礦用液壓退錨車剖切機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

于進(jìn) 張東海

摘要： 針對礦下作業(yè)環(huán)境復(fù)雜，CYT-1000/63/80Y 型礦用液壓退錨車剖切機(jī)構(gòu)泛用性小，且無法用于底部錨索炸裂的鎖具剖切等問題，提出具有定位裝置、足夠行程的新型機(jī)構(gòu)，同時對剖切機(jī)構(gòu)進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，留出錨具底部空間，采用刃刀具和圓弧刀具組合的方式，在剖切的同時實(shí)現(xiàn)定位功能簡化結(jié)構(gòu)，增加剖切機(jī)構(gòu)泛用性和剖切精度。通過理論計(jì)算和Ansys 有限元分析的方法對機(jī)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行校核和驗(yàn)證。

關(guān)鍵詞： 煤礦 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 剪切退錨 有限元分析

中圖分類號： TD353 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1672-3791（2023）24-0112-04

根據(jù)《2018 煤炭行業(yè)發(fā)展年度報告》，2018 年全國原煤產(chǎn)量36.8 億t［1］。中國作為一個煤炭資源豐富、煤炭消費(fèi)總量大的國家，降低煤礦開采成本、提高開采效率、保障礦下工作人員施工安全具有重要意義［2］。

當(dāng)前礦井內(nèi)采用的退錨設(shè)備主要為千斤頂式礦用退錨機(jī)，如圖1 所示。該設(shè)備通過加壓頂起錨索的錨具與頂板，從而使錨索內(nèi)部錨具與外套分離，實(shí)現(xiàn)退錨。

該類設(shè)備具有以下幾個缺點(diǎn)［3-4］。

（1）可靠性低。千斤頂加壓大小需要操作人員通過個人經(jīng)驗(yàn)判斷。錨索底部有時會炸裂散開，如圖2所示，從而影響退錨千斤頂?shù)陌惭b。

（2）人工勞動強(qiáng)度大，對勞動力需求高。因?yàn)榈V巷高度原因，在退錨時，工作人員需要通過梯子等設(shè)備，攀爬到礦巷頂部進(jìn)行作業(yè)，一般需要多名人員配合作業(yè)。

（3）具有一定危險性。退錨過程中操作人員需要攀爬靠近錨索錨具安裝千斤頂，如果發(fā)生意外，工作人員無法及時撤離就不能保證自身安全。

為提高作業(yè)效率與可靠性，保障操作人員工作安全，針對傳統(tǒng)千斤頂式礦用退錨機(jī)的缺點(diǎn)，采用礦用退錨車，并在退錨車上安裝剪切刀具來實(shí)現(xiàn)退錨。

1 礦用液壓退錨車主要技術(shù)特點(diǎn)

CYT-1000/63/80Y 型礦用液壓退錨車如圖3 所示，采用液壓履帶式車身，需要操作人員遠(yuǎn)程遙控操作。通過剖切刀具縱向?qū)Π肫是绣^索錨具或者錨桿螺母。車身上帶有折疊伸縮臂，能將剖切機(jī)構(gòu)送至指定位置，伸縮臂頂端帶有旋轉(zhuǎn)油缸能調(diào)整剖切刀具和隨錨索錨具所在位置的角度，并通過定位機(jī)構(gòu)保證剖切時刀刃始終處于正確位置。

礦用液壓退錨車的主要技術(shù)特點(diǎn)具體如下。

（1）車身緊湊化設(shè)計(jì)，井下通過能力強(qiáng)。（2）剖切力大，最大剖切力達(dá)1 000 kN。（3）遠(yuǎn)程精確遙控，提高工作效率，降低人工勞動強(qiáng)度。（4）安全系數(shù)高。操作人員遠(yuǎn)離危險源，并且配有礦用車載式甲烷斷電器。這種斷電器具有瓦斯超限報警并自動切斷電源的功能。（5）冷卻噴霧功能。退錨車上帶有噴嘴對剖切部位進(jìn)行噴霧，實(shí)現(xiàn)冷卻、降低局部瓦斯?jié)舛?、消除火花等功能。?）多功能平臺。模塊化設(shè)計(jì)能實(shí)現(xiàn)錨索錨具剖切、錨桿螺母剖切、登高作業(yè)平臺等模塊的安裝與拆除功能。

