白云鵬

摘 要：煤礦井下掘進(jìn)任務(wù)量逐年增多的同時(shí)，掘進(jìn)式裝載機(jī)多功能設(shè)計(jì)要求日益提高。文章以ZWY-160/55型挖掘式裝載機(jī)為例，先介紹產(chǎn)品性能及參數(shù)，然后深入分析產(chǎn)品總體設(shè)計(jì)要點(diǎn)，旨在為相關(guān)設(shè)計(jì)人員提供新的思路，全面優(yōu)化ZWY-160/55型挖掘式裝載機(jī)的質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：ZWY-160/55型;挖掘式裝載機(jī);總體設(shè)計(jì)

近年來，煤炭資源市場需求呈遞增趨勢，為更好地滿足煤炭市場供應(yīng)量，務(wù)必科學(xué)設(shè)計(jì)高效作業(yè)、安全生產(chǎn)的掘進(jìn)裝載設(shè)備，從整體上提高煤炭企業(yè)綜合效益。隨著ZWY-160/55型挖掘式裝載機(jī)應(yīng)用率的提高，相關(guān)設(shè)計(jì)人員結(jié)合工況需求，科學(xué)化改進(jìn)總體設(shè)計(jì)方案，確保ZWY-160/55型挖掘式裝載機(jī)作業(yè)任務(wù)高效完成，并全面提升機(jī)械化水平。

1 挖掘式裝載機(jī)基本介紹

20世紀(jì)90年代，我國將挖樁機(jī)研制工作提上日程，隨著礦山巷道掘進(jìn)、鐵道隧道施工等工程項(xiàng)目的增多，掘進(jìn)式裝載機(jī)應(yīng)用率相應(yīng)提高，一定程度上滿足了機(jī)械化裝巖、裝載出矸等需求[1]。現(xiàn)今，挖掘式裝載機(jī)與液壓鉆車配套設(shè)備聯(lián)用，可以加快機(jī)械化作業(yè)步伐，順利完成掘進(jìn)任務(wù)[2]。挖掘式裝載機(jī)一般由反鏟部件、機(jī)架、液壓系統(tǒng)、刮板運(yùn)輸機(jī)、履帶部件、電氣系統(tǒng)等組成，各部件功能各異，并且部件間緊密聯(lián)系、協(xié)同配合，確保整機(jī)效能最大化發(fā)揮。從適用性角度分析挖掘式裝載機(jī)，中小型巷道施工，且塊度小于等于50cm松散巖石的工況具有適用性。由于工況條件不同，所以挖掘式裝載機(jī)型號多樣化研制，對于產(chǎn)品設(shè)計(jì)者來說，應(yīng)及時(shí)抓住新時(shí)期新產(chǎn)品設(shè)計(jì)機(jī)會，總結(jié)產(chǎn)品總體設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，推動機(jī)械行業(yè)穩(wěn)健發(fā)展。

2 ZWY-160/55型挖掘式裝載機(jī)性能及參數(shù)

2.1 性能

ZWY-160/55型挖掘式裝載機(jī)是新時(shí)代裝載設(shè)備的一種，其具有廣泛使用性、功能多樣性，能夠大大提高工作效率，將人力資源從高危、高難度工作中解脫出來[3]。煤礦井下煤巖爆破環(huán)節(jié)應(yīng)用ZWY-160/55型挖掘式裝載機(jī)，憑借便捷操作、穩(wěn)定裝載、高效爆破等優(yōu)勢得到應(yīng)用主體的認(rèn)可。當(dāng)ZWY-160/55型挖掘式裝載機(jī)投用后，要求工作人員合理布設(shè)巷道，并充分準(zhǔn)備運(yùn)輸車輛、皮帶以及相關(guān)設(shè)備，達(dá)到事半功倍的效果。

2.2 參數(shù)

