露天煤矿WK系列电铲安全高...多功能销套拆装机研发与应用_李兰波.pdf

收稿日期:2 0 2 2-0 5-1 0露天煤矿WK系列电铲安全高效多功能销套拆装机研发与应用李兰波(国家能源集团准能集团有限责任公司 安全监察部,内蒙古 鄂尔多斯 0 1 0 3 0 0)摘 要:露天煤矿WK系列电铲行走机构、挖掘机构、推压机构大量使用销(轴)、套连接配合方式,在作业过程中属于磨损消耗件,检修时由维修人员通过人工撞夯或铲斗+钢丝绳拖拽完成,劳动强度大、检修效率低、安全风险高,为了解决上述困难,文章分析了目前各类电铲涉及的销(轴)、套的结构和组成,对以往检修方式进行总结归纳,制定了WK电铲多功能销套拆装机的研发方案,使用轮式越野挖掘机底盘并配套相关工装,研发后,实现了更换销轴类工作的机械化代替人工撞夯或铲斗拖拽,减少了安全隐患、降低了员工劳动强度,同时使检修时间减少6 0%左右,极大地提高检修效率。关键词:轮式液压挖掘机;快换连接器;冲击锤;支重轮;销轴;套 中图分类号:T D 4 2 2.2+1 文献标识码:A 文章编号:1 0 0 76 9 2 1(2 0 2 3)0 20 1 0 00 3 神华准格尔能源有限责任公司黑岱沟露天煤矿位于准格尔煤田中部,核定生产能力为3 4 0 0万 t/a,成为我国单坑产量最大的露天煤矿之一1。太原重工股份有限公司生产的1 1台WK系列电铲作为黑岱沟露天煤矿岩石剥离、采煤挖掘的主要设备,机械结构复杂,其行走机构、挖掘机构、推压机构大量使用滑动轴承,即销轴配合铜(钢)套,属于磨损消耗件,每次拆装更换销轴检修工作量很大,其中主要劳动量在拆卸旧销轴及套。拆卸销轴主要靠人力完成,工艺粗糙简单,安全风险较高,检修效率低下,需要研发一种移动式电铲销套多功能拆装机,进一步解放劳动力,推进技术进步,提升创新能力。1 电铲销套拆装设备研发的必要性1.1 黑岱沟露天煤矿采掘设备简介黑岱沟露天煤矿煤岩采掘剥离所选用的大型设备都属于当今露天采矿业中最先进的采矿设备,主要采掘设备有美国B E公司生产的8 7 5 0-6 0型吊斗铲1台、3 9 5 B I型电铲6台、美国P&H公司生产的2 8 0 0 X P B电铲1台、太原重工股份有限公司生产的WK-2 0电铲1台、WK-3 5电铲3台、WK-5 5型电铲6台。1.2 电铲机械结构说明本文相关的WK系列电铲是我国2 1世纪初引进,由太原重工股份有限公司设计制造的2 0 m3、3 5 m3、5 5 m3级电铲,电铲机械部分主要由挖掘机构、提升机构、推压机构、回转机构、行走机构、配重系统、润滑系统、空气系统组成。1.3 电铲销轴(套)配合机构构成挖掘机构:斗 门弯刀销套、铲杆/铲斗连接销套、“8”字拉板销套、阻尼销套、提梁销套2。推压机构:推压大轴(套)。行走机构:拉紧轮轴(套)、支重轮轴(套)、后支轮轴(套)。1.4 目前拆装存在的问题分析针对推压大轴、挖掘机构各部销套,普遍检修位置高度在3 m以上高处作业,敲(夯)击销套因检修位置制约,无法多人作业,出力不足,安全风险高,检修效率低下。针对行走机构各部轴套,尤其是支重轮轴,因设计原因导致检查困难,多数销轴检修时已严重磨损,产生台阶或金属形变,且销轴安装方式为外侧安装外侧取出,拆除时无法进行敲(夯)击,只能焊接胎具使用千斤顶压出或铲斗配合钢丝绳拖拽,前者没有冲击力,无法解决磨损后无法取出的问题,最终只能采用刨削销轴的高耗低效的方式;后者安全风险极高,有钢丝绳受力过大导致断裂弹出的隐患。1.5 销轴(套)检修的发展趋势经过多年的检修实践,多次发生由于支重轮销轴、提梁套、推压大轴铜套、导向轮轴、斗门各部轴套磨损后无法取出导致严重影响检修效率的故障。