大采高滾筒采煤機(jī)連桿式油缸護(hù)板系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

劉澤平，徐貴旭

(1.礦山采掘裝備及智能制造國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 山西 太原 030032； 2.太重煤機(jī)有限公司 技術(shù)中心， 山西 太原 030032； 3.山西鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 山西 太原 030013)

現(xiàn)代長壁工作面采煤機(jī)是綜采工作面關(guān)鍵設(shè)備之一，采煤機(jī)每個(gè)零部件直接影響著采煤機(jī)的正常工作乃至整個(gè)工作面的正常生產(chǎn)。在中厚、特厚煤層開采中，由于采煤機(jī)機(jī)身大、產(chǎn)量高，為了保證過煤空間等結(jié)構(gòu)因素，提升油缸經(jīng)常被設(shè)計(jì)于機(jī)身上方，擋矸裝置下方，但因?yàn)閾u臂需要?jiǎng)幼?，油缸活塞桿伸出時(shí)，會伸出擋矸裝置保護(hù)范圍，暴露在支架下方。同時(shí)由于提升油缸距離煤壁近，很容易被片幫或者落煤砸壞油缸活塞桿，所以采煤機(jī)必須設(shè)置擋矸油缸護(hù)板系統(tǒng)。

隨著大采高滾筒采煤機(jī)機(jī)面高度、寬度等基本尺寸的增大，搖臂及其旋轉(zhuǎn)范圍增大，油缸護(hù)板系統(tǒng)也隨著防護(hù)要求，面積及活動范圍增大，這對油缸護(hù)板系統(tǒng)的隨動性、適應(yīng)性提出了更高要求。傳統(tǒng)的軟材料搭掛式防護(hù)容易與油缸活塞發(fā)生摩擦，損壞活塞桿的鍍鉻層，見圖1. 而油缸滑移式護(hù)板滑動軌道長，致使滑動中容易出現(xiàn)憋卡，軌道容易被煤粉污染而失去滑軌效果，被砸后容易變形，失去滑移能力，見圖2. 因此，設(shè)計(jì)一種體積輕巧、隨動靈活、承載力高、可靠性更高的油缸護(hù)板裝置是必要的[1-3]. 本文利用四連桿機(jī)構(gòu)原理，通過對空間的合理利用，對受力的精確計(jì)算，設(shè)計(jì)一種搖臂本身作為主動件的四連桿提升油缸護(hù)板系統(tǒng)，以解決傳統(tǒng)無防護(hù)、滑移式防護(hù)、軟材料搭掛式防護(hù)系統(tǒng)的問題，提高效率的同時(shí)，降低生產(chǎn)成本，提高系統(tǒng)的可靠性。

圖1 采煤機(jī)油缸柔性防護(hù)圖

圖2 滑移式油缸護(hù)板系統(tǒng)圖

1 機(jī)構(gòu)分析與模型建立

根據(jù)采煤機(jī)實(shí)物結(jié)構(gòu)，在大尺寸、大采高采煤機(jī)提升油缸活塞桿保護(hù)機(jī)構(gòu)中，創(chuàng)新式采用連桿機(jī)構(gòu)，不設(shè)軌道，護(hù)板運(yùn)行軌跡受連桿約束，不用軟材料，可隨著搖臂旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)對提升油缸活塞桿的跟蹤保護(hù)。搖臂下降時(shí)油缸護(hù)板工作示意圖見圖3. A點(diǎn)為搖臂與機(jī)身鉸接點(diǎn)，為固定點(diǎn)，B′點(diǎn)為搖臂與提升油缸活塞桿鉸接點(diǎn)，隨著活塞桿伸縮，繞著A點(diǎn)做圓周運(yùn)動，B點(diǎn)為托架固定鉸接座與油缸護(hù)板的鉸接點(diǎn)，B點(diǎn)與B′點(diǎn)位置相對固定，隨著搖臂繞A點(diǎn)做圓周運(yùn)動，C點(diǎn)為油缸護(hù)板與搖桿的鉸接點(diǎn)，繞D點(diǎn)做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，D點(diǎn)為搖桿與機(jī)身的鉸接點(diǎn)，D點(diǎn)在機(jī)身上表面放置，由此形成一個(gè)以AB、CD為搖桿，BC為連桿，AD為機(jī)架的雙搖桿機(jī)構(gòu)。根據(jù)實(shí)際防護(hù)需求，設(shè)計(jì)油缸護(hù)板長度為1 000 mm，BC鉸接點(diǎn)距離為900 mm，AB距離為搖臂固有長度1 196 mm，AD垂直距離為固定長度410 mm，AD水平距離需求出，BD、CD垂直距離均為674 mm，搖臂下降到極限位置時(shí)就是連桿機(jī)構(gòu)ABCD一個(gè)極限工作狀態(tài)。

1—機(jī)身 2—搖桿 3—油缸護(hù)板 4—提升托架(搖臂) 5—提升油缸 6—擋矸護(hù)板 7—提升油缸活塞桿 8—搖臂固定鉸接座

搖臂提升到最高位置時(shí)油缸護(hù)板工作示意圖見圖4，這時(shí)由于提升油缸縮回，油缸護(hù)板大部分都隱藏于擋矸裝置下面，連桿系統(tǒng)ABCD成為另一個(gè)極限狀態(tài)，此時(shí)BD、CD垂直距離變?yōu)?18 mm.