參照相關(guān)機(jī)械行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)確定ZWY-160/55型挖掘式裝載機(jī)技術(shù)參數(shù)，結(jié)合實(shí)際應(yīng)用需求以及行業(yè)發(fā)展趨勢，適當(dāng)優(yōu)化性能參數(shù)。這既能保證計(jì)算準(zhǔn)確性，又能真正提升設(shè)備性能。其主要技術(shù)參數(shù)總結(jié)為：裝載能力為160m3/h、整機(jī)質(zhì)量14 000±5%kg、挖掘?qū)挾冗_(dá)到5 000mm、挖掘高度到達(dá)3 500mm、挖掘深度到達(dá)760mm、主電機(jī)功率55kw、額定工作壓力23MPa。外形尺寸：長8 360mm×寬2 150mm×高2 150mm。

3 ZWY-160/55型挖掘式裝載機(jī)總體設(shè)計(jì)要點(diǎn)

3.1 整體設(shè)計(jì)方案

ZWY-160/55型挖掘式裝載機(jī)過程式設(shè)計(jì)的前提條件，即以整體設(shè)計(jì)方案為主線，結(jié)合產(chǎn)品市場需求探索創(chuàng)新式設(shè)計(jì)切入點(diǎn)，確保新型產(chǎn)品持續(xù)供應(yīng)。整體設(shè)計(jì)階段，考慮產(chǎn)品功能實(shí)用性，設(shè)計(jì)人員憑借已有設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，探索設(shè)計(jì)理論與設(shè)計(jì)實(shí)踐結(jié)合路徑，從而優(yōu)化整體方案設(shè)計(jì)效果，盡可能減少ZWY-160/55型挖掘式裝載機(jī)試驗(yàn)失誤。具體設(shè)計(jì)目標(biāo)分解如下：

目標(biāo)一，功能性設(shè)計(jì)?；谡麢C(jī)布置方案，逐項(xiàng)梳理各部件相對位置，并預(yù)估整體挖掘式裝卸機(jī)重心點(diǎn)，編制相應(yīng)報(bào)告及說明書。具體而言，執(zhí)行機(jī)構(gòu)、附件、液壓系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)布置圖參照相關(guān)技術(shù)要求詳細(xì)制定，使其達(dá)到裝配、檢修、維護(hù)等要求。目標(biāo)二，各部件、各系統(tǒng)精細(xì)化設(shè)計(jì)。事先掌握部件及系統(tǒng)運(yùn)行要求，并客觀分析其原理，通過圖紙形式表達(dá)。與此同時(shí)，審核顯性、隱性部位尺寸，視情況修正，使得裝載機(jī)安裝任務(wù)又好又快完成。目標(biāo)三，核算整機(jī)重量。整機(jī)重量確定后，部件重量隨之得知，據(jù)此試驗(yàn)裝載機(jī)穩(wěn)定性。

3.2 液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

當(dāng)前，ZWY-160/55型挖掘式裝載機(jī)循環(huán)作業(yè)需求逐漸提高，為更好地滿足作業(yè)需要，應(yīng)全面掌握全液壓驅(qū)動控制原理，并細(xì)致分析各類元件布置要求，從而拓展設(shè)計(jì)思路，逐漸提升液壓系統(tǒng)性能，使其達(dá)到安全性、可靠性、高效率、便捷性運(yùn)行要求[4]。一般來說，設(shè)計(jì)步驟包括工況及負(fù)荷確定→確定技術(shù)參數(shù)→制定系統(tǒng)方案→繪制系統(tǒng)運(yùn)行原理圖紙→計(jì)算→元件選擇→壓力損失驗(yàn)算→技術(shù)文件編制。實(shí)際設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)人員兼顧各環(huán)節(jié)的聯(lián)系性，必要時(shí)調(diào)整設(shè)計(jì)步驟。其中，工況分析環(huán)節(jié)是基礎(chǔ)環(huán)節(jié)，設(shè)計(jì)人員根據(jù)工況條件調(diào)整設(shè)計(jì)方案。正常來講，最大負(fù)荷工況分析是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要依據(jù)，實(shí)際上，即反鏟工作裝置負(fù)荷最大值情況下，得知液壓缸獨(dú)立運(yùn)動、復(fù)合運(yùn)動情況。參數(shù)確定時(shí)，圍繞系統(tǒng)運(yùn)行壓力、系統(tǒng)流量兩項(xiàng)重要因素進(jìn)行確定，結(jié)合ZWY-160/55型挖掘式裝載機(jī)工況載荷值，液壓系統(tǒng)壓力為23Mpa。流量確定時(shí)，事先計(jì)算執(zhí)行單元工作流量，據(jù)此確定總流量。