2 剖切機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.1 問題提出

原始剖切機(jī)構(gòu)如圖4所示，該機(jī)構(gòu)利用液壓油缸進(jìn)行驅(qū)動，油缸推力最大為1 000 kN，剖切部位左右兩面為剖切刀頭。因?yàn)槠是袝r需要刀頭精確定位到錨具中線，若偏差過大，則無法剖切開錨具并且刀頭會因此損壞，所以背面裝有定位活塞，而正面留出空間供剖切機(jī)構(gòu)靠近錨索錨具。當(dāng)機(jī)構(gòu)靠近錨具之后，機(jī)構(gòu)背面的定位油缸推動定位活塞，微調(diào)剖切機(jī)構(gòu)位置，使得錨具中線對準(zhǔn)刀頭。而當(dāng)錨索錨具如圖2所示，錨索底部散開時，錨具無法套入剖切機(jī)構(gòu)中，無法進(jìn)行剖切作業(yè)。

針對該問題，對剖切機(jī)構(gòu)進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，新機(jī)構(gòu)需滿足以下要求：（1）最大剖切力為1 000 kN；（2）有足夠的剖切行程；（3）機(jī)構(gòu)需裝有定位裝置，保證刀頭能對準(zhǔn)錨具中線；（4）機(jī)構(gòu)需留出空間應(yīng)對錨索底部散開的情況。

2.2 剖切機(jī)構(gòu)優(yōu)化方案

優(yōu)化后的剖切機(jī)構(gòu)如圖5 所示，該機(jī)構(gòu)同樣為液壓油缸驅(qū)動，主要由油缸、傳動連桿、支撐軸橫欄支架、滑動軸和一組刀頭組成。滑動軸一端裝有刀頭，另一端裝有球形鉸鏈，鉸鏈底面與傳動連桿面接觸。橫欄支架上裝有一對軸承來支撐滑動軸。軸承與滑動軸一端套有彈簧，用于使滑動軸不受外力時恢復(fù)原位［5］。

一組刀頭中，一個為刃刀具，用于剖切錨具，另一個為圓弧刀具，用于定位錨具。當(dāng)剖切機(jī)構(gòu)靠近錨具時，先用圓弧刀具貼靠錨具進(jìn)行定位，之后啟動油缸進(jìn)行剖切。

進(jìn)行剖切時，油缸推動傳動連桿繞著定位軸轉(zhuǎn)動，連桿另一端推動滑動軸，帶動刀頭進(jìn)刀進(jìn)行剖切。退刀時，油缸收縮，連桿沿反方向轉(zhuǎn)動，與滑動軸分離，彈簧自動釋放推動滑動軸返回原位。

該結(jié)構(gòu)將傳動連桿的轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)變?yōu)榛瑒訔U的平動，保證機(jī)構(gòu)剖切時，兩個刀頭與錨具接觸始終為線或者面接觸，減小刀頭尖端受力不均帶來的應(yīng)力集中，使得刀頭不易被損壞。橫欄支架為中空結(jié)構(gòu)，錨具底部的錨索長度一般在30 cm 以內(nèi)，而中空結(jié)構(gòu)保證當(dāng)錨索底部散開時，錨具仍能套進(jìn)剖切機(jī)構(gòu)中。同時，剖切位置前后兩面沒有遮擋物，更方便了機(jī)構(gòu)靠近錨具。

2.3 剖切機(jī)構(gòu)定位軸強(qiáng)度理論計(jì)算

該機(jī)構(gòu)對強(qiáng)度要求較高的部位有兩個，一是刀頭，二是固定傳動連桿的定位軸。其中定位軸強(qiáng)度可以進(jìn)行初步理論計(jì)算。

