鉆裝錨一體機(jī)整機(jī)穩(wěn)定性分析

尹中會，孫紅賢，張安寧，陶永芹

(1.安徽理工大學(xué) 機(jī)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)

0 引言

鉆裝機(jī)在炮掘工作面的應(yīng)用不僅減輕了工人的勞動強(qiáng)度，而且提高了工作面的掘進(jìn)速度，學(xué)者們對鉆裝機(jī)進(jìn)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(jī)的應(yīng)用，鉆裝機(jī)的仿真試驗(yàn)研究及優(yōu)化設(shè)計[3-5]。為進(jìn)一步提高掘進(jìn)效率，可采用鉆裝錨一體機(jī)完成鉆炮眼、裝矸石、打錨眼的工作。由于要求該一體機(jī)能夠同時裝載和打眼，因此，該機(jī)工作時的整機(jī)穩(wěn)定性十分重要，需要對其不同工況下整機(jī)受力及其穩(wěn)定性進(jìn)行分析。

1 鉆裝錨一體機(jī)基本結(jié)構(gòu)

鉆裝錨一體機(jī)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(jī)、行走裝置、機(jī)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(jī)用于轉(zhuǎn)運(yùn)，行走裝置用于調(diào)動及支撐，機(jī)身部用于連接各裝置并形成整機(jī)。

2 鉆裝錨一體機(jī)整機(jī)受力分析計算

鉆裝錨一體機(jī)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(yùn)工況、鉆眼工況和綜合工況，但在扒裝轉(zhuǎn)運(yùn)工況所受扒斗的反作用力最大，因此，以該工況下進(jìn)行分析計算。

1-扒斗裝置；2-鑿巖裝置；3-鏟斗裝置；4-機(jī)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(jī)。圖1 鉆裝錨一體機(jī)基本結(jié)構(gòu)

2.1 扒斗垂直下挖時整機(jī)受力分析

扒斗垂直下挖時整機(jī)受力如圖2所示。

圖2 扒斗垂直下挖時整機(jī)受力示意圖

根據(jù)受力平衡方程可得當(dāng)整機(jī)在Fv作用下，機(jī)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(jī)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(jī)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(jī)重心與扒斗臂回轉(zhuǎn)點(diǎn)之間的距離，m。

圖2中，R為底板對整機(jī)的支撐力，N。

因?yàn)槭?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)

2.2 扒斗水平內(nèi)扒時整機(jī)受力分析

扒斗水平內(nèi)扒時整機(jī)受力如圖3所示。

圖3 扒斗水平內(nèi)扒時整機(jī)受力示意圖

根據(jù)受力平衡方程可得當(dāng)整機(jī)在Fhi作用下，機(jī)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(jī)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)

2.3 扒斗水平橫扒時整機(jī)受力分析

扒斗水平橫扒時整機(jī)受力如圖4所示。

根據(jù)受力平衡方程可得當(dāng)整機(jī)在Fhc作用下，機(jī)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(jī)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。

3 鉆裝錨一體機(jī)整機(jī)穩(wěn)定條件

為保證鉆裝錨一體機(jī)的整機(jī)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(jī)不會局部離地或移動。因此，綜合上述3式，可得整機(jī)穩(wěn)定條件為：

(10)

4 結(jié)論

由上述分析可知：

1) 鉆裝錨一體機(jī)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(jī)產(chǎn)生的反作用力也較大，因此，在扒裝轉(zhuǎn)運(yùn)工況下最易發(fā)生整機(jī)移動；

3) 為保證鉆裝錨一體機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)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。