坑道鉆機(jī)滑移裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與強(qiáng)度分析

趙雪鋒

【摘 要】本文針對(duì)普通鉆機(jī)無(wú)法調(diào)節(jié)機(jī)身空間位置的缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種全新的滑移裝置，該滑移裝置固連在鉆機(jī)的給進(jìn)裝置上?；蒲b置通過(guò)兩根平移油缸可以調(diào)節(jié)鉆機(jī)機(jī)身的空間位置，從而減小鉆機(jī)運(yùn)輸尺寸或?qū)崿F(xiàn)跨皮帶工作狀態(tài)，也可以調(diào)整機(jī)身位置使夾持器遠(yuǎn)離孔口從而便于安裝孔口裝置。安裝有滑移裝置的鉆機(jī)相對(duì)于普通鉆機(jī)，具有結(jié)構(gòu)緊湊、操作簡(jiǎn)單以及維修方便等優(yōu)點(diǎn)。

【關(guān)鍵詞】鉆機(jī)；滑移裝置；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；強(qiáng)度分析

0 概述

全液壓坑道鉆機(jī)是保證煤礦安全生產(chǎn)的關(guān)鍵設(shè)備之一，主要用于煤礦井下瓦斯抽（排）放孔、地質(zhì)勘探孔、防突卸壓孔及其他工程孔[1-2]施工。全液壓坑道鉆機(jī)分為普通分體鉆機(jī)和履帶式坑道鉆機(jī)。由于履帶式坑道鉆機(jī)具有操作簡(jiǎn)單可靠、搬遷方便、自動(dòng)化程度高[3]等優(yōu)點(diǎn)，成為近年的研究熱點(diǎn)，其主要由履帶車體、主機(jī)、電機(jī)泵組、油箱組件等部分組成。主機(jī)是鉆機(jī)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，用于調(diào)節(jié)鉆機(jī)的開(kāi)孔高度和鉆孔傾角。給進(jìn)裝置是主機(jī)的重要組成部分，主要由：動(dòng)力頭、機(jī)身、夾持器組成，如圖1所示。

在普通分體鉆機(jī)中，給進(jìn)裝置未配備滑移裝置，其機(jī)身空間位置無(wú)法自動(dòng)調(diào)節(jié)。當(dāng)夾持器距離孔口較近，而又需要安裝孔口裝置時(shí)，必須人工搬離鉆機(jī)，使夾持器遠(yuǎn)離孔口才可進(jìn)行，故普通鉆機(jī)調(diào)整機(jī)身空間位置時(shí)，費(fèi)時(shí)費(fèi)力。針對(duì)這一情況，本文為履帶式坑道鉆機(jī)專門設(shè)計(jì)了一種滑移裝置，該滑移裝置固連在鉆機(jī)的給進(jìn)裝置上。配備滑移裝置的給進(jìn)裝置如圖1所示。該滑移裝置具有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）自動(dòng)調(diào)整鉆機(jī)給進(jìn)裝置的空間位置，減小鉆機(jī)運(yùn)輸狀態(tài)尺寸；

（2）使鉆機(jī)實(shí)現(xiàn)跨皮帶工作狀態(tài)；

（3）自動(dòng)調(diào)整鉆機(jī)夾持器與孔口的位置，使夾持器遠(yuǎn)離孔口，便于安裝孔口裝置[4]；

（4）結(jié)構(gòu)緊湊、自動(dòng)化程度高、操作簡(jiǎn)單以及維修方便。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖2所示為普通鉆機(jī)所配備的機(jī)身，機(jī)身通過(guò)其下的兩個(gè)抱瓦固定在機(jī)架上（機(jī)架略去）。此設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但機(jī)身位置不能自動(dòng)調(diào)整。當(dāng)需要跨皮帶工作或者使夾持器遠(yuǎn)離孔口時(shí)，需人工搬移整個(gè)鉆機(jī)，效率極其低下。

為解決普通鉆機(jī)無(wú)法自動(dòng)調(diào)整給進(jìn)裝置空間位置的缺點(diǎn)，本文為履帶式坑道鉆機(jī)設(shè)計(jì)了一種新型滑移裝置，固連在機(jī)身上，如圖3所示。該滑移裝置由卡板、平移油缸、油缸座、機(jī)身?yè)醢褰M成。通過(guò)該滑移裝置，鉆機(jī)可自動(dòng)調(diào)整給進(jìn)裝置的空間位置，從而實(shí)現(xiàn)跨皮帶工作或使夾持器遠(yuǎn)離孔口。