工作介質(zhì)為抗磨液壓油，基于液壓泵完成機(jī)械能向液壓能的轉(zhuǎn)換，最后轉(zhuǎn)到機(jī)械能，使ZWY-160/55型挖掘式裝載機(jī)功能動作相應(yīng)發(fā)出。工作原理總結(jié)：由三聯(lián)軸向恒功率變量柱塞泵（K3V-112DT）向ZWY-160/55型挖掘式裝載機(jī)供油，其中第一聯(lián)、第二聯(lián)將高壓油向四聯(lián)、五聯(lián)液控?fù)Q向閥輸送，從油液角度來看，先后經(jīng)過主回油口、水冷散熱器、油箱。裝置連接期間，單片閥進(jìn)出油口與執(zhí)行液壓元件進(jìn)出油口相連;手動式先導(dǎo)閥分別與驅(qū)動油缸單閥片進(jìn)出油口和回轉(zhuǎn)油缸單閥片進(jìn)出油口連接。第三聯(lián)負(fù)責(zé)輸出低壓油，油液途徑設(shè)備與前兩聯(lián)油液途徑設(shè)備基本相同，在自封式吸油過濾器、自封式磁性回油過濾器輔助下，大大提高油液利用率，避免油液外泄。基于上述原理分析總結(jié)全液壓系統(tǒng)運(yùn)行特點(diǎn)，第一，整機(jī)穩(wěn)定性，三聯(lián)軸向恒功率變量柱塞泵穩(wěn)定提供源源不斷的動力;第二，可操作性，在液壓先導(dǎo)控制技術(shù)輔助下高效完成生產(chǎn)任務(wù);第三，節(jié)能性，第三聯(lián)先導(dǎo)泵支持先導(dǎo)系統(tǒng)油液、水冷系統(tǒng)油液的同步供應(yīng)，實(shí)現(xiàn)節(jié)能目的;第四，可靠性，雙向液壓鎖充當(dāng)閉鎖元件，一定程度上保證了運(yùn)輸環(huán)節(jié)部件的穩(wěn)固性，即便裝載機(jī)投用階段存在振動，仍能保證產(chǎn)品的可靠性。

3.3 主要裝置設(shè)計(jì)方案

圍繞挖掘作業(yè)中反鏟式工作裝置精細(xì)化設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)人員以煤礦工況為出發(fā)點(diǎn)，結(jié)合煤巖獲取、整合需求，通過制定設(shè)計(jì)方案，保證該裝置的操作靈活性和擺動便捷性。實(shí)際設(shè)計(jì)中，全面考慮影響因素，如挖裝力、工況實(shí)際、整機(jī)作業(yè)范圍、工作效率及性能等因素，盡可能保證機(jī)構(gòu)參數(shù)的合理性。為提高設(shè)計(jì)工作的有效性，聯(lián)用圖解法和計(jì)算法。ZWY-160/55型挖掘式裝載機(jī)反鏟式工作裝置由臂部件、鏟斗、液壓缸等組成，挖樁環(huán)節(jié)大小臂液壓缸與鏟斗液壓缸協(xié)同運(yùn)動，設(shè)計(jì)人員根據(jù)預(yù)定挖樁半徑適當(dāng)調(diào)整大小臂升降幅度及液壓缸伸縮量，視情況調(diào)整裝載機(jī)位置，確保挖樁深度、角度，以及液壓缸伸縮量達(dá)到規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)挖裝作業(yè)結(jié)束后，將各部件歸到原始位置，為后續(xù)作業(yè)循環(huán)做準(zhǔn)備。掘進(jìn)巷道時(shí)，待首次爆破后移動挖樁儀器，待爆破結(jié)束后將儀器遷移，直到挖樁任務(wù)順利實(shí)現(xiàn)。

