LTJJP500 型煤礦巷道挖爪機設(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(jìn)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(jìn)工作面的單進(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jìn)作業(yè)的幾個作業(yè)功能，改變了圓棚巷道掘進(jìn)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(jìn)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(jìn)采用單軌吊結(jié)構(gòu)設(shè)計，配置抱閘和電纜導(dǎo)輪，可用于巷道掘進(jìn)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(dá)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(dá)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(dǎo)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(fù)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(jìn)行校核（如圖4，圖5）。

圖4 回轉(zhuǎn)臺負(fù)載時應(yīng)力分布圖

圖5 回轉(zhuǎn)臺負(fù)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(fēng)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(dāng)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(yuǎn)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(jìn)行改進(jìn)：

（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(fù)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(jìn)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(dá)到了設(shè)計目的。