礦井錨桿鉆車關(guān)鍵部位設(shè)計探討?

胡 琳，左開紅，朱殿瑞，3，高志晶

（1霍州煤電李雅莊煤礦，山西臨汾 031400；2.太原重型機(jī)械集團(tuán)有限公司軋鋼設(shè)備分公司，山西太原 030024；3.太原理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，山西太原 030024）

礦井錨桿鉆車關(guān)鍵部位設(shè)計探討?

胡 琳1，左開紅2，朱殿瑞2，3，高志晶1

（1霍州煤電李雅莊煤礦，山西臨汾 031400；2.太原重型機(jī)械集團(tuán)有限公司軋鋼設(shè)備分公司，山西太原 030024；3.太原理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，山西太原 030024）

以礦用錨桿鉆車為研究對象，在UG環(huán)境中建立了鉆車的虛擬模型，并對鉆車中的關(guān)鍵件機(jī)架在UG的高級仿真環(huán)境中進(jìn)行應(yīng)力與變形分析，接著對鉆車的穩(wěn)定性、機(jī)架強(qiáng)度、除塵系統(tǒng)、電纜自動收放系統(tǒng)等方面在設(shè)計過程中所遇的問題進(jìn)行了分析。通過分析可知，錨桿鉆車性能穩(wěn)定、設(shè)計合理、滿足使用要求。

錨桿鉆車；UG；應(yīng)力與變形；穩(wěn)定性

1 引 言

錨桿鉆車是集機(jī)、電、液一體化、自動化、錨桿安裝機(jī)械化等高新技術(shù)于一體的裝備，不僅可實現(xiàn)巷道錨桿支護(hù)作業(yè)中打眼、裝藥、緊固的全部工藝，而且可進(jìn)行行走、臨時支護(hù)、載運(yùn)錨桿等輔助工作。作為連續(xù)采煤機(jī)的主要配套設(shè)備，在連續(xù)采煤機(jī)完成掘進(jìn)工序退出工作面之后，錨桿鉆車立即進(jìn)入工作面，完成鉆眼和安裝錨桿工序，對裸露的頂板進(jìn)行及時支護(hù)，以保證安全生產(chǎn)［1］。

連續(xù)采煤機(jī)短壁機(jī)械化開采采用連續(xù)采煤機(jī)進(jìn)行掘進(jìn)，掘進(jìn)巷道斷面呈矩形，配套先進(jìn)的錨桿鉆車支護(hù)頂板，能實現(xiàn)巷道掘進(jìn)與支護(hù)的分離，可多根錨桿同時作業(yè)，支護(hù)效率大大提高。這使得短壁工作面在巷道掘進(jìn)時，能實現(xiàn)大斷面雙巷或多巷掘進(jìn)，掘錨交叉作業(yè)，掘進(jìn)速度快。錨桿鉆車使我國煤礦和其他工程巷道錨桿支護(hù)工作得到優(yōu)化，提高了工作效率和支護(hù)質(zhì)量，降低了工人的勞動強(qiáng)度，相比傳統(tǒng)手工單體液壓鉆機(jī)支護(hù)方式，支護(hù)效率提高了4～5倍［2］。

2 錨桿鉆車的分類與模型

錨桿鉆車按行走方式分為履帶行走式和膠輪行走式；按鉆臂數(shù)量分為單臂、雙臂、四臂等；按提供動力的方式分為電纜供電或其他動力；按除塵方式分有干式除塵方式和濕式除塵方式。為充分發(fā)揮連續(xù)采煤機(jī)的最大工作效能，國外一些公司已經(jīng)研制出了多種型號的錨桿鉆車［3］。礦用錨桿鉆車實物外形如圖1所示。

圖1 錨桿鉆車外形圖

3 錨桿鉆車性能分析

3.1 錨桿鉆車穩(wěn)定性分析

鉆車的重心位置直接影響整機(jī)的穩(wěn)定性，所以在進(jìn)行穩(wěn)定性研究時，對鉆車的重心位置進(jìn)行了分析研究，其意義在于明確整機(jī)在行走和錨鉆時有無傾覆的危險，并決定是否加配重或使用臨時支護(hù)。

錨桿鉆車在工作過程中其重心位置是變化的，底板狀況、操作平臺高度和載荷分布情況是影響重心位置的主要因素。錨桿鉆車的重心位置如圖2所示，錨桿鉆車在最低位置工作時，重心已嚴(yán)重前移，到了履帶導(dǎo)向輪中心線之外，此時必須使用臨時支架。

