陳國敏

（山西金暉萬峰煤礦有限公司，山西 呂梁 032300）

0 引言

隨著我國近年來大力推進(jìn)智慧化礦山建設(shè)，掘進(jìn)智能化也相應(yīng)得到很大發(fā)展，與智能化掘進(jìn)工作相匹配的，也要求掘進(jìn)工作面后配套帶式輸送機(jī)機(jī)尾摒棄掘進(jìn)設(shè)備拉移或絞車牽引的移動方式實現(xiàn)自動化[1]。皮帶機(jī)機(jī)尾部分能夠自行移動是掘進(jìn)自動化、智能化繞不過去的重要環(huán)節(jié)。一般皮帶機(jī)自移機(jī)尾需要不借助外部力量實現(xiàn)前進(jìn)、后退、側(cè)移及皮帶調(diào)偏等功能，具有一定程度的凹凸變坡適應(yīng)能力。

本文介紹了一種用于煤礦智能掘進(jìn)工作面原煤運輸?shù)膸捷斔蜋C(jī)自移機(jī)尾，針對自移機(jī)尾在設(shè)計制造過程中出現(xiàn)機(jī)構(gòu)、力學(xué)問題，給出了結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案。該帶式輸送機(jī)自移機(jī)尾由DSJ80型帶式輸送機(jī)機(jī)尾增加自行機(jī)構(gòu)改進(jìn)而來。如圖1所示，移機(jī)尾主要包括機(jī)尾本體、跨步機(jī)構(gòu)和動力元件組成。機(jī)尾本體包含轉(zhuǎn)向滾筒、滾筒座、機(jī)尾主梁、機(jī)尾底座、托輥架等部件；跨步機(jī)構(gòu)包含主梁、橫連桿、輪組、動力擺腿、普通擺腿、底腳等部件；動力元件包括1根抬升油缸、2根推移油缸、6根側(cè)移油缸、高壓油管、雙向鎖、分流集流閥、三通、操作閥等部件。機(jī)尾本體和跨步機(jī)構(gòu)可以看做是行走的兩條腿，在抬升油缸的推動下交替抬升，兩部分分別實現(xiàn)觸地和抬起，兩部分之間再由推移油缸連接實現(xiàn)推移，從而完成前進(jìn)或后退的動作。機(jī)尾主體一般由6節(jié)結(jié)構(gòu)（圖中僅展示4節(jié)）鉸接而成，每節(jié)長度為3米，全長19米，自行機(jī)構(gòu)相應(yīng)為12節(jié)，每節(jié)1.5米?？蓪崿F(xiàn)最大單次跨步距離1.1米，跨步抬高15厘米，單次側(cè)向移動最大距離5厘米，設(shè)備自重8噸，在15MPa的液壓動力下，最大抬升重量20噸，設(shè)備高度1.5米，可適應(yīng)±10度的變坡[2]。

圖1 輕型帶式輸送機(jī)自移機(jī)尾

圖2 DSJ80型帶式輸送機(jī)機(jī)尾

1 跨步機(jī)構(gòu)的整體設(shè)計思路

本帶式輸送機(jī)自移機(jī)尾是在DSJ80型帶式輸送機(jī)機(jī)尾的基礎(chǔ)上，增加自行機(jī)構(gòu)改進(jìn)而來。DSJ80型帶式輸送機(jī)機(jī)尾本身有機(jī)尾滾筒座、機(jī)尾梁、頂托輥架、底托輥架、底座等構(gòu)成，機(jī)尾梁一般每節(jié)長度為3米，按照現(xiàn)場的需求，整個機(jī)尾可以有多節(jié)機(jī)尾梁通過銷軸鉸接，這樣的結(jié)構(gòu)能在鉸接處實現(xiàn)彎折，在一定程度上適應(yīng)地面起伏。煤礦掘進(jìn)工作面原煤運輸一般使用6節(jié)機(jī)尾梁。

為了實現(xiàn)皮帶機(jī)機(jī)尾的跨步自移，需要設(shè)計一套跨步機(jī)構(gòu)與機(jī)尾共同構(gòu)成支撐，該跨步機(jī)構(gòu)和機(jī)尾本體滿足一下幾個條件：

（1） 跨步機(jī)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)在豎直方向的屈伸，伸長的極大位置能把機(jī)尾本體托起離開地面一定的距離，伸長的極小位置能夠脫離地面；

（2） 跨步機(jī)構(gòu)水平方向結(jié)構(gòu)應(yīng)與機(jī)尾本體相適應(yīng)，應(yīng)能夠通過輪組與機(jī)尾本體實現(xiàn)在水平方向上的相對移動；

