尹中會,孫紅賢,張安寧,陶永芹
(1.安徽理工大學(xué) 機械工程學(xué)院, 安徽 淮南 232001; 2.凱盛重工有限公司, 安徽 淮南 232058)
鉆裝機在炮掘工作面的應(yīng)用不僅減輕了工人的勞動強度,而且提高了工作面的掘進速度,學(xué)者們對鉆裝機進行了大量的研究[1-2],主要體現(xiàn)在適用于井下大傾角的鉆裝機的應(yīng)用,鉆裝機的仿真試驗研究及優(yōu)化設(shè)計[3-5]。為進一步提高掘進效率,可采用鉆裝錨一體機完成鉆炮眼、裝矸石、打錨眼的工作。由于要求該一體機能夠同時裝載和打眼,因此,該機工作時的整機穩(wěn)定性十分重要,需要對其不同工況下整機受力及其穩(wěn)定性進行分析。
鉆裝錨一體機基本結(jié)構(gòu)如圖1所示,其主要由鑿巖裝置、扒斗裝置、鏟斗裝置、刮板輸送機、行走裝置、機身部及水、液壓、電氣系統(tǒng)等組成,鑿巖裝置用于鉆眼,扒斗及鏟斗裝置用于裝載,刮板輸送機用于轉(zhuǎn)運,行走裝置用于調(diào)動及支撐,機身部用于連接各裝置并形成整機。
鉆裝錨一體機一般不設(shè)置錨固裝置,因此在受到較大作用力時可能會產(chǎn)生移動或局部離地。其在工作時主要有扒裝轉(zhuǎn)運工況、鉆眼工況和綜合工況,但在扒裝轉(zhuǎn)運工況所受扒斗的反作用力最大,因此,以該工況下進行分析計算。
1-扒斗裝置;2-鑿巖裝置;3-鏟斗裝置;4-機身;5-行走裝置;6-水、液壓系統(tǒng);7-電氣系統(tǒng);8-刮板輸送機。圖1 鉆裝錨一體機基本結(jié)構(gòu)
扒斗垂直下挖時整機受力如圖2所示。
圖2 扒斗垂直下挖時整機受力示意圖
根據(jù)受力平衡方程可得當(dāng)整機在Fv作用下,機身不產(chǎn)生后仰和側(cè)傾的條件為:
(1)
式中:Fv為扒斗垂直下挖力,N,可由扒裝裝置幾何參數(shù)及各油缸提高的最大力確定;G為整機總重量,N;L為扒斗臂最大長度,m;α為扒斗臂的回轉(zhuǎn)角度;A為整機重心與后支撐之間的距離,m;B為行走裝置的支撐寬度,m;C為整機重心與扒斗臂回轉(zhuǎn)點之間的距離,m。
圖2中,R為底板對整機的支撐力,N。
因為式(1)中α是一個變量,其絕對值在0~αmax之間變化,出于安全起見,并考慮一定的安全系數(shù),式(1)應(yīng)改變?yōu)?/p>
(2)
式中:k為備用系數(shù),一般可取k=1~1.2。
經(jīng)整理后可得扒斗垂直下挖力應(yīng)滿足式(3)要求。
(3)
扒斗水平內(nèi)扒時整機受力如圖3所示。
圖3 扒斗水平內(nèi)扒時整機受力示意圖
根據(jù)受力平衡方程可得當(dāng)整機在Fhi作用下,機身不產(chǎn)生平移和水平轉(zhuǎn)動的條件為:
(4)
式中:Fhi為扒斗水平內(nèi)扒力,N,可由扒裝裝置幾何參數(shù)及各油缸提高的最大力確定;μ為整機與底板之間的摩擦因數(shù)。
同理,出于安全起見,并考慮一定的安全系數(shù),式(4)應(yīng)改為:
(5)
經(jīng)整理后可得扒斗水平內(nèi)扒力應(yīng)滿足式(6)要求。
(6)
扒斗水平橫扒時整機受力如圖4所示。
根據(jù)受力平衡方程可得當(dāng)整機在Fhc作用下,機身不產(chǎn)生平移和水平轉(zhuǎn)動的條件為:
(7)
式中:Fhc為扒斗水平橫扒力,N,可由扒裝裝置幾何參數(shù)及各油缸提供的最大力確定。
圖4 扒斗水平橫扒時整機受力示意圖
同理,同理,出于安全起見,并考慮一定的安全系數(shù),式(7)應(yīng)改變?yōu)?/p>
(8)
經(jīng)整理后可得
(9)
故扒斗水平橫扒力應(yīng)滿足式(9)要求。
為保證鉆裝錨一體機的整機穩(wěn)定,應(yīng)使其在設(shè)計時就應(yīng)滿足式(3)、式(6)、式(9)的要求,這樣整機不會局部離地或移動。因此,綜合上述3式,可得整機穩(wěn)定條件為:
(10)
由上述分析可知:
1) 鉆裝錨一體機因無錨固裝置無法與底板形成可靠附著力,在工作過程中存在移動或局部離地的可能;
2) 扒斗裝置中扒斗產(chǎn)生的力較大,對整機產(chǎn)生的反作用力也較大,因此,在扒裝轉(zhuǎn)運工況下最易發(fā)生整機移動;
3) 為保證鉆裝錨一體機的穩(wěn)定運行,不發(fā)生移動或局部離地,設(shè)計中應(yīng)使扒斗產(chǎn)生的力滿足式(10)要求,否則應(yīng)配重塊。