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        LTJJP500 型煤礦巷道挖爪機設(shè)計

        2021-06-05 07:01:46王海彬
        山東煤炭科技 2021年5期
        關(guān)鍵詞:煤礦作業(yè)設(shè)計

        趙 慧 王海彬 張 杰

        (遼寧通用重型機械股份有限公司,遼寧 調(diào)兵山 112700)

        1 引言

        U 型鋼棚的架設(shè)是圓頂巷道掘進生產(chǎn)中極耗費人工的一項工作,同時危險系數(shù)也很高。支護用料大多使用人力方式肩抗至工作面,勞動強度大。針對這些問題,經(jīng)過多次研究、試驗,遼寧通用重型機械股份有限公司設(shè)計了LTJJP500 型煤礦巷道挖爪機,有效地解決了架棚支護問題,減輕了工人的勞動強度,提高了掘進工作面的單進水平。

        2 整機技術(shù)參數(shù)及功能特點

        LTJJP500 型煤礦巷道挖爪機設(shè)計(如圖1)主要目的是解決煤礦巷道掘進生產(chǎn)中U 型鋼棚架設(shè)問題,其對應(yīng)結(jié)構(gòu)的研究設(shè)計應(yīng)綜合考慮功能性和適應(yīng)性,以適應(yīng)多工況的巷道掘進輔助工作。LTJJP500 型煤礦巷道挖爪機主要技術(shù)參數(shù)見表1。

        圖1 LTJJP500 型煤礦巷道挖爪機簡圖

        表1 LTJJP500 型煤礦巷道挖爪機主要技術(shù)參數(shù)

        LTJJP500 型煤礦巷道挖爪機集成了圓棚巷道掘進作業(yè)的幾個作業(yè)功能,改變了圓棚巷道掘進輔佐作業(yè)的手動作業(yè)方式,主要有以下幾個功能特點:

        (1)挖爪采用液壓回轉(zhuǎn)支撐,可實現(xiàn)挖爪在挖臂徑向360°回轉(zhuǎn);配合采用挖爪直線油缸,可以實現(xiàn)挖爪對復(fù)雜姿態(tài)的工件的可控抓合。

        (2)挖臂采用3 個直線油缸和液壓回轉(zhuǎn)減速器結(jié)構(gòu),可以實現(xiàn)對巷道斷面任意位置的舉升;

        (3)4 個上支撐和1 個下支撐組件可以保證挖爪工作時整機的穩(wěn)定性;上支撐具有邁步調(diào)節(jié)功能,可以實現(xiàn)對復(fù)雜頂板狀況的有效支撐。

        (4)液壓系統(tǒng)采用進口液壓件,注油過濾及回油。

        (5)臨時支護裝置和錨固裝置采用快換模塊化設(shè)計,可滿足支護或錨固工況和普通工況的切換作業(yè)要求。

        (6)整機行進采用單軌吊結(jié)構(gòu)設(shè)計,配置抱閘和電纜導輪,可用于巷道掘進配套設(shè)備的運輸和整機在巷道方向的位置調(diào)節(jié)。

        3 結(jié)構(gòu)組成及其設(shè)計

        LTJJP500 型煤礦巷道挖爪機結(jié)構(gòu)如圖2。

        圖2 挖爪機結(jié)構(gòu)示意圖

        (1)挖臂。挖臂由回轉(zhuǎn)臺、回轉(zhuǎn)支撐、支撐油缸、后臂、前臂、擺動油缸、調(diào)角油缸及挖爪等機構(gòu)組成。通過液壓馬達回轉(zhuǎn)支撐帶動挖臂左右擺動,支撐油缸伸縮實現(xiàn)挖臂前端挖爪的升降,輔助調(diào)角油缸和擺動油缸實現(xiàn)微調(diào),最終可以完成挖臂的架棚工作。

        (2)主梁。主梁是工作部件主體,用來固定回轉(zhuǎn)臺、下支撐和斜支撐。

        (3)下支撐。由支撐構(gòu)件和下支撐油缸組成,用來增加主梁的穩(wěn)定性。

        (4)斜支撐。整機運行在軌道鋼上,通過斜支撐裝置,確保作業(yè)時整機重心位置在設(shè)備中心線上,提高整機工作的穩(wěn)定性。

        (5)行走部。行走部采用2 臺低速大扭矩馬達驅(qū)動,通過減速機、摩擦驅(qū)動輪及軌道鋼實現(xiàn)行走。配備2 臺制動剎車裝置,實現(xiàn)行走可控和停車制動。

        (6)液壓系統(tǒng)。液壓系統(tǒng)由油泵電機、油箱、比例控制閥、多路電磁換向閥、平衡閥、油濾器、冷卻器、壓力表、接頭、液壓膠管及覆蓋件組成。

        (7)電控系統(tǒng)。電控系統(tǒng)由真空電磁啟動器、遙控器、照明燈、限位器、電鈴等組成。電控系統(tǒng)主要用來控制整機的啟動和停止、行程限位、電鈴警示、遙控挖爪作業(yè)等。配備自動電纜導輪,實現(xiàn)長距離電纜自動收放。