（3） 跨步機(jī)構(gòu)能和機(jī)尾本體一起彎折，適應(yīng)地面起伏變化[3]。

圖3為自移機(jī)尾的輪組，輪組將機(jī)尾本體和跨步機(jī)構(gòu)連接起來，使兩部分機(jī)構(gòu)既不可分離又能相對運動。輪組安裝在跨步機(jī)構(gòu)主梁上，包含上行輪和下行輪，上行輪和下行輪卡在機(jī)尾本體主梁工字鋼的下延及其軌道上，實現(xiàn)與機(jī)尾本體的位置約束，使得跨步機(jī)構(gòu)可以相對機(jī)尾本體水平方向移動，其它方向相對不可移動。

圖3 輪組圖

圖4展示了跨步機(jī)構(gòu)與機(jī)尾本體的相對關(guān)系，圖4（a）中跨步機(jī)構(gòu)收縮，支撐部分脫離地面，圖4（b）中跨步機(jī)構(gòu)伸長，將機(jī)尾本體托起離開地面。

圖4 跨步機(jī)構(gòu)與機(jī)尾本體示意圖

這種結(jié)構(gòu)設(shè)計滿足了前兩個條件要求。

2 跨步機(jī)構(gòu)隨地形彎折的問題

如圖5（a）所示，最初的設(shè)計，跨步機(jī)構(gòu)與機(jī)尾一樣都是3米一節(jié)，但是遇到一個嚴(yán)重的問題[4]。當(dāng)?shù)孛娌黄匠霈F(xiàn)起伏的時候，機(jī)尾梁會通過鉸接關(guān)節(jié)發(fā)生彎折適應(yīng)地面的變化，但由于跨步機(jī)構(gòu)的橫連桿通過輪組與機(jī)尾主梁保持平行，并且跨步機(jī)構(gòu)橫連桿下方還有底腳，它們的鉸接關(guān)節(jié)不可能和機(jī)尾主梁的鉸接關(guān)節(jié)處于同一水平，也就不可能一起發(fā)生彎折，如圖5（b）所示。解決的辦法是將跨步機(jī)構(gòu)從關(guān)節(jié)處斷開，增加一組不受輪組限制的橫連桿和底腳，這樣跨步機(jī)構(gòu)就能和機(jī)尾主梁很好的適應(yīng)地形變化，如圖5（c）所示。實際設(shè)計中將跨步機(jī)構(gòu)設(shè)計成1.5米每節(jié)，長度是機(jī)尾主梁的一半，每隔一節(jié)設(shè)置兩組輪組，無輪組的橫連桿和底腳只是起到連接和傳遞動力的作用，不起支撐作用，如圖1所示。

圖5 跨步機(jī)構(gòu)隨地形彎折示意圖

3 機(jī)尾主梁鉸連接彎折角度不足的問題

帶式輸送機(jī)機(jī)尾主梁為20號工字鋼，因機(jī)尾主梁上側(cè)要用作掘進(jìn)機(jī)二運皮帶運動軌道，因此要求主梁連接的間隙不得大于10mm。機(jī)尾主梁連接原設(shè)計在工字鋼中心線處設(shè)置銷軸，如圖6（a）所示，在間隙為10mm的條件下，兩節(jié)機(jī)尾主梁發(fā)生5.86°彎折就發(fā)生干涉，不滿足自移機(jī)尾±10°的要求。改變設(shè)計將連接銷軸上移，同時將兩邊的工字鋼下側(cè)的部分消除，彎折12.68°時才發(fā)生干涉，滿足±10°的設(shè)計要求[5]。

