何吉超，潘麗君

（三一重型裝備有限公司，遼寧 沈陽(yáng) 110027）

1 引言

目前懸臂式掘進(jìn)機(jī)是巷道掘進(jìn)的主要設(shè)備，錨桿錨索支護(hù)由截割部機(jī)載錨桿鉆機(jī)或行走部機(jī)載錨桿鉆機(jī)動(dòng)+單體氣動(dòng)錨桿鉆機(jī)作業(yè)完成，由于巷道掘進(jìn)運(yùn)輸與錨桿支護(hù)作業(yè)不能同步進(jìn)行，嚴(yán)重影響巷道掘進(jìn)效率。另一方面單體氣動(dòng)錨桿鉆機(jī)支護(hù)作業(yè)時(shí)掘進(jìn)機(jī)需后退騰出操作空間，空頂距大存在安全隱患，加之單體氣動(dòng)錨桿鉆機(jī)運(yùn)輸支護(hù)都是人工操縱且需2～3人，工人勞動(dòng)強(qiáng)度大。與煤巷掘進(jìn)“少人、高效、自動(dòng)、智能”的技術(shù)發(fā)展要求差距較大，而且礦井產(chǎn)能增加后上述問(wèn)題會(huì)更加突出。

針對(duì)目前存在的問(wèn)題，公司開(kāi)發(fā)了快速掘進(jìn)系統(tǒng)，該系統(tǒng)由掘錨一體機(jī)、錨桿轉(zhuǎn)載機(jī)組、橋架式轉(zhuǎn)載皮帶機(jī)、自移機(jī)尾組成，整套系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)巷道工作面掘進(jìn)，錨桿、錨索多排多臂同時(shí)作業(yè)，實(shí)現(xiàn)了多臺(tái)設(shè)備協(xié)同工作，提高巷道支護(hù)效率。

2 錨桿轉(zhuǎn)載機(jī)組的設(shè)計(jì)研究

2.1 快速掘進(jìn)系統(tǒng)的介紹

快速掘進(jìn)系統(tǒng)由掘錨一體機(jī)、錨桿轉(zhuǎn)載機(jī)組、橋架式轉(zhuǎn)載皮帶機(jī)、邁步自移機(jī)尾組成，掘錨一體機(jī)采用截面一次成型，截割推進(jìn)利用本體平移油缸推進(jìn)，截割作業(yè)時(shí)行走不動(dòng)，可實(shí)現(xiàn)掘錨平行作業(yè)。掘錨一體機(jī)共布置6 臺(tái)機(jī)載錨桿鉆機(jī)，4 臺(tái)頂錨鉆機(jī)和2 臺(tái)幫錨鉆機(jī)，頂錨鉆機(jī)布置在截割部?jī)蓚?cè)，兩兩一組，可橫向滑移、整體前后擺動(dòng)，單個(gè)鉆機(jī)可以左右擺動(dòng)，可實(shí)現(xiàn)一定寬度范圍內(nèi)的巷道支護(hù)，同時(shí)鉆機(jī)自由度多，方便調(diào)整姿態(tài)。2 臺(tái)幫錨鉆機(jī)獨(dú)立工作，可上下滑移，實(shí)現(xiàn)一定高度范圍內(nèi)巷道支護(hù)。錨桿轉(zhuǎn)載機(jī)組補(bǔ)打掘錨一體機(jī)剩余的錨桿及錨索，具備破碎、轉(zhuǎn)載、運(yùn)輸功能，橋架式轉(zhuǎn)載皮帶機(jī)與錨桿轉(zhuǎn)載機(jī)組運(yùn)輸機(jī)搭接，實(shí)現(xiàn)物料連續(xù)運(yùn)輸，橋架式轉(zhuǎn)載皮帶機(jī)騎跨在自移機(jī)尾鋼軌上，自移機(jī)尾自帶乳化液動(dòng)力系統(tǒng)，通過(guò)邁步推移機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)邁步式快速自移，能夠?qū)崿F(xiàn)帶式輸送機(jī)結(jié)尾的機(jī)械化延伸，避免采用絞車或者掘進(jìn)設(shè)備退機(jī)牽引機(jī)尾等作業(yè)方式，有效提高掘進(jìn)作業(yè)效率?？焖倬蜻M(jìn)電氣系統(tǒng)將設(shè)備的電控箱、泵站、通信設(shè)備、攝像頭等分散在各個(gè)設(shè)備上，動(dòng)力源分配合理，由中央控制室統(tǒng)一控制、顯示頻可以看到所有設(shè)備單前狀態(tài)，減少了安全隱患。將快速掘進(jìn)系統(tǒng)組成如圖1 所示。

