移動式液壓支架銷軸拆裝設備的設計及應用

柳金暉

(華亭煤業集團 礦山機械公司， 甘肅 平涼 744103)

0 引言

隨著采煤技術的不斷發展，綜采技術得到了全面推廣應用，液壓支架維修量大幅增加。我公司每年大修綜采液壓支架約400架。在液壓支架維修過程中，變形結構件的拆解是一個重要環節。變形嚴重的四連桿機構及連桿銷軸的拆裝影響著整個支架的拆解進度，特別是已經變形的銷軸拆解是整個拆解過程中的一個難題。

液壓支架頂梁、掩護梁、連桿、底座等之間的連接銷軸(如圖1所示)[1]，每件重約100 kg。由于支架在井下長期使用，導致各部件之間連接銷軸與架體銹蝕嚴重，采用傳統人工甩錘進行拆卸銷軸的過程中需要4人同時進行作業。其中，2人配合連續不斷地將甩錘沿導桿急速甩動，撞擊導桿帶有螺紋接頭一端，通過甩錘的慣性帶動銷軸向外拔出；另外2人用吊帶和橫梁將拔出的銷軸抬平，防止在拆卸過程中銷軸下垂卡住不能拔出。這種拆卸方式勞動強度大，拆卸效率低。

1-連接銷軸1；2-連接銷軸2；3-連接銷軸3； 4-連接銷軸4；5-連接銷軸5；6-連接銷軸6。圖1 液壓支架主要連接銷軸位置

在銷軸安裝過程中需要3人進行作業。先用吊帶將銷軸綁緊，再用行車將銷軸吊起。1人指揮行車將銷軸孔對正后，2人用大錘將銷軸敲擊進行安裝。這種安裝方式勞動強度大，效率低，并且在安裝時存在安全隱患。為解決以上問題，研發了移動式液壓支架銷軸拆裝設備[2]。

1 移動式液壓支架銷軸拆裝設備結構特點及原理

移動式液壓支架銷軸拆裝設備整體結構如圖2所示[3-4]。

1-導軌;2-車架;3-千斤頂;4-活動底托架; 5-銷軸拆裝架;6-液壓控制系統;7-安裝臂; 8-皮帶傳動機構;9-銷軸提升機構。圖2 移動式液壓支架銷軸拆裝設備結構示意圖

通過車架與銷軸提升部件之間安裝千斤頂(具體安裝位置見圖3)，調節銷軸提升部件與液壓支架的距離。通過調整千斤頂即可保證被拆解支架和銷軸提升部件之間距離為最佳拆裝位置。

圖3 千斤頂安裝位置

銷軸拆裝架(如圖4所示)以兩側的導柱作為上下運動導軌。在其頂部安裝液壓馬達[5]，通過皮帶、皮帶輪傳動，將動力傳遞至絲桿上，帶動絲桿轉動。絲杠轉動帶動銷軸安裝架沿導軌做上下運動，調節高度。絲杠可以實現自鎖，防止銷軸墜落。絲杠上端設計手動轉動搖桿，防止銷軸提升部因受力不均勻而使其卡死。

1-手動搖桿安裝處；2-皮帶輪1；3-皮帶；4-絲桿； 5-絲杠螺母；6-銷軸提升部；7-皮帶輪2；8-液壓馬達。圖4 皮帶傳動機構

在銷軸安裝過程中，需要不斷地將銷放置到銷軸拆裝架上。如果靠人力，至少需要2人配合再加一定的工具，費很大力氣才能將銷軸放置到拆裝架上。為解決上述連續安裝提升問題[6]，在該設備上設計1個半自動安裝臂[7](如圖5所示)。選用1根鋼管，在其內部安裝千斤頂，千斤頂最大提升高度為400 mm。在拆裝過程中,該裝置將拆解的銷軸放置在固定位置，然后進行下一個銷軸的拆裝工作；在安裝過程中,通過轉軸式裝置依次進行安裝，機械手可以通過銷軸自身重力將銷軸裝夾牢固[8]，不需要靠人力搬運銷軸。

1-曲臂；2-鋼絲繩；3-機械手；4-鋼管；5-千斤頂；6-旋轉臂。圖5 安裝臂

銷軸拆裝架(如圖6所示)通過絲杠螺母在絲杠上的運動，調節銷軸拆裝高度。本部分安裝千斤頂，通過千斤頂將銷軸拔出或推入。根據圖7所示的銷軸拆裝局部結構，銷軸在拆裝時，一般銷軸會留有拆裝螺紋孔，只需要準備好合適的螺紋掛鉤即可。

1-千斤頂；2-支撐架。圖6 銷軸拆裝架

1-千斤頂；2-螺絲掛鉤；3-連接銷；4-被連接件1；5-被連接件2。圖7 銷軸拆裝局部結構示意圖

如果沒有螺紋孔或螺紋孔損壞，可在銷軸端部焊接一個掛鉤，通過掛鉤將銷軸與千斤頂連接，以保證完成銷軸拆裝。

此設備可根據不同型號的液壓支架[9]，在一定范圍內調節拆解、安裝高度，最大可提升1 560 mm。另外，此設備不需要額外增加液壓泵站，利用車間現有液壓泵站作為動力源就能實現液壓支架銷軸的拆解與安裝。具體銷軸拆裝狀態如圖8所示。