1—機(jī)身 2—搖桿 3—油缸護(hù)板 4—提升托架(搖臂) 5—提升油缸 6—擋矸護(hù)板 7—提升油缸活塞桿 8—搖臂固定鉸接座

2 連桿系統(tǒng)模型建立及解算

2.1 建立連桿系統(tǒng)模型

根據(jù)上述功能需求及已知尺寸，在CAXA電子圖板中建立連桿系統(tǒng)模型，見圖5. ABCD為搖臂下降到極限位置時(shí)的連桿模型，對應(yīng)圖3狀態(tài)，AB1C1D為搖臂提升到極限位置時(shí)的連桿模型，對應(yīng)圖4狀態(tài)，相當(dāng)于搖桿AB長度、連桿BC長度以及位置具已確定，只要確定搖桿CD與機(jī)架AD鉸接點(diǎn)D點(diǎn)的位置，就能使該連桿系統(tǒng)確定，且D點(diǎn)必須在水平線上，該系統(tǒng)中AB為主動件。

圖5 連桿機(jī)構(gòu)圖解法示意圖

2.2 利用圖解法解算模型

根據(jù)建立好的模型，用圖解法最簡潔快速[5]，連接CC1，然后做CC1的中垂線f，f與線h相交于一點(diǎn)，該點(diǎn)就是搖桿CD與機(jī)架AD鉸接點(diǎn)D點(diǎn)的位置。在CAXA電子圖板中測量出搖桿CD的長度為901 mm，機(jī)架AD的水平距離為992 mm，由此雙搖桿機(jī)構(gòu)ABCD便確定下來。

3 油缸護(hù)板系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

因不同采煤機(jī)采高、機(jī)身、油缸尺寸、擋矸尺寸、煤層片幫大小等實(shí)際因素的不同，油缸護(hù)板的結(jié)構(gòu)大小、形式、載荷(即油缸護(hù)板系統(tǒng)可抵抗大塊落煤撞擊的能力)的設(shè)計(jì)都會有所不同，直接影響護(hù)板的厚度，搖桿、連桿及其鉸接點(diǎn)的粗壯程度，以及材料的選取。其計(jì)算過程比較復(fù)雜，所以一般都參考經(jīng)驗(yàn)，采用空間允許下的大冗余設(shè)計(jì)來保證其可靠性，不在本論文研究范圍內(nèi)，本案中油缸護(hù)板采用鋼板Q345-A材料,厚度25 mm，斷面為半圓形，方便溜煤，內(nèi)弧面布置4個(gè)鉸接耳，分別用于與托架固定鉸接座和連桿鉸接。采用折彎加焊接鉸接耳座工藝制造，見圖6. 搖桿采用鋼板Q390-A，截面為矩形，截面積為1 800 mm2.

圖6 油缸護(hù)板結(jié)構(gòu)示意圖

4 工作簡述

滾筒下降時(shí)，提升托架和搖臂連為一體，當(dāng)采煤機(jī)滾筒需要下降時(shí)，機(jī)身上置的提升油缸活塞桿伸出，推動提升托架繞與機(jī)身的鉸接耳旋轉(zhuǎn)，提升托架帶動搖臂逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，搖臂帶動滾筒實(shí)現(xiàn)下降，與提升托架位置固定的托架固定鉸接座拉動從動件油缸護(hù)板向左移動，置于伸出的提升油缸活塞桿上方，保護(hù)活塞桿不被落煤砸壞，油缸護(hù)板末端置于擋矸護(hù)板下方，兩者無縫連接實(shí)現(xiàn)對油缸整體的防護(hù)。連桿、托架固定鉸接座各有兩個(gè)，分別置于油缸護(hù)板前后兩側(cè)，使油缸護(hù)板由4點(diǎn)支撐，增加了防護(hù)能力。

滾筒升高時(shí)，活塞桿縮回，帶動提升托架順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，帶動搖臂和滾筒上升，此時(shí)托架固定鉸接座隨著提升托架向右旋轉(zhuǎn)，推動油缸護(hù)板向右運(yùn)動。這個(gè)過程中，油缸護(hù)板始終位于活塞桿上方，對活塞桿全程防護(hù)，直至活塞桿整體縮回提升油缸后，則油缸護(hù)板置于提升油缸缸體上方，而擋矸護(hù)板位于油缸護(hù)板上方，互不干涉。

5 結(jié) 語

分析了連桿系統(tǒng)用在采煤機(jī)上置油缸保護(hù)的優(yōu)越性，并根據(jù)采煤機(jī)實(shí)際安裝條件，通過圖解法得出了連桿系統(tǒng)在油缸保護(hù)方案中的可行性是存在的，拓展了機(jī)械裝備中裸露油缸的保護(hù)方法及其設(shè)計(jì)方式。目前，對于該系統(tǒng)載荷方面的計(jì)算尚需參考經(jīng)驗(yàn)值，或通過大冗余量設(shè)計(jì)保證其可靠性，將來如果能夠建立煤塊掉落在油缸護(hù)板上的沖擊模型，得出一套較簡單易用的載荷計(jì)算方法，就可以對該系統(tǒng)各零部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化，節(jié)省資源。