        4 關(guān)鍵部件的設(shè)計計算

        (1)支撐油缸強度計算

        圖3 挖臂受力分析圖

        圖中:G 為工作負載,取500 kg,即5 kN;L1為力臂,1600 mm;L2為載荷力臂1000 mm;L3為挖臂重心力臂,300 mm;G1為挖臂自重,210 kg,即2.1 kN;L3為挖臂重心力臂,300 mm;θ 為支撐油缸水平傾角,16.8°。

        整機平衡時,以N 點作為剛性點,根據(jù)力矩平衡,可得平衡公式:

        油缸的垂直分力計算公式:

        油缸的軸向壓力:

        安全系數(shù):

        安全系數(shù)=許用推力/實際軸向壓力

        表2 支撐油缸參數(shù)

        根據(jù)以上公式和參數(shù)計算,支撐油缸軸向壓力為64.2 kN,安全系數(shù)約等于1.96,故選用100 mm缸徑油缸可以滿足設(shè)計和使用要求。

        (2)回轉(zhuǎn)臺強度計算

        回轉(zhuǎn)臺受力參數(shù)見表3。

        采用有限元分析,對回轉(zhuǎn)臺的強度進行校核(如圖4,圖5)。

        圖4 回轉(zhuǎn)臺負載時應(yīng)力分布圖

        圖5 回轉(zhuǎn)臺負載時安全系數(shù)圖

        回轉(zhuǎn)臺最大應(yīng)力位置出現(xiàn)在與回轉(zhuǎn)支撐配合的螺紋孔處,最大應(yīng)力值為270.1 MPa。據(jù)此,將回轉(zhuǎn)臺的上下橫板材質(zhì)優(yōu)化為Q690,薄弱處的最小安全系數(shù)為2.55,其余位置所受應(yīng)力均小于100 MPa左右,材質(zhì)定為Q235,完全可以滿足使用要求。

        (3)回轉(zhuǎn)臺回轉(zhuǎn)減速器傾覆力矩計算

        回轉(zhuǎn)減速器是一種能夠承受較大軸向載荷、徑向載荷和傾斜力矩的特大型軸承(如圖6),它廣泛應(yīng)用于風力發(fā)電、起重機械、采掘機械、建筑機械、港口機械、船舶機械以及國防裝備等大型回轉(zhuǎn)裝置上。

        載荷產(chǎn)生的力矩大小等于載荷大小乘載荷作用點到回轉(zhuǎn)支撐中心的距離。當載荷產(chǎn)生的力矩大于裝置的傾覆力矩時,會產(chǎn)生傾覆失穩(wěn)。

        設(shè)計選用的WEA14-43T-HR-WR320-D 型回轉(zhuǎn)減速器的傾覆力矩為71.2 kN?m(表4)。

        圖6 回轉(zhuǎn)式減速器簡圖

        表4 WEA14-43T-HR-WR320-D 回轉(zhuǎn)減速器性能參數(shù)

        此回轉(zhuǎn)減速器由布置在直徑390 mm 上一圈螺栓固定在結(jié)構(gòu)體上,為了簡化計算難度,同時確保安全性,本文在計算時,作用在減速器上力為挖臂施加的壓力F1=7.2 kN 與結(jié)構(gòu)件給的垂直平衡力F2=24 kN,其作用點的力臂尺寸L 均取最大值為0.195 m。

        作用在減速器的力矩Mmax=M1+M2=6.084 kN?m,遠小于減速器的傾覆力矩,可以滿足設(shè)計要求。

        5 應(yīng)用效果

        LTJJP500 型煤礦巷道挖爪機樣機完成后,在鐵能集團大平礦井下試運行。在歷時3 個多月的試運行中,挖爪機基本可以滿足設(shè)計和使用要求,在實際生產(chǎn)中具有以下優(yōu)點:

        (1)解決了支護材料和工具的運輸問題,降低工人勞動強度。

        (2)架棚工作機械化,減少了架棚工人數(shù)量,簡化了架棚工序,縮減架棚時間50%,提高了工作效率。

        (3)減少了工人空頂作業(yè)時間,提高安全性。

        在實際使用中也發(fā)現(xiàn)了一些不足,需要在后續(xù)的設(shè)計中進行改進:

        (1)整機長度尺寸偏大,在巷道情況不佳的位置,會出現(xiàn)與綜掘機干涉的情況,需要現(xiàn)場特別注意和調(diào)整。

        (2)LTJJP500 型煤礦巷道挖爪機額定負載為500 kg,在擴展模塊作業(yè)時,效果一般,大平礦希望在后續(xù)改進時,可以提升至1000 kg。

        6 結(jié)語

        通過將單軌吊和挖爪機的結(jié)構(gòu)結(jié)合,從而實現(xiàn)LTJJP500 型煤礦巷道挖爪機的設(shè)計,從理論研究和現(xiàn)場使用效果看,LTJJP500 型煤礦巷道挖爪機可以滿足實際使用要求,基本達到了設(shè)計目的。

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