圖1 快速掘進(jìn)系統(tǒng)組成

2.2 錨桿轉(zhuǎn)載機(jī)組結(jié)構(gòu)組成

錨桿轉(zhuǎn)載機(jī)組由行走部、幫錨鉆機(jī)總成、破碎總成、運(yùn)輸機(jī)、頂錨鉆機(jī)總成、工作平臺(tái)、護(hù)板組件、前后支腿組件、電氣系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)組成，共布置5臺(tái)錨桿鉆機(jī)。錨桿轉(zhuǎn)載機(jī)組組成如圖2 所示。

圖2 錨桿轉(zhuǎn)載機(jī)組組成

行走部由主機(jī)架、左右履帶架、橫梁、托架總成，左右履帶架分別布置液壓馬達(dá)及減速機(jī)，為整機(jī)前進(jìn)后退提供動(dòng)力。主機(jī)架相當(dāng)于主機(jī)本體，運(yùn)輸機(jī)布置在本體中間通過(guò)連接塊固定，運(yùn)輸機(jī)采用中單鏈，驅(qū)動(dòng)方式為電機(jī)驅(qū)動(dòng)，輸出扭矩大，過(guò)載能力強(qiáng)，效率高。破碎總成為雙滾筒形式，液壓馬達(dá)加減速機(jī)驅(qū)動(dòng)，破碎能力強(qiáng)，破碎范圍大，破碎總成固定在托架上，其正下方就是運(yùn)輸機(jī)，可進(jìn)行物料的連續(xù)運(yùn)輸、破碎、轉(zhuǎn)載。

幫錨鉆機(jī)總成左右對(duì)稱布置，分別固定在行走部托架兩側(cè)，幫錨鉆機(jī)可前后滑動(dòng)、上下滑移、90°擺動(dòng)。前后滑移采用油缸驅(qū)動(dòng)，可進(jìn)行排距調(diào)整，整體上下滑移采用圓柱導(dǎo)軌雙鏈條倍程提升機(jī)構(gòu)，可進(jìn)行不同高度幫錨桿支護(hù)，90°擺動(dòng)采用液壓擺缸，鉆機(jī)進(jìn)行支護(hù)作業(yè)時(shí)擺動(dòng)到與巷道底板平行，非支護(hù)模式下擺動(dòng)到與巷道底板垂直，方便人員通過(guò)。

頂錨鉆機(jī)總成由隔距件、工作平臺(tái)、錨桿鉆機(jī)等組成，隔距件分別固定在左右履帶架上，工作平臺(tái)上布置3 臺(tái)頂錨鉆機(jī)，1 臺(tái)錨桿鉆機(jī)布置在設(shè)備中線，可左右滑動(dòng)，進(jìn)行鉆機(jī)姿態(tài)調(diào)整，主要打中錨桿，與幫錨鉆機(jī)相隔1 個(gè)排距，其余2 臺(tái)錨桿鉆機(jī)左右對(duì)稱布置，與第一臺(tái)錨桿鉆機(jī)相隔1.5 倍排距，打錨索及掘錨一體機(jī)支護(hù)剩余頂錨桿補(bǔ)打，這兩臺(tái)鉆機(jī)分別布置左右滑移機(jī)構(gòu)，移動(dòng)范圍大，可進(jìn)行不同寬度的巷道錨桿支護(hù)。

整機(jī)除運(yùn)輸機(jī)為電機(jī)驅(qū)動(dòng)外，其余執(zhí)行機(jī)構(gòu)均為液壓驅(qū)動(dòng)，采用負(fù)載敏感控制系統(tǒng)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)雙聯(lián)變量柱塞泵，將高壓液壓油輸送給負(fù)載敏感控制閥，通過(guò)負(fù)載敏感控制閥的開(kāi)閉給執(zhí)行機(jī)構(gòu)提供動(dòng)力，整個(gè)液壓系統(tǒng)效率高，功率損耗低。其中行走模式與錨護(hù)模式閉鎖控制，既在行走模式下，除了破碎、運(yùn)輸機(jī)可工作，其余執(zhí)行機(jī)構(gòu)均不可工作，在錨護(hù)模式下，行走不能動(dòng)，其余執(zhí)行機(jī)構(gòu)均可工作，增加了設(shè)備的安全性能。

3 錨桿轉(zhuǎn)載機(jī)組設(shè)計(jì)計(jì)算

錨桿轉(zhuǎn)載機(jī)組的主機(jī)參數(shù)如圖表1 所示。

表1 錨桿轉(zhuǎn)載機(jī)組主要技術(shù)參數(shù)

3.1 液壓泵站的電機(jī)功率計(jì)算

計(jì)算整機(jī)液壓系統(tǒng)所選電機(jī)功率，可按下式 （1）計(jì)算：

式中：P—電動(dòng)機(jī)功率，單位kW；

p—液壓泵的最大工作壓力，單位MPa；

Q—液壓泵的輸出流量，單位L/min；

泵站輸出排量260 mL/r，最大工作壓力28 MPa，電機(jī)轉(zhuǎn)速1 477 r/min，計(jì)算的系統(tǒng)所需功率為179.2 kW，考慮到泵的效率，電機(jī)功率一般為所需功率的1.05 倍～1.25 倍，電機(jī)功率為188.2～224 kW，查有關(guān)電機(jī)手冊(cè)，所選電機(jī)功率為200 kW 時(shí)比較合適。

