懸臂式掘進(jìn)機(jī)切割機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)分析

佟 巍 樊志家 邵 帥 吉國(guó)民（北方重工集團(tuán)有限公司，遼寧 沈陽(yáng) 110141）

懸臂式掘進(jìn)機(jī)切割機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)分析

佟 巍 樊志家 邵 帥 吉國(guó)民
（北方重工集團(tuán)有限公司，遼寧 沈陽(yáng) 110141）

摘 要：本文介紹了掘進(jìn)機(jī)切割機(jī)構(gòu)的工作原理及機(jī)構(gòu)組成，對(duì)切割機(jī)構(gòu)在不同位置受力進(jìn)行分析對(duì)比，為選擇更適合掘進(jìn)機(jī)工作的工況提供參考。

關(guān)鍵詞：懸臂式掘進(jìn)機(jī)；切割機(jī)構(gòu)；結(jié)構(gòu)形式；受力分析

懸臂式掘進(jìn)機(jī)作業(yè)工況復(fù)雜，切割機(jī)構(gòu)不僅承受擺動(dòng)阻力，切割阻力，還有進(jìn)給阻力等，此外還受現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境因素的影響。本文將對(duì)切割機(jī)構(gòu)擺動(dòng)到不同角度進(jìn)行受力分析。

一、切割機(jī)構(gòu)

1 切割機(jī)構(gòu)工作原理

切割電機(jī)輸出力矩，通過(guò)花鍵套將力矩傳遞給切割減速機(jī)，減速機(jī)通過(guò)花鍵套將力矩傳遞給切割主軸，切割主軸通過(guò)內(nèi)花鍵套把力矩傳遞到切割頭，切割頭以此方式進(jìn)行旋轉(zhuǎn)切割。

伸縮式切割機(jī)構(gòu)配有切割舉升油缸、切割回轉(zhuǎn)油缸和切割伸縮油缸，通過(guò)舉升油缸實(shí)現(xiàn)切割機(jī)構(gòu)的上下方向移動(dòng)，通過(guò)回轉(zhuǎn)油缸實(shí)現(xiàn)切割機(jī)構(gòu)的左右方向移動(dòng)，通過(guò)伸縮油缸實(shí)現(xiàn)切割頭的伸縮功能。固定式切割機(jī)構(gòu)只配有舉升油缸和回轉(zhuǎn)油缸。

2 切割機(jī)構(gòu)組成

切割機(jī)構(gòu)由切割電機(jī)、切割減速機(jī)、伸縮部（固定式為懸臂段）、切割頭、輔助部件等組成。

二、切割機(jī)構(gòu)受力分析

下面以EBHZ300型伸縮式掘進(jìn)機(jī)為例進(jìn)行切割機(jī)構(gòu)的受力分析。

EBZ300型掘進(jìn)機(jī)的工作方式包括：旋轉(zhuǎn)切割掘進(jìn)，向前掘進(jìn)，上、下升降掘進(jìn)，左、右橫擺掘進(jìn)以及以上幾種工作方式復(fù)合性掘進(jìn)。

切割機(jī)構(gòu)載荷的確定是為了切割力的計(jì)算。切割力的大小并不完全取決于工作載荷的大小，還與切割頭的作業(yè)位置、掘進(jìn)方式和阻力的方向有關(guān)。工作點(diǎn)位由切割伸縮油缸、切割舉升油缸和切割回轉(zhuǎn)油缸的行程決定，行程不同對(duì)應(yīng)的切割頭的工作點(diǎn)位不同，本文對(duì)每一種位置進(jìn)行受力分析。

由三種油缸配合，使切割頭固定在不同的極限點(diǎn)位：

垂直懸臂段方向（切割升降油缸）：水平位置、最高位置、最低位置。水平方向（切割回轉(zhuǎn)油缸）：最左端、中間、最右端。軸向（切割伸縮油缸）：最短、最長(zhǎng)。

1 垂直懸臂段方向切割力

切割機(jī)構(gòu)受的切割力由切割升降油缸作用產(chǎn)生，其大小與切割機(jī)構(gòu)所處的位置有關(guān)。

EBZ300掘進(jìn)機(jī)切割舉升油缸的內(nèi)腔直徑φ248mm，活塞桿徑φ122mm，移動(dòng)行程750mm，鉸耳安裝距1668 mm。按工作壓力20MPa計(jì)算，最大推力為980 kN。

最大切割力位置的確定：切割頭受切割力如圖1所示。切割機(jī)構(gòu)的重心位置處于圖中M點(diǎn)。

根據(jù)力平衡方程求得：

通過(guò)調(diào)整舉升油缸的行程來(lái)調(diào)整切割頭的上下位置，L3取不同值對(duì)應(yīng)的Ft1，F(xiàn)t2值大小不同，從而計(jì)算出Ft1，F(xiàn)t2最大值。

2 切割頭水平方向擺動(dòng)力

回轉(zhuǎn)油缸的參數(shù)不同對(duì)應(yīng)的擺動(dòng)切割力大小不同。

EBZ300懸臂式掘進(jìn)機(jī)回轉(zhuǎn)油缸的內(nèi)腔直徑φ220mm，活塞桿直徑φ110mm，移動(dòng)行程1180 mm，安裝距1930 mm。按工作壓力20MPa計(jì)算，油缸的最大推力為758 kN。

圖2（a）為兩回轉(zhuǎn)油缸行程相同時(shí)示意圖，圖2 （b）為兩回轉(zhuǎn)油缸行程不同時(shí)示意圖。

力矩大小：M=T1L1+ T2L2

當(dāng)回轉(zhuǎn)油缸行程相同，θ=0°時(shí)，回轉(zhuǎn)力矩達(dá)到最大，即最大回轉(zhuǎn)力矩發(fā)生在切割機(jī)構(gòu)縱向軸線位置，此時(shí)M=946kN·m。當(dāng)回轉(zhuǎn)油缸轉(zhuǎn)動(dòng)后力矩值減小，所以回轉(zhuǎn)油缸行程相同時(shí)，擺動(dòng)力最大。

當(dāng)回轉(zhuǎn)油缸行程相同時(shí)，切割頭所處的幾個(gè)極限位置對(duì)應(yīng)擺動(dòng)力的大小如下：“切割頭水平”196kN，“切割頭最高點(diǎn)”261kN，“切割頭最低點(diǎn)”210kN。

3 切割進(jìn)給力

掘進(jìn)機(jī)切割進(jìn)給力取行走牽引力和伸縮油缸的推力中較小值。

伸縮油缸的內(nèi)腔直徑為φ140mm，活塞桿直徑為φ90mm，移動(dòng)行程為420 mm，鉸耳安裝距為2140 mm。油缸最大推力為300 kN。行走牽引力為770 kN，所以切割進(jìn)給力為300kN。

4 切割回轉(zhuǎn)力矩

切割電機(jī)功率為300 kW，切割頭轉(zhuǎn)速為46/23 r/min，切割頭回轉(zhuǎn)力矩計(jì)算公式為，取轉(zhuǎn)速較低時(shí)力矩最大值為124.6 kN·m。

參考文獻(xiàn)

[1]成大先.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2002.

[2]黃日恒.懸臂式掘進(jìn)機(jī)[M]. 北京：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，1996.

中圖分類(lèi)號(hào)：TD421

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A