1-銷軸拆裝設備；2-被拆裝銷軸；3-液壓支架。圖8 銷軸拆裝過程狀態

2 設計技術關鍵

此設備的技術關鍵在于大型銷軸拆裝傳動機構和銷軸拆卸時所需千斤頂的選擇與設計。

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2.1 傳動機構的選擇與設計

根據設備實際情況選擇液壓馬達、皮帶輪、皮帶、絲桿、絲桿螺母傳動[10]。

初步參照搖臂鉆床絲杠提升速度為0.03 m/s[11]，銷軸提升部件與銷軸總質量約為300 kg，忽略摩擦阻力等其他因素，計算得功率PⅠ=FV=300 kg×9.8 m/s2×0.03 m/s=88.2 W。

傳動裝置總效率：

(1)

式中：ηhm為液壓馬達的效率,取0.69;ηvb為V帶的效率，取0.96;ηsr為絲桿的效率，取0.30；ηb為軸承的效率，取0.99。

計算可得，η=0.194。

所需液壓馬達功率：

P=PⅠ/η=88.2 W/0.194=454.6 W

根據車間現有乳化液泵額定工作壓力10 MPa，選擇型號為BMR100G型的軸配流三位一體嚙合付擺線液壓馬達。

液壓馬達技術參數：額定工作壓力10 MPa；額定轉速500 r/min；排量100 mL/r；額定輸出功率6.2 kW；總效率69%；油口形式2-M18×1.5(Y2)；外泄油口形式為M14×1.5，深9;輸出軸形式為平鍵軸φ25。

絲桿的轉速：

i=nsr/nhm=DbⅡ/DbⅠ=80/210

(2)

nsr=i×nhm=190.48 r/min

當選擇絲桿螺紋為Tr50×7時，銷軸提升部的提升速度：Vp=nsr/60×P=22.22 mm/s。

2.2 千斤頂的選擇與設計

銷軸的拔出不同于銷軸的裝入。當銷軸裝入時，是先將2件結構件的孔對正，再將銷軸壓入，由于銷軸孔與銷軸外圓之間有1 mm的間隙。銷軸壓入時不需要太大的力。而銷軸在拔出時，由于結構件質量大，且在使用后產生輕微的彎曲變形，拆出時阻力特別大。以平頂山煤礦機械有限責任公司生產的ZF10000/20/32H型反四連桿低位放頂煤支架為例[12]，光頂梁質量就有5.3 t，結構件壓住銷軸的一端。另外，由于液壓支架使用后變形，裝配的四連桿機構2個結構件安裝孔不同心，銷軸在拔出時，必須要有足夠大的力。因此,千斤頂的Ft遠遠大于Fd。模擬銷軸往出拔的受力分析[13]，主要受到頂梁自身重力所產生的摩擦力。查閱資料得鋼與鋼之間的靜摩擦無潤滑摩擦因數μ=0.15,n=10(根據實際拆卸復雜情況所取),得：

Ft=nμFn

(3)

式中:Ft為液壓缸拉力，kN;μ=0.15;n=10;Fn=5 300 kg×9.8 N/kg=52 kN。

計算可得：Ft=78 kN。

Ft=P2A2×103

(4)

式中，Ft為液壓缸拉力，kN；P2為工作壓力,10 MPa。

計算可得：A2=0.007 8 m2。

A2=π/4(D2-d2)

(5)

式中：A2為液壓缸有桿腔作用面積[14]，0.007 8 m2；d為缸徑，0.07 m。

計算可得：D=0.099 9≈0.1 m。

銷軸直徑為φ149，長度為490,選擇千斤頂行程為500 mm。

千斤頂技術參數：缸徑/活塞桿徑100/70 mm；行程500 mm；工作壓力10 MPa；拉力78 kN。

3 安裝使用情況

研制的新型高效移動式液壓支架銷軸拆裝設備，只要將液壓支架按同一方向碼放整齊就能夠在液壓支架兩側同時進行連續作業[15]，而且整個銷軸拆裝過程中2個人操作1臺設備就可以進行作業，如圖9所示。

圖9 銷軸拆裝設備在車間排布

4 結語

通過對新型高效移動式液壓支架銷軸拆裝設備的設計與制作，并在我公司液壓支架大修實踐中得到應用，該設備取得了如下的技術效果：

1) 結構簡單，操作方便，不僅制作成本低，而且可以解放出更多勞動力。在液壓支架維修過程中，有效保證了維液壓支架的維修進度，大大減輕了職工的勞動強度，減少了工作量，提高了工作效率。

2) 該設備能夠適應不同型號的液壓支架進行維修工作，只需接通車間的液壓泵站作為動力源就能實現設備正常工作。