3.2 運(yùn)輸機(jī)的運(yùn)輸效率計(jì)算

計(jì)算運(yùn)輸機(jī)的運(yùn)輸效率，可按下式（2）計(jì)算：

式中：Q—運(yùn)輸功率，單位m3/min；

F—輸送機(jī)斷面積，單位m2；

ψ—裝滿系數(shù)，ψ 取0.69～0.9；

V—鏈速，單位m/s；

輸送機(jī)斷面積F=0.772×0.28=0.22 m2

一運(yùn)鏈速：V=π×D1×n1/60=3.14×0.332×133/60= 2.3 m/s

D1—一運(yùn)鏈輪直徑0.332 m n1—鏈輪轉(zhuǎn)速133 r/min

各項(xiàng)代入上式：

Q=60×0.22×2.3×0.9=27.3 m3/min

煤的貨載堆的密度為0.85～1 t/m3

運(yùn)輸機(jī)的輸送能力Q=0.92×15.18×60=1 500 t/h

3.3 主要結(jié)構(gòu)件的強(qiáng)度分析

根據(jù)錨桿轉(zhuǎn)載機(jī)組的使用工況及受力分析對(duì)以下結(jié)構(gòu)件進(jìn)行了強(qiáng)度分析。

（1）車架總成強(qiáng)度分析。在靜止?fàn)顟B(tài)下車架總成承受所有部件的重力，在錨護(hù)模式下，車架還承受錨桿支護(hù)的反作用力，對(duì)車架總成建立有限元模型，鋼板結(jié)構(gòu)采用shell 單元建模，采用四面體網(wǎng)格；螺栓連接由rigid 單元等效；其他部件在質(zhì)心處使用mass 單元等效；3 個(gè)頂錨桿需要對(duì)車架加載反作用力，使用Rb2 剛性單元進(jìn)行力的傳導(dǎo)，車架結(jié)構(gòu)件材料為Q345B 參數(shù)如下表2 所示。

表2 材料參數(shù)

載荷與邊界條件：

載荷：垂向施加1g 加速度載荷；每個(gè)錨桿加載30 kN 的集中力。

邊界條件：約束左右兩側(cè)的行走部6 個(gè)自由度。仿真分析如圖3 所示。

圖3 車架總成應(yīng)力云圖

結(jié)論：通過(guò)分析最大應(yīng)力為105 MPa，材料屈服強(qiáng)度345 MPa，安全系數(shù)為3.29，大于1.5，滿足設(shè)計(jì)要求。

（2）幫錨總成滑道組件強(qiáng)度分析。幫錨鉆機(jī)整體上下滑移采用圓柱導(dǎo)軌雙鏈條倍程提升機(jī)構(gòu)，最高處可達(dá)2 m 左右，幫錨鉆機(jī)錨桿支護(hù)時(shí)導(dǎo)柱承受反作用力，將幫錨總成結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，板結(jié)構(gòu)采用shell 單元進(jìn)行建模，導(dǎo)柱、滑道組件等采用四面體單元建模，螺栓連接處采用rigid 連接，錨桿機(jī)整體在質(zhì)心位置創(chuàng)建質(zhì)量點(diǎn)，并與連接座剛性連接，錨桿轉(zhuǎn)載機(jī)幫錨總成結(jié)構(gòu)件材料均為Q345B，導(dǎo)柱材料為40Cr，材料參數(shù)如下表3 所示：

表3 材料參數(shù)

（3）載荷與邊界條件?？紤]極限工況，即錨桿機(jī)上升到最大位置，此時(shí)為結(jié)構(gòu)件最大受力狀態(tài)。底座通過(guò)螺栓與車架連接，將底座主立板的螺栓位置進(jìn)行固定約束；同時(shí)將錨桿機(jī)質(zhì)心位置處施加30 kN 集中力，另考慮幫錨總成自身的重力。通過(guò)分析最大應(yīng)力為131 MPa，材料屈服強(qiáng)度345 MPa，安全系數(shù)為2.63，大于1.5，滿足設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)語(yǔ)

錨桿轉(zhuǎn)載機(jī)組的設(shè)計(jì)研究，為快速掘進(jìn)系統(tǒng)提供了有力的技術(shù)支持，集履帶行走、錨桿錨索支護(hù)、轉(zhuǎn)載、破碎于一體，提高了巷道進(jìn)尺速度和掘進(jìn)效率，錨桿鉆機(jī)均為機(jī)載式，操作液壓手柄即可完成錨桿錨索支護(hù)作業(yè)，大大減輕了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，減少了工作面工人數(shù)量，實(shí)現(xiàn)了各大礦務(wù)局工作面少人化、智能化、增產(chǎn)、增效，使煤礦綜合效益最大化。