圖6 機(jī)尾主梁鉸接設(shè)計

4 跨步機(jī)構(gòu)連續(xù)四連桿機(jī)構(gòu)多級傳動造成位置誤差較大的問題

跨步機(jī)構(gòu)通過油缸驅(qū)動，帶動機(jī)構(gòu)完成動作。當(dāng)跨步機(jī)構(gòu)進(jìn)行收縮抬起的動作時，先由油缸拉動動力擺腿，動力擺腿帶動跨步機(jī)構(gòu)底腳升高[6]。理論上跨步機(jī)構(gòu)主梁、擺腿和底腳構(gòu)成的四邊形結(jié)構(gòu)是平行四邊形，底腳連成的邊應(yīng)該與主梁平行，但實際上由于各個部件是通過銷軸鉸接，而銷軸和銷孔之間存在間隙，這個間隙的存在造成跨步機(jī)構(gòu)底腳升起時無法達(dá)到理想的位置，從動力擺腿開始向兩邊出現(xiàn)跨步機(jī)構(gòu)底腳逐漸降低的情況，如圖7所示。并且這種銷軸與銷孔間隙造成跨步機(jī)構(gòu)底腳位置的誤差隨著動力傳遞的級數(shù)逐漸積累，離動力擺腿越遠(yuǎn)，誤差越大。實際使用的自移機(jī)尾跨步機(jī)構(gòu)的連桿結(jié)構(gòu)傳動多達(dá)10級，每級產(chǎn)生的誤差約5mm，經(jīng)過多級積累，跨步機(jī)構(gòu)前端的底腳位置誤差將達(dá)到5cm，也就是說設(shè)計越障能力15cm，實際只有10cm。這種結(jié)構(gòu)設(shè)計嚴(yán)重影響了跨步機(jī)構(gòu)的越障能力。為了解決這個問題，采取的辦法是更改跨步機(jī)構(gòu)底腳的銷軸孔距，補償造成的誤差。圖7（a）中可以看出，當(dāng)動力擺腿向左側(cè)擺動時，左側(cè)的底腳受到的是推力，右側(cè)的底腳受到的是拉力，因此將左側(cè)的跨步機(jī)構(gòu)底腳銷軸孔距適當(dāng)增大，將右側(cè)的跨步機(jī)構(gòu)底腳銷軸孔距適當(dāng)減小，即可解決跨步機(jī)構(gòu)抬升后底腳下垂的問題。實際應(yīng)用中，跨步機(jī)構(gòu)主梁和底腳的銷軸孔距基礎(chǔ)值為1500mm，將動力擺腿左側(cè)跨步機(jī)構(gòu)底腳銷軸孔距增加5mm，將右側(cè)跨步機(jī)構(gòu)底腳銷軸孔距減小5mm，效果良好[7]。

圖7 跨步機(jī)構(gòu)四連桿機(jī)構(gòu)位置誤差產(chǎn)生示意圖

5 跨步機(jī)構(gòu)擺腿的外形設(shè)計

跨步機(jī)構(gòu)的擺腿起著傳遞動力、保持跨步機(jī)構(gòu)姿態(tài)的作用，如圖8所示，當(dāng)抬升油缸收縮，跨步機(jī)構(gòu)擺腿向左側(cè)擺動，跨步機(jī)構(gòu)完成抬升的動作。但在擺腿擺動的過程中，靠近輪組右側(cè)的擺腿會受到輪組的阻擋，不能擺動到理想位置。為了解決這一問題，將這一側(cè)的擺腿設(shè)計成120°折形，避讓輪組，為了降低制造成本，不受輪組影響的擺腿仍然做成直形。

圖8 擺腿的外形設(shè)計

6 抬升動力傳遞機(jī)構(gòu)的設(shè)計

抬升油缸動作推動跨步機(jī)構(gòu)變形時，需要通過一個機(jī)構(gòu)將動力傳遞給動力擺腿。抬升油缸活塞桿頭部與抬升油缸動力桿中部連接，抬升油缸動力桿兩端又通過螺栓緊固在連接座上，連接座帶有銷軸，連接座上的銷軸插入動力擺腿頂部的銷軸孔中，同時兩側(cè)的動力擺腿又通過連桿固定連接。圖9（a）為抬升油缸、抬升油缸動力桿、動力擺腿連桿、銷軸座、動力擺腿連接圖；圖9（b）為連接座與附近零部件連接的細(xì)節(jié)圖；圖9（c）為連接座的兩視圖；圖9（d）為抬升油缸活塞桿與抬升油缸動力桿連接的細(xì)節(jié)兩視圖?？绮綑C(jī)構(gòu)進(jìn)行抬升動作時，與抬升油缸連接的動力桿受到的壓力是最大的，必須保證動力桿的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，使它在受力是不被壓垮變形。抬升油缸動力桿主體結(jié)構(gòu)就是兩條鋼板，鋼板縱向（平行于鋼板平面）承載能力很強(qiáng)，而橫向（垂直于鋼板平面）承載能力較差。從圖9（d）可以看出，抬升油缸活塞桿頂部設(shè)計為兩個銷孔，通過兩個銷軸與抬升油缸的動力桿連接，這種設(shè)計是為了使抬升油缸動力桿與抬升油缸活塞桿始終保持姿態(tài)相對不變，使抬升油缸動力桿受到的力始終為縱向力。

圖9 抬升動力傳遞機(jī)構(gòu)

7 結(jié)語

本文介紹的跨步式帶式輸送機(jī)自移機(jī)尾是一種新型的輕型自移機(jī)尾，用于智能掘進(jìn)工作面，與掘進(jìn)機(jī)的轉(zhuǎn)載皮帶機(jī)配合使用。該自移機(jī)尾能夠在不依靠外力的情況下完成前進(jìn)、后退、側(cè)移等動作，是一種功能完備，成本低廉，控制便捷的輸送設(shè)備，具有良好的應(yīng)用前景。本文針對這種帶式輸送機(jī)自移機(jī)尾機(jī)構(gòu)設(shè)計過程中出現(xiàn)的各種結(jié)構(gòu)問題，提供了某種解決方案，希望能給相關(guān)從業(yè)者提供一點微不足道的參考。