設(shè)計(jì)人員要想進(jìn)一步提升挖裝機(jī)反鏟工作裝置工作性能，務(wù)必著眼于工況，據(jù)此合理調(diào)節(jié)挖裝力，確保工作液壓缸和整機(jī)的挖裝力分別達(dá)到理論層面要求。液壓缸挖裝力大小調(diào)整時(shí)，圍繞鏟斗、小臂的液壓缸進(jìn)行理論挖裝力分析，通過公式代入得出挖裝力最大值。一般情況下，液壓缸理論挖裝力與標(biāo)準(zhǔn)化要求一致，務(wù)必滿足液壓缸閉鎖、整機(jī)穩(wěn)定、地面附著等條件要求。除此之外，適當(dāng)設(shè)計(jì)ZWY-160/55型挖掘式裝載機(jī)挖裝作業(yè)范圍，即根據(jù)使用要求科學(xué)設(shè)計(jì)挖裝深度、距離、寬度、高度?？紤]到研發(fā)要求的特殊性，設(shè)計(jì)人員需要合理化設(shè)計(jì)特殊工況尺寸，確保挖裝作業(yè)任務(wù)高效、優(yōu)質(zhì)完成。

3.4 有限元分析及現(xiàn)場應(yīng)用

ZWY-160/55型挖掘式裝載機(jī)總體設(shè)計(jì)結(jié)束后，通過有限元分析得知產(chǎn)品應(yīng)力應(yīng)變情況，根據(jù)分析結(jié)果適當(dāng)調(diào)整反鏟裝置設(shè)計(jì)方案，全面提升裝載機(jī)作業(yè)效率。一般來說，構(gòu)建有限元分析模型，通過實(shí)體模型直觀了解零部件、裝配體外觀及結(jié)構(gòu)，經(jīng)網(wǎng)格劃分專項(xiàng)添加載荷、約束等條件，并準(zhǔn)確了解工況狀態(tài)和載荷情況，以便更好地滿足挖裝作業(yè)要求。待載荷、約束施加情況達(dá)到預(yù)期，通過啟動運(yùn)行模塊來求解，與此同時(shí)，適當(dāng)調(diào)整結(jié)構(gòu)，通過提升局部結(jié)構(gòu)強(qiáng)度來保證整機(jī)強(qiáng)度。于試點(diǎn)煤礦-285m水平3-1回風(fēng)巷使用，ZWY-160/55型挖掘式裝載機(jī)具體作業(yè)內(nèi)容包括：裝載煤礦、挖取矸石，經(jīng)與輸送機(jī)、礦車協(xié)配，增加每次裝載量，在帶式輸送機(jī)協(xié)同配合下，大量且快速挖取矸石，經(jīng)機(jī)身上的刮板運(yùn)輸部落入帶式輸送機(jī)，再輸送至礦車中。其中，挖斗容量大、插入力度大，裝巖速度快，礦車?yán)寐矢?。工作時(shí)間22天，總進(jìn)尺190m。ZWY-160/55型挖掘式裝載機(jī)具有功能齊全性、操作靈活性特點(diǎn)，大大減輕了工人的勞動強(qiáng)度，提高了作業(yè)效率。

綜上所述，ZWY-160/55型挖掘式裝載機(jī)投用期間，基于全液壓驅(qū)動控制模式，實(shí)現(xiàn)安全化、靈活化運(yùn)作，這既能減少輔助設(shè)備的應(yīng)用，又能提高工作效率，從整體上提高作業(yè)有效性。放眼長遠(yuǎn)，動態(tài)調(diào)整ZWY-160/55型挖掘式裝載機(jī)設(shè)計(jì)方案，能夠達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)化掘進(jìn)要求。

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