在剖切時，傳動連桿的受力來源主要有3個。（1）油缸對連桿水平F2方向的推力F1，根據(jù)油缸參數(shù)，油缸最大為1 000 kN。（2）連桿推動滑動軸時的水平反作用力。（3）定位軸對連桿的支撐力F3，因油缸推力遠(yuǎn)大于連桿自身重力，所以忽略連桿重力，支撐力F3主要為保證連桿只轉(zhuǎn)動，不平動的水平支撐力。定位軸到油缸的垂直高度為H1=220 mm，定位軸到滑動軸的垂直高度為H2=180 mm。

根據(jù)連桿力臂公式計(jì)算F2和F3。

F1H1 = F2H2 （1）

F3 = F1 + F2 （2）

上式得到：F2 = 1 233 kN，F(xiàn)3 = 2 233 kN。

定位軸與傳動連桿的相互作用力約為2 233 kN。而定位軸可以視作為兩端固定且中間懸空的圓柱梁，定位軸的直徑為D= 60 mm，中間懸臂長度為l = 60 mm。載荷F3均勻分布在懸臂梁上，則圓柱梁的最大彎矩為

應(yīng)力σmax = 790 MPa，取軸的安全系數(shù)為［S］ = 1.3，所選軸的表面屈服極限應(yīng)大于σs = 1 027 MPa。軸在加工過程中，可以進(jìn)行淬火處理以保證軸的表面硬度符合要求。

3 有限元分析結(jié)果

為進(jìn)一步驗(yàn)證剖切機(jī)構(gòu)強(qiáng)度，尤其是軸和刀具的強(qiáng)度，利用ANSYS 軟件采用靜態(tài)仿真的方式對剖切過程進(jìn)行有限元分析［6］。材料選擇如42CrMo、65Mn 在內(nèi)的合金鋼，因?yàn)榧庸み^程中需要調(diào)質(zhì)或者淬火處理提高硬度，所以根據(jù)德國標(biāo)準(zhǔn)DIN50150，將加工處理后的洛氏硬度對應(yīng)的抗拉強(qiáng)度等參數(shù)帶入Ansys 材料參數(shù)中。

通過給轉(zhuǎn)動連桿與油缸連接處施加1 000 kN 左右的水平力來模擬剖切過程，應(yīng)力分布云圖如圖6所示。

從圖6（a）中可以得知，應(yīng)力最大處位于傳動連桿上方彎曲處［7］，最大應(yīng)力達(dá)2 400 MPa；從圖6（b）中可知，刀具組等效應(yīng)力最大約為960 MPa；從圖6（c）中可知，定位軸最大等效應(yīng)力約為1 300 MPa。

根據(jù)德國標(biāo)準(zhǔn)DIN50150，當(dāng)洛氏硬度達(dá)HRC53-58 時，抗拉強(qiáng)度約為1 900～2 500 MPa。僅從仿真結(jié)果來看，連桿部分的最大應(yīng)力接近極限值。為保證結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，連桿結(jié)構(gòu)還需進(jìn)一步優(yōu)化來降低應(yīng)力分布。傳動軸若需進(jìn)一步減小最大應(yīng)力，可以進(jìn)一步加大傳動軸直徑來減小對加工工藝的需求。當(dāng)?shù)毒咦畲髴?yīng)力小于1 000 MPa 時，工件淬火處理后就能滿足強(qiáng)度需求。

4 結(jié)語

本文針對CYT-1000/63/80Y 型礦用液壓退錨車剖切機(jī)構(gòu)泛用性小，無法用于底部錨索炸裂的鎖具剖切等問題，對剖切機(jī)構(gòu)進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，留出錨具底部空間，采用刃刀具和圓弧刀具組合的方式，在剖切的同時實(shí)現(xiàn)功能定位和結(jié)構(gòu)簡化，增加了剖切機(jī)構(gòu)泛用性。通過理論計(jì)算和有限元分析的方式對機(jī)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行驗(yàn)證。根據(jù)仿真結(jié)果，刀具與軸的強(qiáng)度滿足要求，而傳動連桿的結(jié)構(gòu)還需進(jìn)一步優(yōu)化來減小應(yīng)力集中。

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