目前国内外电铲更换销轴使用的以人工为主的检修方式已经满足不了目前“机械化换人、自动化减人、智能化无人”的智慧矿山需求及设备检修效率0012 0 2 3年1月内 蒙 古 科 技 与 经 济J a n u a r y 2 0 2 3第2期 总第5 1 6期I n n e r M o n g o l i a S c i e n c e T e c h n o l o g y&E c o n o m yN o.2 T o t a l N o.5 1 6提高的需求,需要研发一套移动式电铲销套多功能拆装机来改变现状。2 研发的主要内容和目标2.1 主要内容根据现有电铲各类销轴、套的安装位置选用合适尺寸的移动平台;根据各部销轴、套的安装方式设计液压锤头调整角度、冲击力和钎杆样式;WK系列电铲支重轮拆卸专用工装的研究;多种使用功能的开发。2.2 研发目标实现更换销轴类工作的机械化代替人工撞夯或铲斗拖拽,减少安全隐患、降低员工劳动强度;拆装销轴、套等检修时间减少6 0%,如现阶段更 换WK-5 5电铲两侧1 8个支重轮需要叉车、吊车、推土机配合作业,耗时约1 8 d,减少为1 0 d,极大提高检修效率。3 多功能销套拆装机及配套工装选型构成3.1 主机部分选型及主要功能多功能销套拆装机要具备越野、敲击、吊装、挖掘、场平、拖拽以及提供液压源等功能。露天矿坑下道路全部为非铺装越野路面,且距离检修车间较远,从通过性及到位时间考虑,胶轮式液压挖掘机对比履带式液压挖掘机优点突出,且行走机构便于维护。轮式挖掘机(见图1)优点为一机多能,能够实现轮式越野、长距离行走,能够加装各种液压工装属具,能够通过底盘旋转、大小臂的移动实现灵活调整,是作为移动式电铲销套多功能拆装机主机部分的最佳选择。目前国际和国内轮式挖掘机的技术已经非常成熟,国外有卡特、小松、斗山、现代,国内有徐工、三一、柳工、厦工等,因底盘限制最大型号为2 0 t级2 1 0型,为了满足检修部位最高处为WK-5 5电铲起重臂落下后推压大轴位置,高度约为6 m等条件,最终选用徐工X E 2 1 0WD轮式液压挖掘机3作为主机,实现以下功能:轮式四驱越野功能,最大速度为3 1 k m/h;提供足够的液压输出动力,实现给工装和液压锤提供液压能量;两节挖掘臂加冲击锤的长度可实现7 m高范围内的销套拆卸作业功能;标配的0.8 6 m3挖掘斗可以为电铲维修挖掘作业基坑;后置液压推土板可以实现野外凹凸地面整平的工作。图1 轮式挖掘机3.2 销套冲击锤部分选型及主要功能冲击锤撞击销轴的角度不同于岩石破碎锤,必须可以在下放至距离地面高度0.5 m后保持水平冲击方向,同时由于轮式主机液压动力源压力低于履带式挖掘机,因此需要冲击锤具有利用反冲击力来提高打击力量的功能,即具备能量再生系统4。由于冲击锤钎杆按照销轴尺寸设计,需增大接触面积,防止打击过程中滑脱。当前液压锤的技术也十分成熟,国际上主要以阿特拉斯、蒙特贝、锐锰、英格索兰、史丹利、古河、东空、泰石克、N P K、工兵、水山、韩宇、马杰斯特、迈科、斗山、现代等,国内主要是艾迪、贝力特、娇马、惊天、麦科、诺森重工等,为了避免敲击噪音和有较高的安全性、可靠性,选用了瑞典阿特拉斯MB 1 6 5 0型液压锤(见图2)。该型号液压锤为直型锤,可以装载1 4 5 mm平头钎杆,连接在轮式挖掘机小臂上,利用主机液压源提供动力,可以实现从向上、水平、向下角度来锤击销轴(套)的功能。