本文所指的履帶式坑道鉆機(jī)對(duì)最低開(kāi)孔高度有硬性要求，在保證最低開(kāi)孔高度的前提條件下，可適當(dāng)增加給進(jìn)裝置的寬度。由此，平移油缸不能布置在給進(jìn)裝置下方，這樣會(huì)使其最低開(kāi)孔高度變高。故平移油缸應(yīng)對(duì)稱布置于給進(jìn)裝置兩側(cè)。為方便拆卸維修，平移油缸通過(guò)獨(dú)立的油缸座用螺栓固連在機(jī)身上。在進(jìn)行滑移裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，也應(yīng)綜合考慮鉆機(jī)膠管的使用問(wèn)題。若將平移油缸缸筒固連在機(jī)身?yè)醢迳?，將活塞桿固連在機(jī)身卡板上，當(dāng)平移油缸動(dòng)作時(shí)，連接在缸筒上的膠管會(huì)隨機(jī)身的移動(dòng)而運(yùn)動(dòng)，這既影響美觀又會(huì)加劇膠管的磨損，減少了膠管的使用壽命。若將平移油缸缸筒固連在機(jī)身卡板上，而將活塞桿固連在機(jī)身?yè)醢迳希?dāng)平移油缸動(dòng)作時(shí)，連接在缸筒上的膠管固定不動(dòng)，這既保證鉆機(jī)膠管整齊布置又減少了膠管的磨損。通過(guò)分析，第二個(gè)方案更具有合理性，故選用此結(jié)構(gòu)。機(jī)身?yè)醢蹇梢曌饕粋€(gè)懸臂梁結(jié)構(gòu)，其頻繁承受平移油缸的作用力，機(jī)身?yè)醢鍛?yīng)保證在承受平移油缸最大作用力時(shí)不會(huì)發(fā)生永久變形。當(dāng)機(jī)身?yè)醢灏l(fā)生永久變形時(shí)，就會(huì)影響滑移裝置功能的實(shí)現(xiàn)，故應(yīng)對(duì)其進(jìn)行強(qiáng)度分析。機(jī)身?yè)醢遄鳛榛蒲b置中最薄弱的環(huán)節(jié)，對(duì)其進(jìn)行強(qiáng)度分析，可視為對(duì)滑移裝置進(jìn)行強(qiáng)度分析。當(dāng)平移油缸達(dá)到最大行程時(shí)，機(jī)身?yè)醢逅惺艿淖饔昧ψ畲?，此時(shí)平移油缸工作壓力為21MPa，機(jī)身?yè)醢逅惺茏畲笞饔昧Φ挠?jì)算公式為：

2 強(qiáng)度分析

對(duì)滑移裝置進(jìn)行強(qiáng)度分析時(shí)，考慮到使用有限元軟件可將分析結(jié)果形象直觀的表達(dá)出來(lái)，本文使用ANSYS對(duì)滑移裝置進(jìn)行強(qiáng)度分析。為便于分析，需將模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，將給進(jìn)裝置中無(wú)關(guān)緊要零件剔除后，將簡(jiǎn)化模型導(dǎo)入有限元軟件。

在簡(jiǎn)化模型中，機(jī)架視為固定不動(dòng)，對(duì)其施加固定約束；機(jī)身?yè)醢迨軆蓚€(gè)平移油缸的作用力，值為105kN，對(duì)其施加兩個(gè)值為105kN的力。對(duì)簡(jiǎn)化模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，劃分結(jié)果如圖4所示。

網(wǎng)格劃分完畢，對(duì)模型進(jìn)行求解分析，應(yīng)力圖與位移圖如圖5、圖6所示。

機(jī)身?yè)醢宀牧蠟?5鋼，其屈服強(qiáng)度為345MPa，由圖5、圖6可看出，機(jī)身?yè)醢逅茏畲髴?yīng)力為529MPa，大于45鋼屈服強(qiáng)度；機(jī)身?yè)醢遄畲笞冃螢?.1mm，此變形為永久變形，并隨時(shí)間逐漸變大，進(jìn)而影響滑移裝置功能的實(shí)現(xiàn)。因此，需要對(duì)滑移裝置進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)。從設(shè)計(jì)理念考慮，應(yīng)優(yōu)先考慮焊接筋板從而增加機(jī)身?yè)醢宓目箯潖?qiáng)度，而非增加機(jī)身?yè)醢搴穸?。?duì)滑移裝置進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，增加筋板，并進(jìn)行強(qiáng)度分析，其結(jié)果如圖7、圖8所示。

由圖7可知，優(yōu)化改進(jìn)增加筋板后，機(jī)身?yè)醢宓目箯潖?qiáng)度明顯增加，其最大應(yīng)力約為263MPa，小于45鋼的屈服強(qiáng)度。由圖8可知，機(jī)身?yè)醢遄畲笞冃瘟繛?.3772mm，又因?yàn)闄C(jī)身?yè)醢遄畲髴?yīng)力小于45鋼屈服強(qiáng)度，故此變形為非永久變形。經(jīng)過(guò)以上分析可知，在不增加機(jī)身?yè)醢搴穸鹊那闆r下，通過(guò)焊接筋板來(lái)提高滑移裝置的強(qiáng)度是非常有效的。

3 結(jié)論

本文對(duì)鉆機(jī)滑移裝置進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與強(qiáng)度分析，并對(duì)其進(jìn)行了優(yōu)化，得到如下結(jié)論：

（1）滑移裝置使鉆機(jī)能夠自動(dòng)調(diào)節(jié)給進(jìn)裝置的空間位置，使夾持器遠(yuǎn)離孔口便于安裝孔口

裝置，操作簡(jiǎn)單、維修方便；

（2）滑移裝置的組成部分——機(jī)身?yè)醢?，初次設(shè)計(jì)不能滿足滑移裝置的強(qiáng)度要求，會(huì)發(fā)生永久變形，本文在不增加機(jī)身?yè)醢搴穸鹊那闆r下，通過(guò)增加筋板，明顯提高了機(jī)身?yè)醢宓目箯潖?qiáng)度，使其滿足使用要求。

【參考文獻(xiàn)】

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[責(zé)任編輯：張濤]