裝煤機(jī)履帶行走機(jī)構(gòu)選用分析

張 旭

（山西方華機(jī)械有限公司，山西陽泉 045000）

0 引言

裝煤機(jī)廣泛應(yīng)用在煤礦裝載及運(yùn)輸中，大大提高煤礦的生產(chǎn)率，裝煤機(jī)履帶行走機(jī)構(gòu)的穩(wěn)定性是裝煤機(jī)工作效率的可靠保證。履帶行走機(jī)構(gòu)直接與地面接觸，滿足合理的接地比壓，并提供足夠的動(dòng)力驅(qū)動(dòng)裝煤機(jī)行走。由于履帶工況條件比較惡劣，經(jīng)常與泥、砂石、水相接觸，同時(shí)履帶還承受沖擊負(fù)荷[1]。選用履帶行走機(jī)構(gòu)需要充分考慮履帶的附著性能、強(qiáng)度、剛度、耐磨性、耐腐蝕等因素，為了減小裝煤機(jī)的接地比壓，有效發(fā)揮動(dòng)力設(shè)備的驅(qū)動(dòng)效率，履帶行走機(jī)構(gòu)重量要輕。履帶行走機(jī)構(gòu)的合理選用對(duì)提高裝煤機(jī)的承載性能及牽引力有重要的意義。

1 履帶行走機(jī)構(gòu)基本形式

履帶行走機(jī)構(gòu)主要包括：履帶鏈、導(dǎo)向輪、張緊裝置、履帶架、支重輪、驅(qū)動(dòng)裝置、驅(qū)動(dòng)鏈輪等部分。由于裝煤機(jī)屬于移動(dòng)裝載設(shè)備，其履帶行走機(jī)構(gòu)一般采用液壓馬達(dá)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，根據(jù)履帶驅(qū)動(dòng)裝置的位置不同，履帶行走機(jī)構(gòu)的機(jī)構(gòu)形式有兩種：動(dòng)力內(nèi)置式履帶行走機(jī)構(gòu)和動(dòng)力外置式履帶行走機(jī)構(gòu)[2]。

動(dòng)力內(nèi)置式履帶行走機(jī)構(gòu)，由于內(nèi)置動(dòng)力元件，考慮到內(nèi)置元件的安裝及檢修空間因素，履帶體積設(shè)計(jì)得較大，動(dòng)力越大，履帶尺寸也隨之增大。動(dòng)力裝置外置式履帶行走機(jī)構(gòu)，動(dòng)力安裝在履帶鏈外側(cè)，通過傳動(dòng)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)履帶行走，履帶鏈尺寸設(shè)計(jì)不受動(dòng)力元件約束，相對(duì)于內(nèi)置式履帶行走機(jī)構(gòu)，同樣驅(qū)動(dòng)力的履帶外形尺寸可以設(shè)計(jì)得更小，適應(yīng)煤礦井下生產(chǎn)設(shè)備空間要求[3]。

2 履帶行走機(jī)構(gòu)牽引力大小的影響因素

履帶行走機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)力矩計(jì)算公式[4]：

式中：F為牽引力，N；M為動(dòng)力裝置輸出轉(zhuǎn)矩，N·m；R為驅(qū)動(dòng)鏈輪節(jié)圓半徑，m；η為機(jī)械效率，%。

從式（1）可以看出，牽引力與驅(qū)動(dòng)鏈輪節(jié)圓半徑成反比關(guān)系。同樣動(dòng)力裝置輸出轉(zhuǎn)矩下，驅(qū)動(dòng)鏈輪節(jié)圓半徑越大，得到需要的牽引力越小。因此，減小驅(qū)動(dòng)鏈輪節(jié)圓半徑可有效提高裝煤機(jī)的牽引力。

2.1 動(dòng)力內(nèi)置式履帶行走機(jī)構(gòu)

動(dòng)力內(nèi)置式履帶行走機(jī)構(gòu)，動(dòng)力裝置和履帶架安裝在外層履帶形成的閉環(huán)中，裝載機(jī)運(yùn)行時(shí)，動(dòng)力元件有履帶保護(hù)。動(dòng)力組成包括：軸向柱塞馬達(dá)、大速比行星傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。在動(dòng)力裝置輸出殼體上直接安裝驅(qū)動(dòng)鏈輪，驅(qū)動(dòng)鏈輪與動(dòng)力裝置組成一體。通過驅(qū)動(dòng)鏈輪與履帶嚙合傳動(dòng)扭矩，驅(qū)動(dòng)履帶行走[5]。

由于履帶輪直接與動(dòng)力裝置輸出殼體聯(lián)結(jié)，驅(qū)動(dòng)輪內(nèi)徑、外徑尺寸受到動(dòng)力裝置殼體大小的影響，考慮到動(dòng)力裝置的安裝及檢修空間，內(nèi)置式履帶行走機(jī)構(gòu)體積較大，驅(qū)動(dòng)鏈輪節(jié)圓半徑較大。

2.2 動(dòng)力外置式履帶行走機(jī)構(gòu)

動(dòng)力外置式履帶行走機(jī)構(gòu)，動(dòng)力組成包括：低速大扭矩液壓馬達(dá)、行星傳動(dòng)機(jī)構(gòu)（單級(jí)）。動(dòng)力裝置安裝在履帶架外側(cè)，驅(qū)動(dòng)輪尺寸不受驅(qū)動(dòng)單元尺寸的限制，相對(duì)于動(dòng)力內(nèi)置式履帶行走機(jī)構(gòu)，動(dòng)力外置式履帶行走機(jī)構(gòu)具有更小的驅(qū)動(dòng)鏈輪節(jié)圓半徑。

