大采高采煤機擋矸系統(tǒng)連桿機構(gòu)的設(shè)計研究

劉澤平，徐貴旭

(1.礦山采掘裝備及智能制造國家重點實驗室，山西 太原 030032；2.太重煤機有限公司 技術(shù)中心，山西 太原 030032；3.山西鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山西 太原 030013)

0 引言

現(xiàn)代長壁工作面采煤機是綜采工作面的關(guān)鍵設(shè)備之一，采煤機每一個零部件的正常工作與否直接影響到采煤機的正常工作乃至整個工作面的正常生產(chǎn)。在中厚、特厚煤層開采中，由于煤壁裸露面積大，片幫危機概率大大增加，所以為保護采煤機不被片幫砸壞，采煤機設(shè)置擋矸系統(tǒng)是必須的。隨著大采高滾筒采煤機機面高度、寬度等基本尺寸的增大[1-3]，擋矸系統(tǒng)也隨著防護要求面積和高度都在增大，這對擋矸系統(tǒng)的翻轉(zhuǎn)傳動系統(tǒng)提出了更高的要求，傳統(tǒng)的油缸直接支撐出現(xiàn)了很大的弊端，如油缸長度增加造成了傳動角減小，致使鉸接座的可靠性降低，鉸接座被撕裂風(fēng)險加大，還導(dǎo)致有效翻轉(zhuǎn)分力比例減小，所以要實現(xiàn)支撐功能必須加大油缸缸徑，致使油缸體積大大增加，這使擋矸在下降到最低位置時，放置油缸的空間變得局促，整體制造成本也大大增加，所以設(shè)計一種體積小、有效受力配比大的擋矸翻轉(zhuǎn)系統(tǒng)是必要的。本文利用四連桿機構(gòu)原理，通過對空間的合理利用、受力的精確計算，設(shè)計了一種小油缸作為主動件的四連桿擋矸翻轉(zhuǎn)系統(tǒng)，解決了擋矸系統(tǒng)體積大的問題，在提高效率的同時降低了生產(chǎn)成本，提高了系統(tǒng)的可靠性。

1 擋矸系統(tǒng)連桿機構(gòu)模型分析與計算

1.1 擋矸系統(tǒng)連桿機構(gòu)模型分析

根據(jù)采煤機實物結(jié)構(gòu)，可知擋矸板的運動起點、終點、鉸接點、支座位置等狀態(tài)參數(shù)，擋矸系統(tǒng)連桿機構(gòu)分析如圖1所示。

圖1中，AB為擋矸板支起工作時的終點位置，AB1為擋矸板收回非工作時的位置，兩者夾角須為55°；ABCD為擋矸系統(tǒng)連桿機構(gòu)工作狀態(tài)下的位置，AB為搖桿一，長度固定，BC為連桿，CD為搖桿二，A點為搖桿一(擋矸板)固定鉸接座，D點為搖桿二固定鉸接點，且B、C、D三點在同一直線上；AB1C1D為收回狀態(tài)下的四連桿機構(gòu)位置，C1點必須在h直線上；C、C1為未知點。

圖1 擋矸系統(tǒng)連桿機構(gòu)分析

1.2 擋矸系統(tǒng)連桿機構(gòu)計算

根據(jù)采煤機實物結(jié)構(gòu)，已知AB=AB1=1 221 mm，BD=1 872 mm,∠BAB1=55°。

將BC=B1C1長度設(shè)為x，CD=C1D長度設(shè)為y，C1D′設(shè)為z，∠B1C1D′設(shè)為a，則可建立如下四元二次方程組：

(1)

求解式(1)得：x=811 mm，y=1 071 mm。由此可得四連桿機構(gòu)的尺寸為：AB=1 221 mm,BC=811 mm,CD=1 071 mm，AD=1 940 mm，擋矸板(搖桿一)的旋轉(zhuǎn)角度為55°。

1.3 擋矸系統(tǒng)連桿機構(gòu)模型建立

搖桿二作為主動件時，擋矸系統(tǒng)連桿機構(gòu)工作和非工作極限狀態(tài)如圖2、圖3所示。當(dāng)需在中間工作狀態(tài)時，擋矸板可以在0°～55°范圍內(nèi)任意位置停止，只需連桿二能夠在對應(yīng)位置鎖止即可。

