于牵引车车厢内部，旨在节省空间。此外，牵引车还能够保证装载机整机的共同前进，确保支撑车也处于同步运行状态。目前，新景矿所采用皮带卧式延伸装载机牵引车的基本参数如表1所示。

表1 皮带卧式延伸装载机关键参数

1.1 行走机构的设计

牵引车行走机构负责对皮带卧式延伸装载机整机的运行，根据其功能，主要包括有电动机、联轴器、减速器、锥齿轮传动副以及传动轮对等。

轮对为牵引车直接与轨道相接触的部件，不仅承担牵扯的重量，而且还为系统提供适当的牵引力和制动力。轮对的设计主要为车轮和车轴两个部件的设计[2]。根据皮带卧式延伸装载机的日常运载任务，将车轮的内径设计为300 mm，外径设计为285 mm；为防止车轮在正常运输过程中出现掉轨的事故，需在车轮内侧焊接厚度为15 mm，直径为350 mm的挡板。为了便于车轴的安装与拆卸，将车轴设计为中间粗两边细的阶梯轴，且车轴所选材料为碳合金钢并对其进行正火、调质和常规的热处理。

车轴各段的直径和长度如下：第一段、第九段轴为螺纹结构，其主要是对车轮的轴向方向进行固定，该区域轴的直径为35 mm，长度为20 mm；第二段、第八段与车轮相配合，该区域轴的直径为45 mm，长度为55 mm；第三段、第七段与轴承相配合，该区域轴的直径为55 mm，长度为120 mm；第四段为过渡段，主要方便轴承在轴向方向的固定，根据轴承的位置和牵引车的宽度，该段区域的直径为60 mm，长度为50 mm；第五段与锥形轴承配合，根据锥形齿轮的内径为65 mm，该区域轴的直径为65 mm，长度为100 mm；第六段主要是保证锥形齿轮和右侧轴承之间的位置，该区域轴的直径为75 mm，长度为150mm。所设计车轴的结构如图2所示。

图2 车轴结构示意图

结合皮带卧式延伸装载机牵引车所牵引矿车的数量和每台矿车的额定容量，经核算，若想满足实际运输需求，要求行走机构的电机的额定功率大于2.65 kW。对市场当前电机的型号进行比对，最终确定牵引车电机的型号为YBK2-112M-4，该型电机的额定功率为4 kW，额定转速为1 440 r/min，传动效率为82%。

1.2 传动机构的设计

牵引车主要为卧式皮带延伸装载机的皮带运输系统提供动力。对于卧式皮带延伸装载机而言，其皮带运输部件位于牵引车的上方，对应的皮带运输部的动力分系统为牵引车机架上方。牵引车电机传动动力通过链传动与皮带运输部的滚筒相连接，实现牵引车动力至皮带的传送[3]。

牵引车电机与传输分系统滚筒之间的中心距离为0.6 m，链传动的传动比为1，传递速度为1.5 m/s。

1.3 牵引车车架的设计

牵引车车架需对其轮对进行固定，承担牵引电机、减速器以及其他装置的重量；结合设计经验，将牵引车车厢的壁厚设计为7 mm；将厚度为7 mm的角钢打孔并裁断后作为车厢的托架；采用型号为16#b的槽钢，并结合电机、减速器以及其他装置在车厢内的布置情况，焊接高度为160 mm，宽度为65 mm，壁厚为8.5 mm的车架。

考虑到综采工作面的空间有限以及搬运便捷性的问题，而且车架为牵引车承担其重量的主要机构，需对上述设计的牵引车车架进行有限元分析，并对最终车架的材料选型和尺寸确定进行优化设计。

2 牵引车车架的优化设计

经采用ANSYS仿真软件对牵引车车架分析后得知：当前参数的牵引车车架的最大应力和变形均非常小[4]。因此，对牵引车车架结构尺寸及选材进行优化，以达到减重、节约材料的目的。

牵引车车架从整体上讲其变形很小，具体分析可知牵引车架的最大变形位于车侧壁上方的中间位置。为保证后续生产的安全性，提升牵引车车架车厢抵抗变形的能力，在车侧壁上方的中间位置焊接一块厚度为7 mm、宽度为30 mm的钢板。

而且，牵引车整体上所承受的最大应力位于牵引车车厢与车架相连接的位置，即在二者相连接位置存在应力集中现象。为减小车厢与车架连接位置的应力集中现象，在其直角连接区域焊接一条圆弧倒角。

在上述应力及变形严重位置优化的基础上，牵引车整体选材为Q235，其许用应力和许可变形远大于其实际的应力和变形。因此，在保证牵引车可安全运行的基础上对机架的结构尺寸进行优化，根据当前机架的尺寸采用如表2所示的方案对牵引车机架的结构参数进行优化。

表2 牵引车机架结构尺寸优化方案 mm

经仿真分析可知，1号—5号方案的最大位移、最大应力均增大，而对应的机架的整体重量依次减小。而且，虽然5号方案的应变和应力虽然最大，但是其仍然在安全范围之内[5]。因此，选用5号方案对牵引车机架的结构尺寸进行优化，经优化后牵引车机架质量为936 kg，与原尺寸机架相比整体质量减小136.95 kg。

3 结语

皮带卧式延伸装载机为当前解决煤矿传统装运不连续、效率低的设备。总体来讲，皮带卧式延伸装载机结构非常复杂，本文着重对其牵引车的关键结构进行设计，包括行走机构、传动机构以及机架。经有限元仿真分析后，初始参数牵引车机架存在材料浪费的问题，对牵引车机架两侧钢板厚度、前后钢板厚度以及车架槽钢的厚度进行优化，最终两侧钢板的厚度为4.5 mm，前后钢板厚度为4 mm，车架槽钢的厚度为5 mm。