從式（1）可以看出，動(dòng)力裝置輸出轉(zhuǎn)矩與驅(qū)動(dòng)輪節(jié)圓半徑大小成正比。由于動(dòng)力外置式履帶行走機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)輪節(jié)圓半徑較小，相等的牽引力下，需要的動(dòng)力裝置輸出轉(zhuǎn)矩也小。動(dòng)力裝置體積減小，履帶行走機(jī)構(gòu)的體積相應(yīng)減小，整機(jī)重量減輕，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)功率降低。動(dòng)力外置式履帶行走機(jī)構(gòu)牽引力的增大不受動(dòng)力元件空間限制，僅需要通過調(diào)整液壓馬達(dá)安裝法蘭安裝尺寸，并把對(duì)應(yīng)的履帶架部分進(jìn)行局部加固，其他部件保持不變，可在不增大設(shè)備體積的情況下獲得更大的牽引力。

裝煤機(jī)能正常行走的必要條件是牽引力應(yīng)小于或等于額定附著力，額定附著力的計(jì)算公式為[6]：

式中：R為額定附著力，N；M為整機(jī)重量，kg；g為重力加速度，m/s2；μ為附著系數(shù)，如表1所示。

表1 履帶機(jī)械不同路面的附著系數(shù)

裝煤機(jī)履帶行走裝置最大牽引力力不僅和動(dòng)力裝置輸出扭矩有關(guān)，和與地面間的附著力也有關(guān)系，由式（2）可以看出，通過增大裝煤機(jī)重量可直接增加地面附著力動(dòng)力，同樣驅(qū)動(dòng)功率下的履帶行走機(jī)構(gòu)的牽引力可達(dá)到最大值[7]。動(dòng)力外置式履帶行走機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)可增大裝煤機(jī)重量，同時(shí)可保持裝煤機(jī)最大外形尺寸不改變。在滿足現(xiàn)場接地比壓的前提下獲得最大牽引力，適應(yīng)井下狹小空間的要求。

3 接地比壓對(duì)履帶行走機(jī)構(gòu)的要求

裝煤機(jī)屬于移動(dòng)裝載設(shè)備，可替代人工完成煤炭的裝載及轉(zhuǎn)運(yùn)工作，由于井下巷道的限制，裝煤機(jī)外形尺寸要盡可能小，并滿足接地比壓的要求，行駛及轉(zhuǎn)運(yùn)才能比較靈活，履帶行走機(jī)構(gòu)作為行走部件，和地面直接接觸，履帶行走機(jī)構(gòu)平均接地比壓為[8]：

式中：P為平均接地比壓，Pa；G為設(shè)備整機(jī)重量，N；L為履帶行走機(jī)構(gòu)接地長度(單側(cè))，m；b為履帶板寬度，m。

由式（3）可以看出，裝煤機(jī)的平均接地比壓與裝煤機(jī)重量成正比，隨著裝煤機(jī)整機(jī)重量的增大，為了保持接地比壓滿足要求，履帶板寬度b和履帶行走機(jī)構(gòu)接地長度L也需要增大。一方面，由于履帶行走機(jī)構(gòu)接地長度越大，履帶行走機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)向越不靈活。L的增大要滿足轉(zhuǎn)向要求；另一方面，井下巷道空間比較狹小，裝煤機(jī)體積越大，機(jī)動(dòng)性能越差，工作死角就相對(duì)較多。影響煤巷井下作業(yè)的工作效率[9]。

裝煤機(jī)主要用于煤礦井下煤炭的裝載和轉(zhuǎn)運(yùn)，履帶行走機(jī)構(gòu)行走的同時(shí)鏟板插入煤堆中，耙爪耙取煤塊通過受料口送料給帶式輸送機(jī)，物料通過輸送機(jī)進(jìn)入轉(zhuǎn)運(yùn)設(shè)備實(shí)現(xiàn)物料的裝載運(yùn)輸。整個(gè)工作過程裝煤機(jī)要完成鏟取、輸送、轉(zhuǎn)運(yùn)等工作，因此，裝煤機(jī)需要足夠的承載能力及行走能力。由于煤礦井下作業(yè)空間和工作條件的制約，裝煤機(jī)外形要求緊湊，移動(dòng)靈活，減少工作死角，最大層度上代替人力，提高輸送效率。由于驅(qū)動(dòng)內(nèi)置式履帶架體積較大，在井下煤巷現(xiàn)場相對(duì)低矮的工作環(huán)境有一定的局限性[10]。

4 結(jié)論

裝煤機(jī)履帶行走裝置設(shè)計(jì)的合理性直接關(guān)系到裝煤機(jī)的移動(dòng)速度及運(yùn)載能力。本文作者從裝煤機(jī)牽引力與驅(qū)動(dòng)鏈輪直徑的關(guān)系，牽引力與地面額定附著力的關(guān)系，裝煤機(jī)接地比壓要求等方面進(jìn)行分析，得出裝煤機(jī)采用動(dòng)力外置式履帶行走機(jī)構(gòu)比較合理的結(jié)論。通過試驗(yàn)和現(xiàn)場實(shí)際使用，采用動(dòng)力外置式履帶行走機(jī)構(gòu)的裝煤機(jī)滿足煤礦井作業(yè)狹小空間的需求，極大提高裝煤機(jī)工作效率。同時(shí)，裝煤機(jī)動(dòng)力外置式履帶行走機(jī)構(gòu)也要解決動(dòng)力裝置引起的偏重問題及防護(hù)問題，才能更好地發(fā)揮其結(jié)構(gòu)的優(yōu)越性。