图2 MB 1 6 5 0液压锤3.3 快速连接器设计及主要功能因电铲多功能销套拆装机使用范围广,需要在使用过程中频繁更换铲斗、液压锤、支重轮拆装工装等部件,需要设计一套快速连接器5,采用液压快换装置,使主机可以快速地更换多种配套机具,实现一机多能;液压控制锁定、解锁,不需要额外辅助人员,使用方便、快捷、高效;快换装置自带小油缸,在驾驶室里单独安装控制按钮,利用主机提供电源,小油缸控制锁定工装和属具;单人可独立更换工装,操作时间限制在5 m i n内。目前市场上有AT E、东光属具、德宇、铭德、屈恩、艾迪等产品,基本结构由主体支架、活动卡块、液压油缸、销轴等零部件组 成,综 合 这 些 产 品 特 点,选 用 了 德 宇 机 械2 0 0 K快换连接器(见图3),并配套采用耐磨性较好的锰钒钢板液压锤连接盘。101李兰波 露天煤矿WK系列电铲安全高效多功能销套拆装机研发与应用2 0 2 3年第2期图3 快捷连接器结构3.4 支重轮拆装工装设计及主要功能根据WK电铲支重轮结构和更换难点,设计的拔轴工装要具备连接、拉力平衡、冲击的功能,能够吊装连接在轮式挖掘机主机上。经过技术交流、尺寸测量、受力分析等,最终设计了1 8 0 t液压油缸+冲击器+支撑罩的单筒拔轴工装(见图4);设计的安装支重轮工装配合叉车使用,能够完成定位、托举、六向调整等功能,并满足更换工艺要求(履带下垂高度为8 0 0 mm9 0 0 mm)。图4 拔轴工装结构拔轴工装采用1 8 0 t吨液压油缸为主体,3 2 0 mm无缝管为支撑罩,匹配液压冲击器,根据电铲支重轮尺寸设计了用于连接支重轮销轴的连接销耳,该连接销耳运用了材质学、结构力学,解决了人工焊耳的难题,共同组成拔轴工装,用液压快换连接移动平台(主机E X 2 1 0WD),通过主机提供液压源将销轴拔出;支重轮销轴尺寸:长1 1 0 0 mm,直径2 1 0 mm,拔出力量1 0 0 t。工装设计尺寸:外形尺寸:2 4 2 5 mm4 0 0 mm;油缸行程9 0 0 0 mm;最大推力1 8 0 t;压力:3 4.3 MP a,流量:2 5 0 L。4 设备多功能应用方案多功能销套拆装机研发完成后,在检修过程中进行了大量功能性测试,具体使用情况如下:4.1 主机功能性测试露天煤矿采剥现场非道路通过性较强,越野轮胎和3 4 0 mm的最小离地间隙均可满足采场使用需求,在雨雪泥泞非铺装路面行走时四驱性能良好,冬季-2 8环境温度下主机和液压系统工作顺畅,在更换支重轮基坑4 0 沙石地面挂载拔轴工装(1 t)可以正常行走,随车的推土铲和挖斗可以对松软或砂石地面进行场平和挖掘作业,更换提升钢丝绳时可以代替胶轮推土机进行拖拽,配置的可视系统在调整冲击锤钎杆和销轴位置时清晰便捷,快速连接器上安装的吊钩可以起吊2 t内的物体,经过实验测试,各项性能满足露天煤矿WK电铲检修条件和环境。4.2 通孔销轴拆装针对斗门弯刀销套、铲杆/铲斗连接销套、“8”字拉板销套、阻尼销套、提梁销套、推压大轴、驱动轮轴、导向轮轴等通孔销轴,液压破碎锤中心轴在距离销轴5 m范围内使用效果最佳,利用可视系统将钎杆对正销轴并顶压到位后,液压锤产生的冲击力可以轻松将销轴敲击出销孔;在安装销轴时,吊具可以将除WK电铲推压大轴之外的其他销轴吊运到孔位,对正后敲击入套。整个拆装过程可以完全替代人工撞夯。4.3 支重轮销轴拆装针对WK电铲支重轮只能单侧取出单侧装入的检修条件,需事先使用主机挖斗、推土铲将地面挖出长1 0 m、宽2 m、深度1.5 m坡度4 0 的检修基坑,将电铲拉紧轮涨紧调松后垂直走入基坑,使支重轮下方履带下垂0.9 m。更换拔轴工装并连接油缸及振荡器油管后,将连接耳安装至需拔出的支重轮销轴中心孔内并插入连接轴,使销轴与连接耳成为一体。将拔轴器的支撑罩对准支重轮别销外护罩并套入,并将支撑罩内油缸头与连接耳使用锁销连接,操作油缸向外侧拔出支重轮轴,如遇到台阶或者严重变形,在拔出同时启动振动器进行冲击,直至完成拔轴作业。