煤礦懸臂式掘進機伸縮結(jié)構(gòu)的設(shè)計

胡亮亮

（潞安集團五陽煤礦， 山西 長治 046205）

1 懸臂式掘進機的主要分類

懸臂式掘進機是集煤巖破碎、裝載和轉(zhuǎn)運為一體的多功能現(xiàn)代化機械設(shè)備，主要用于煤、半煤巖或巖石巷道的掘進。懸臂式掘進機按重量分為特輕型、輕型、中型和重型四類，按工作機構(gòu)截割煤巖的方式不同分為縱軸式和橫軸式掘進機。目前，縱軸式掘進機是我國煤礦巷道掘進的主要設(shè)備，根據(jù)其截割機構(gòu)能否伸縮，可分為伸縮和不伸縮兩種結(jié)構(gòu)[1]。伸縮結(jié)構(gòu)能夠把截割頭經(jīng)由其伸縮性能，穿入煤壁，此時不需要掘進機的行走機構(gòu)，便可給予較強的鉆進力，此外如若掘進機還擁有伸縮結(jié)構(gòu)，那么將便于掏柱窩、挖水溝和通過懸臂伸縮輔助掘進機調(diào)動，適應(yīng)性更好[2]。沒有伸縮結(jié)構(gòu)的采掘機在施工作業(yè)過程中，應(yīng)當(dāng)輔助行走機構(gòu)的動力，才能將截割頭傳入煤壁。此時進行截割作業(yè)，采掘機應(yīng)當(dāng)進行經(jīng)常的調(diào)整，其嚴(yán)重?fù)p壞了巷道底板。另外，由于履帶機構(gòu)的動豁著系數(shù)小于靜豁著系數(shù)，在巖巷掘進，尤其是大坡度巖巷掘進時，掘進機履帶更易打滑，從而導(dǎo)致掘進機不能滿足正常工作的要求。

掘進機伸縮結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，可靠性不高，掘進機甚至?xí)霈F(xiàn)扭轉(zhuǎn)力矩現(xiàn)象，這是由于截割頭（縱軸式掘進機）的供給力度較大。當(dāng)前，半煤巖巷掘進機（中小功率）占據(jù)了我國縱軸掘進機（可伸縮式）的重要市場，其中巖巷重型掘進機（大功率）則選擇了不可伸縮式[3]。

2 懸臂式掘進機現(xiàn)用伸縮結(jié)構(gòu)

圖1 套筒伸縮式懸臂

目前，國內(nèi)掘進機截割伸縮結(jié)構(gòu)主要采用套筒伸縮式，見圖1。截割減速器和截割電機相對固定不動，軸向伸縮主要基于套筒式伸縮臂完成。伸縮臂的組成通常包括外筒、保護筒、花鍵套、伸縮油缸、主軸、內(nèi)筒、導(dǎo)向塊以及導(dǎo)向鍵，基于伸縮油缸的指引和帶動，截割頭、主軸、內(nèi)筒和保護筒可沿軸向伸縮，伸縮內(nèi)筒和花鍵套與減速器聯(lián)接相對固定不動，導(dǎo)向鍵起內(nèi)筒和保護筒的周向定位和伸縮導(dǎo)向作用。該種截割伸縮結(jié)構(gòu)在200 kW 以上大功率重型巖巷掘進機中至今未被采用，分析原因有以下幾點：

1）懸臂為套筒伸縮式，套筒置于截割頭后端，限于尺寸要求，套筒不能設(shè)計過大，套筒伸出時剛性不足，抗振能力差。

2）各套筒之間浸油潤滑，套筒伸出工作時，由于振動大，密封容易失效，且密封件更換困難；另外伸縮套筒需使用透氣塞透氣，如若透氣塞出現(xiàn)擁堵狀況，則會造成過高的內(nèi)腔壓力，使得密封功能得到損毀。一旦密封性受損，灰塵更加容易進入套筒中，進而損毀伸縮套筒。

3）懸臂套筒置于工作機構(gòu)前端，工作環(huán)境惡劣，套筒鍍鉻表面極易被碎石砸壞剝落，導(dǎo)致套筒伸縮副損壞。

4）套筒伸縮時，主軸尾端花鍵為動聯(lián)接，在重載荷作用下移動，花鍵容易過度磨損[4]。

5）導(dǎo)向塊和導(dǎo)向鍵受結(jié)構(gòu)所限，尺寸較小，在沖擊振動載荷下容易變形開焊。

3 新型伸縮形式的結(jié)構(gòu)設(shè)計與強度分析

3.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

為解決套筒伸縮形式在大功率重型巖巷掘進機無法使用的問題，現(xiàn)設(shè)計一種新型伸縮結(jié)構(gòu)，伸縮形式采用矩形伸縮結(jié)構(gòu)，如圖2 所示，伸縮結(jié)構(gòu)位于整個截割部尾端，方箱式叉形架和固定在截割減速器及截割電機外殼上的方形內(nèi)殼體構(gòu)成伸縮副。方箱式叉形架聯(lián)接在掘進機機身的回轉(zhuǎn)臺上，伸縮時通常不動，基于雙伸縮油缸的指引和帶動，截割臂、截割頭、截割電機、截割減速器共同完成伸縮。

方箱式叉形架和方形內(nèi)殼體位于整個截割部尾端，結(jié)構(gòu)尺寸受截割頭尺寸限制小，結(jié)構(gòu)尺寸遠大于前端布置的圓形套筒，可解決伸出工作時剛性和強度不足問題。方箱式伸縮副采用開式結(jié)構(gòu)，摩擦副銼基脂潤滑，不存在密封易損壞問題。伸縮時，截割電機和截割減速器隨截割頭一起伸縮，主軸花鍵不再參與伸縮，由動聯(lián)接變?yōu)殪o聯(lián)接，可靠性大幅提高；雙伸縮油缸布置，推力大，伸縮副受載相對均勻平穩(wěn)，偏磨小。

該伸縮形式結(jié)構(gòu)簡單，主要結(jié)構(gòu)件強度大、可靠性高，但方箱結(jié)構(gòu)加工工藝性較差，伸縮副如采用全面積接觸很難保證。為解決工藝性問題，分別設(shè)計耐磨條及耐磨塊。耐磨塊與耐磨條之間間隙通過壓塊可調(diào)，以保證安裝后伸縮順暢、承載均勻無偏磨，且便于使用過程中適度磨損后間隙補償和過度磨損后更換耐磨塊。耐磨塊和耐磨條使用具有一定自潤滑能力的高強度耐磨材料，摩擦因數(shù)低，使用銼基脂潤滑，注油方式采用集中潤滑。

3.2 矩形伸縮結(jié)構(gòu)的強度分析

在矩形伸縮結(jié)構(gòu)中，叉形架承受截割頭工作時的反向載荷，載荷通過耐磨塊與耐磨條之間的壓力傳遞。叉形架等主要受力結(jié)構(gòu)件受空間限制較小，通過設(shè)計很容易滿足強度要求。

4 結(jié)語

設(shè)計了一種新型伸縮結(jié)構(gòu)，在改善伸縮結(jié)構(gòu)強度、剛度的基礎(chǔ)上，通過特殊的設(shè)計解決了方箱式結(jié)構(gòu)加工工藝性差的問題。通過設(shè)計分析，確保該結(jié)構(gòu)的可靠性、穩(wěn)定性，為解決巖巷縱軸掘進機長期以來無法實現(xiàn)懸臂伸縮功能的問題提供了新的思路。