圖2 最低位置重心示意圖

3.2 錨桿鉆車虛擬模型與機(jī)架強(qiáng)度分析

為縮短研發(fā)周期，提高物理樣機(jī)的可靠性，在整機(jī)設(shè)計時以CMM4－20型錨桿鉆車為例，采用UG分析軟件進(jìn)行建模。其虛擬模型如圖3所示［4］。鉆車的機(jī)架在工作中起著非常重要的作用，所以需對其受力與變形進(jìn)行有限元分析，以此結(jié)果指導(dǎo)物理樣機(jī)的設(shè)計。其應(yīng)力與變形圖如圖4、5所示。通過圖3～5可知機(jī)架在頂端內(nèi)測與中部鉸接的地方受力與變形大，需提高所用材料的性能或焊接加強(qiáng)肋板。

圖3 錨桿鉆車整機(jī)分析模型

圖4 機(jī)架的應(yīng)力分析

3.3 電纜自動收放系統(tǒng)的研究

錨桿鉆車是利用井下電源工作的設(shè)備，在鉆車行走過程中，必然面臨電纜拖曳的問題。電纜人工拖曳時，操作人員勞動強(qiáng)度大，電纜擺放雜亂，容易發(fā)生電纜被鉆車壓斷的事故，會對生產(chǎn)造成不利影響。

為解決該問題，專門設(shè)計了自動卷電纜裝置，如圖6所示。該裝置由液壓馬達(dá)驅(qū)動，通過鏈條帶動卷纜滾筒旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)電纜的收放；卷纜滾筒通過鏈條帶動排纜架，保證電纜順序擺放。在進(jìn)行該裝置設(shè)計時，對電纜滾筒轉(zhuǎn)動速度、排纜架移動速度進(jìn)行匹配，保證電纜收放與鉆車移動同步，同時保證電纜順序排放。另外還設(shè)計了滿纜和空纜保護(hù)裝置，防止空纜時電纜被拉斷、滿纜時擠傷電纜［5］。

圖5 機(jī)架的變形分析

圖6 自動卷電纜裝置

3.4 自動控制和工況數(shù)顯系統(tǒng)研究

針對錨桿支護(hù)作業(yè)高效安全的要求，對自動控制和工況數(shù)顯系統(tǒng)進(jìn)行深入研究。

液壓系統(tǒng)中對每個鉆臂都采用單獨的集成塊控制，每個鉆架單獨配置一套，可實現(xiàn)每個鉆臂的自動旋轉(zhuǎn)、進(jìn)給、下落，除塵旋流器門的自動打開和關(guān)閉。為滿足不同硬度的頂板要求，設(shè)置了調(diào)速裝置，可針對不同硬度的頂板采用不同的進(jìn)給速度。出于安全考慮，每個鉆架上有急?？刂?，無論是自動進(jìn)給的上升還是下降狀態(tài)，如有緊急情況都能立即停止動作，對人員誤動作起到一定的保護(hù)作用［6］。

此錨桿鉆車采用以PLC為核心控制器的控制系統(tǒng)，具有接線簡單、可靠性高、功耗小、功能完善的特點，能滿足現(xiàn)代化、智能化礦井的需要。

本系統(tǒng)保護(hù)功能齊全，除擁有煤礦井下用電設(shè)備所要求的中性點不接地保護(hù)、漏電保護(hù)、短路及過流保護(hù)外，還有相序檢測、缺相檢測、油溫、油位檢測等保護(hù)。在機(jī)身周圍相應(yīng)設(shè)置了急停按鈕，以方便在緊急情況下斷開油泵電機(jī)供電，確保操作人員的生命安全。當(dāng)出現(xiàn)以上所列故障或任意一處急停按下時，主電控箱和指令電氣控制箱的顯示器同時顯示故障狀況或急停位置，并且聲光報警器會在故障時發(fā)出信號，提醒操作工人，體現(xiàn)人性化要求。

3.5 除塵系統(tǒng)的研究

錨桿鉆車在進(jìn)行支護(hù)工作時，產(chǎn)生的呼吸性粉塵可達(dá)到粉塵總量的90%以上，人體肺部長期吸入，會導(dǎo)致礦工常見的塵肺職業(yè)病，嚴(yán)重危害礦工的身體健康。因此在煤礦開采及巷道掘進(jìn)過程中采取有效除塵措施非常必要。錨桿鉆車上搭載的除塵系統(tǒng)性能好壞已成為評價整機(jī)性能的一個重要指標(biāo)［7］。

為此，對除塵風(fēng)機(jī)與液壓系統(tǒng)的匹配、噪聲與吸塵效果的匹配、高效率集塵方式等方面進(jìn)行了深入研究，提出如圖7所示的除塵系統(tǒng)。其工作流程：粉塵－鉆箱－旋流器－除塵箱－風(fēng)機(jī)－消音器－大氣。