安装支重轮时使用叉车配套支重轮安装支架进行销孔对正,对正后使用主机吊钩将新销轴吊入孔位并使用冲击锤敲入即可完成安装。5 产生的效益自2 0 2 1年WK电铲多功能销套拆装机应用后,解决了胶轮推土机、叉车、吊车、履带式液压破碎锤频繁调用配合检修的影响。使用该设备拆装电铲导向轮轴作业,拆卸时只需1名操作司机即可完成,安装时仅需4名电铲钳工配合,每次更换至少节约1 0 h,每年节约2 0 h/台;更换电铲挖掘机构各部销轴每次至少节约4 h,每年节约1 2 h/台;更换提升钢丝绳作业,每次更换节约2 h,每年节约2 4 h/台;累计全年可最少节约5 6 h/台。目前黑岱沟露天煤矿共有1 0台WK系列电铲,每天平均剥离岩石2 5万 m3,使用该设备进行检修,(下转第1 0 5页)201总第5 1 6期内 蒙 古 科 技 与 经 济图7 AN S Y S局部视角计算采用位移约束:选取第一节间位移进行静力计算,计算的v o n M i s e s应力结果见图8,图9。图8 AN S Y S整体视角v o n M i s e s应力从图8、图9中可以看出,在牛腿与纵横梁接触部位应力较大,在3 2 9 MP a4 0 0 MP a之间。材料的屈服点约为4 0 0 MP a,说明在这些部位材料容易发生破坏。图9 AN S Y S局部视角v o n M i s e s应力6 结论鉴于该桥部位存在既有损伤,建议在日常维护中加强观测,做好记录,定期做好维护工作,对上述结构中应力较大部位进行定期细微观测,必要时进行合理的局部加固或者更换。参考文献1 吴冲.现代钢桥(上册)M.北京:人民交通出版社,2 0 0 6.2 雷俊卿.2 0世纪中国公路钢桥的现状评估与对策J.公路,2 0 0 0(1):2 0-2 3.3 李莹.公路钢桥疲劳性能及可靠性研究D.哈尔滨:哈尔滨工业大学,2 0 0 8.4 王春生.铆接钢桥剩余寿命与使用安全评估J.中国铁道科学,2 0 0 4(3):1 2 8-1 4 0.(上接第1 0 2页)WK系列电铲每年可多剥离岩石5 8 3万 m3,不仅有效地提高了工作效率,还减轻了一线员工的劳动强度,减少了检修人员暴露率,极大地降低了安全风险。6 结束语WK系列电铲做为黑岱沟露天煤矿剥离主采设备,设备数量多、生产任务重、作业条件艰苦、设备构造复杂,由此产生的故障点比较多,尤其是滑动轴承配合销轴的连接方式应用广泛,通过本次WK电铲多功能销套拆装机的研发,成功突破了制约露天煤矿采剥设备销套故障检修的难点,也可以继续探索更加广泛的应用,进一步提高设备检修的自动化、智能化程度,其研究成果和内容填补了国内相关领域的空白,对露天煤矿设备检修领域的技术创新、维修能力、产业升级有重要的意义。参考文献1 姬长生,马军.黑岱沟露天煤矿开采工艺的理论与实践M.徐州:中国矿业大学出版社,2 0 1 0:1 0 6-1 0 9.2 贺 栋,安 培 松.一 种 新 型 电 铲 提 梁 销 轴:C N 2 1 0 8 8 7 3 5 8 UP.2 0 2 0-0 6-3 0.3 李耀,徐立明,董玉忠,等.轮胎式液压挖掘机(X E 2 1 0 W):C N 3 0 2 5 3 5 6 5 4 SP.2 0 1 3-0 8-1 4.4 张宁,席建中,韩成春.一种挖掘机破碎锤的振动能吸收装置的研究与开发J.液压与气动,2 0 1 2(8):2.5 崔波波,梁继山,赵南,等.一种挖掘机液压快换装置:C N 2 1 0 3 1 5 7 1 4 UP.2 0 2 0-0 4-1 4.501李兴坤,等 某栓焊钢桁梁牛腿分析2 0 2 3年第2期