坑道鉆機滑移裝置結構設計與強度分析

趙雪鋒

【摘 要】本文針對普通鉆機無法調節機身空間位置的缺點，設計了一種全新的滑移裝置，該滑移裝置固連在鉆機的給進裝置上。滑移裝置通過兩根平移油缸可以調節鉆機機身的空間位置，從而減小鉆機運輸尺寸或實現跨皮帶工作狀態，也可以調整機身位置使夾持器遠離孔口從而便于安裝孔口裝置。安裝有滑移裝置的鉆機相對于普通鉆機，具有結構緊湊、操作簡單以及維修方便等優點。

【關鍵詞】鉆機；滑移裝置；結構設計；強度分析

0 概述

全液壓坑道鉆機是保證煤礦安全生產的關鍵設備之一，主要用于煤礦井下瓦斯抽（排）放孔、地質勘探孔、防突卸壓孔及其他工程孔[1-2]施工。全液壓坑道鉆機分為普通分體鉆機和履帶式坑道鉆機。由于履帶式坑道鉆機具有操作簡單可靠、搬遷方便、自動化程度高[3]等優點，成為近年的研究熱點，其主要由履帶車體、主機、電機泵組、油箱組件等部分組成。主機是鉆機的執行機構，用于調節鉆機的開孔高度和鉆孔傾角。給進裝置是主機的重要組成部分，主要由：動力頭、機身、夾持器組成，如圖1所示。

在普通分體鉆機中，給進裝置未配備滑移裝置，其機身空間位置無法自動調節。當夾持器距離孔口較近，而又需要安裝孔口裝置時，必須人工搬離鉆機，使夾持器遠離孔口才可進行，故普通鉆機調整機身空間位置時，費時費力。針對這一情況，本文為履帶式坑道鉆機專門設計了一種滑移裝置，該滑移裝置固連在鉆機的給進裝置上。配備滑移裝置的給進裝置如圖1所示。該滑移裝置具有以下優點：

（1）自動調整鉆機給進裝置的空間位置，減小鉆機運輸狀態尺寸；

（2）使鉆機實現跨皮帶工作狀態；

（3）自動調整鉆機夾持器與孔口的位置，使夾持器遠離孔口，便于安裝孔口裝置[4]；

（4）結構緊湊、自動化程度高、操作簡單以及維修方便。

1 結構設計

圖2所示為普通鉆機所配備的機身，機身通過其下的兩個抱瓦固定在機架上（機架略去）。此設計，結構簡單，但機身位置不能自動調整。當需要跨皮帶工作或者使夾持器遠離孔口時，需人工搬移整個鉆機，效率極其低下。

為解決普通鉆機無法自動調整給進裝置空間位置的缺點，本文為履帶式坑道鉆機設計了一種新型滑移裝置，固連在機身上，如圖3所示。該滑移裝置由卡板、平移油缸、油缸座、機身擋板組成。通過該滑移裝置，鉆機可自動調整給進裝置的空間位置，從而實現跨皮帶工作或使夾持器遠離孔口。

本文所指的履帶式坑道鉆機對最低開孔高度有硬性要求，在保證最低開孔高度的前提條件下，可適當增加給進裝置的寬度。由此，平移油缸不能布置在給進裝置下方，這樣會使其最低開孔高度變高。故平移油缸應對稱布置于給進裝置兩側。為方便拆卸維修，平移油缸通過獨立的油缸座用螺栓固連在機身上。在進行滑移裝置結構設計時，也應綜合考慮鉆機膠管的使用問題。若將平移油缸缸筒固連在機身擋板上，將活塞桿固連在機身卡板上，當平移油缸動作時，連接在缸筒上的膠管會隨機身的移動而運動，這既影響美觀又會加劇膠管的磨損，減少了膠管的使用壽命。若將平移油缸缸筒固連在機身卡板上，而將活塞桿固連在機身擋板上，當平移油缸動作時，連接在缸筒上的膠管固定不動，這既保證鉆機膠管整齊布置又減少了膠管的磨損。通過分析，第二個方案更具有合理性，故選用此結構。機身擋板可視作一個懸臂梁結構，其頻繁承受平移油缸的作用力，機身擋板應保證在承受平移油缸最大作用力時不會發生永久變形。當機身擋板發生永久變形時，就會影響滑移裝置功能的實現，故應對其進行強度分析。機身擋板作為滑移裝置中最薄弱的環節，對其進行強度分析，可視為對滑移裝置進行強度分析。當平移油缸達到最大行程時，機身擋板所承受的作用力最大，此時平移油缸工作壓力為21MPa，機身擋板所承受最大作用力的計算公式為：

2 強度分析

對滑移裝置進行強度分析時，考慮到使用有限元軟件可將分析結果形象直觀的表達出來，本文使用ANSYS對滑移裝置進行強度分析。為便于分析，需將模型進行簡化，將給進裝置中無關緊要零件剔除后，將簡化模型導入有限元軟件。

在簡化模型中，機架視為固定不動，對其施加固定約束；機身擋板受兩個平移油缸的作用力，值為105kN，對其施加兩個值為105kN的力。對簡化模型進行網格劃分，劃分結果如圖4所示。

網格劃分完畢，對模型進行求解分析，應力圖與位移圖如圖5、圖6所示。

機身擋板材料為45鋼，其屈服強度為345MPa，由圖5、圖6可看出，機身擋板所受最大應力為529MPa，大于45鋼屈服強度；機身擋板最大變形為1.1mm，此變形為永久變形，并隨時間逐漸變大，進而影響滑移裝置功能的實現。因此，需要對滑移裝置進行優化改進。從設計理念考慮，應優先考慮焊接筋板從而增加機身擋板的抗彎強度，而非增加機身擋板厚度。對滑移裝置進行優化改進，增加筋板，并進行強度分析，其結果如圖7、圖8所示。

由圖7可知，優化改進增加筋板后，機身擋板的抗彎強度明顯增加，其最大應力約為263MPa，小于45鋼的屈服強度。由圖8可知，機身擋板最大變形量為0.3772mm，又因為機身擋板最大應力小于45鋼屈服強度，故此變形為非永久變形。經過以上分析可知，在不增加機身擋板厚度的情況下，通過焊接筋板來提高滑移裝置的強度是非常有效的。

3 結論

本文對鉆機滑移裝置進行了結構設計與強度分析，并對其進行了優化，得到如下結論：

（1）滑移裝置使鉆機能夠自動調節給進裝置的空間位置，使夾持器遠離孔口便于安裝孔口

裝置，操作簡單、維修方便；

（2）滑移裝置的組成部分——機身擋板，初次設計不能滿足滑移裝置的強度要求，會發生永久變形，本文在不增加機身擋板厚度的情況下，通過增加筋板，明顯提高了機身擋板的抗彎強度，使其滿足使用要求。

【參考文獻】

[1]李劍鋒.綜掘機載液壓坑道鉆機的研制與應用[J].鑿巖機械氣動工具，2011（3）：38-39.

[2]張武，郭衛，路正雄 坑道鉆機機架結構設計與分析[J].煤礦機械，2015，36（7）：205-207.

[3]蒲劍，陳航，肖玉清.煤礦用自動控制鉆機的研制[J].煤炭技術，2015，34（5）：269-271.

[4]楊威.用于瓦斯抽放鉆場的液壓鉆機牽引移動裝置[J].工礦自動化，2015，41（4），：109-111.

[責任編輯：張濤]