3.6 臨時支護(hù)系統(tǒng)的研究

在巷道支護(hù)中，空頂?shù)募皶r支護(hù)是對安全生產(chǎn)的基本保障，在使用錨桿支護(hù)時，設(shè)備前端有2 m左右的空頂，解決這部分的空頂安全是使用設(shè)備和保障工作人員安全的前提。

為解決上述問題，研制了臨時支護(hù)系統(tǒng)，如圖8所示，設(shè)計采用4個支撐油缸對破碎頂板進(jìn)行臨時支護(hù)。4個油缸安裝在整個設(shè)備最前端的滑軌上，油缸上有圓形旋轉(zhuǎn)托盤，可在±25°內(nèi)進(jìn)行轉(zhuǎn)動，滿足頂板不平的支護(hù)要求。支護(hù)油缸上配置有平衡閥，可保證支護(hù)力的持續(xù)穩(wěn)定。在操作上，4個油缸的升降順序也有區(qū)別。進(jìn)行支護(hù)時，2個下支撐油缸先下降，接觸到地面之后，通過順序閥實現(xiàn)上支撐油缸的上升，這樣可保證整機(jī)的穩(wěn)定性，同時也實現(xiàn)了頂板支護(hù)的穩(wěn)定?；厥諘r動作剛好相反，先收回上面的支撐油缸，再提升下支撐油缸。

圖7 錨桿鉆車干式除塵系統(tǒng)

圖8 臨時支護(hù)

4 結(jié) 語

錨桿鉆車作為礦井提高支護(hù)效率的關(guān)鍵設(shè)備，對緩解采掘失調(diào)起到了積極作用。筆者對錨桿鉆車關(guān)鍵部件的設(shè)計進(jìn)行了探討，特別是對電纜自動收放系統(tǒng)、除塵系統(tǒng)、臨時支護(hù)系統(tǒng)等方面存在的問題提出了滿足實際工況的解決方案。筆者的研究為今后錨桿鉆車的研發(fā)、設(shè)計與使用起到了一定借鑒作用。

［1］ 祁玉寧.新型錨桿鉆車的研制及應(yīng)用［J］.煤礦機(jī)械，2012（12）：86－89.

［2］ 張幼振.我國煤礦錨桿鉆車的應(yīng)用現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢［J］.煤炭工程，2010（6）：101－103.

［3］ 仇衛(wèi)建，宋明江，曹瓊瓊，等.CMM4－20型中厚煤層錨桿鉆車的研制及應(yīng)用［J］.煤礦機(jī)械，2010（7）：119－120.

［4］ 魏勇剛.四臂錨桿鉆車的研制及應(yīng)用［J］.煤炭科學(xué)技術(shù)，2006（10）：56－59.

［5］ 馬有財.塔山礦全液壓錨桿鉆車的開發(fā)與應(yīng)用［J］.煤炭工程，2011（1）：31－32.

［6］ 劉 靜，馬長樂.高瓦斯大斷面綜掘巷道液壓錨桿鉆車試驗研究［J］.煤礦機(jī)械，2009（1）：6－7.

［7］ 侯相華.錨桿鉆車機(jī)載干式除塵系統(tǒng)設(shè)計［J］.煤礦機(jī)械，2009（1）：24－26.

Discussion of Key Parts Design of Mining Anchor Drill Rig

HU Lin1，ZUO Kai－h(huán)ong2，ZHU Dian－rui2，3，GAO Zhi－jing1

（1.Liyazhuang Coal Mine of Huozhou Coal，Linfen Shanxi 031400，China；2.Taiyuan Heavy Machinery Group Co.，Ltd，Steel Rolling Equipment Branch，Taiyuan Shanxi 030024，China；3.College of Mechanical Engineering，Taiyuan University of Technology，Taiyuan Shanxi 030024，China）

Taking mine anchor drill rig as the research object，and the virtual model of drill rig in UG environment is estab?lished，then the stress and deformation are analyzed for drill rig key－module frame in the UG senior simulation environment，then the stability of drill rig，the strength of frame，dust removal system，automatic cable release system in the design process encountered problems are analyzed.Through the analysis，the anchor drill rig has stable performance，reasonable design，and can meet the requirement.

anchor drill rig；UG；stress and deformation；stability

TD163

A

1007－4414（2013）04－0113－03

2013－06－11

胡 琳（1986－），女，山西文水人，助理工程師，主要從事工程測量方面的研究工作。

朱殿瑞（1985－），男，山西祁縣人，碩士，主要從事機(jī)械設(shè)計及制造工藝方面的研究工作。