1-擋矸護板(搖桿一)； 1-擋矸護板(搖桿一)； 2-連桿；3-搖桿二；4-機架 2-連桿；3-搖桿二；4-機架

2 擋矸系統(tǒng)連桿機構(gòu)原動機件計算

2.1 主動件方案設(shè)計

搖桿二作為主動件時，經(jīng)圖紙測量其旋轉(zhuǎn)角度范圍為65.36°，因采煤機結(jié)構(gòu)關(guān)系，以及原動件油缸放置空間因素，故將主動件搖桿二作結(jié)構(gòu)方面異形化處理，即將油缸支點F′移動到F點，∠CDF=35°，DF與搖桿二CD為一體制造，DF長度可根據(jù)實際調(diào)整，為未知長度，如圖4所示。

圖4 搖桿二異形化處理

2.2 擋矸系統(tǒng)原動件方案計算

原動件(油缸)設(shè)計簡圖如圖5所示，在原動件系統(tǒng)EFDC中，∠FDC=∠F1DE=35°，E點為油缸支座固定位置，E點與D點水平距離為947 mm、垂直距離為269 mm，則ED長度為：

圖5 原動件(油缸)設(shè)計簡圖

(2)

EF1長度為油缸封閉尺寸，設(shè)為x1;FF1長度為油缸行程,設(shè)為p，因油缸本身結(jié)構(gòu)限制，需滿足以下條件：

p+279=x1.

(3)

在三角形FDF1中設(shè)DF長度為q,則：

sin35°=p/(2q).

(4)

擋矸系統(tǒng)在AB1C1D狀態(tài)(收回狀態(tài))時，C1是固定的，且E、D點都是固定的，∠C1DE=0.69°也是固定值，所以：∠F1DE=∠F1DC1+∠C1DE=35°+0.69°=35.69°。

在三角形EF1D中，利用任意三角形余弦函數(shù)可得：

cos∠F1DE=cos35.69°=

(5)

聯(lián)合式(2)～式(5)計算可得出油缸行程p=421 mm，油缸封閉尺寸x1=700 mm，q=390 mm。

3 擋矸系統(tǒng)連桿機構(gòu)施工方案建立

綜合以上得出的參數(shù)，對本擋矸系統(tǒng)進行施工設(shè)計，將各零部件按照載荷進行物化。因為載荷為大冗余量設(shè)計，所以在此不再進行載荷計算和材料選型計算，設(shè)計的施工圖如圖6、圖7所示。其運行原理如下：

1-擋矸護板(搖桿一);2-油缸;3-連桿;4-機身固定鉸接座二；5-機身固定鉸接座一;6-搖桿二;7-固定式油缸鉸接座

(1)擋矸支撐工作狀態(tài)：搖桿二為主動件，有一個自由度，其繞固定鉸接點位置的變化決定了該四連桿機構(gòu)狀態(tài)的變化。擋矸護板作為四連桿機構(gòu)的一條搖桿，搖桿二被固定在圖6(對應(yīng)圖2)位置時，擋矸護板的自由度為0，這個狀態(tài)就是擋矸護板在工作時的位置。

1-擋矸護板(搖桿一);2-連桿;3-搖桿二;4-油缸;5-機身固定鉸接座一;6-固定式油缸鉸接座;7-機身固定鉸接座二

(2)擋矸回收非工作狀態(tài)：當(dāng)搖桿二按圖2中箭頭方向旋轉(zhuǎn)一定角度時，該四連桿系統(tǒng)即可處于圖7(對應(yīng)圖3)狀態(tài)，此時擋矸護板回收，即非工作狀態(tài)。

當(dāng)然在狀態(tài)相互轉(zhuǎn)化過程中，搖桿二的任何角度位置都一一對應(yīng)擋矸護板的角度位置，即可以根據(jù)實際需要隨時調(diào)節(jié)護板角度。在擋矸護板縱向長度方向，可根據(jù)實際需求安裝4組～8組同樣的本連桿系統(tǒng)，同步運行，增加擋矸護板的支撐力[4，5]。

4 結(jié)語

分析了滾筒采煤機擋矸系統(tǒng)的工作狀態(tài)，并根據(jù)采煤機實際擋矸系統(tǒng)安裝條件，通過對四連桿機構(gòu)的分析計算，得出了適用于擋矸系統(tǒng)的連桿機構(gòu)參數(shù)，根據(jù)得出的參數(shù)，進行工程化施工設(shè)計，優(yōu)化了主動件的搖桿結(jié)構(gòu)，選型出油缸行程和安裝方式，具有較大工程實用價值。提供了一種新型采煤機擋矸系統(tǒng)的設(shè)計方法，該連桿系統(tǒng)擴展了擋矸護板旋轉(zhuǎn)角度、減小了支撐油缸的行程、減小了死點位置對連桿系統(tǒng)的影響、提升了系統(tǒng)可靠性、減小了油缸缸徑或者油液壓力，可運用于各種采高機型的采煤機擋矸系統(tǒng)設(shè)計中。