鉆裝錨一體機整機穩定性分析

尹中會，孫紅賢，張安寧，陶永芹

(1.安徽理工大學 機械工程學院， 安徽 淮南 232001； 2.凱盛重工有限公司， 安徽 淮南 232058)

0 引言

鉆裝機在炮掘工作面的應用不僅減輕了工人的勞動強度，而且提高了工作面的掘進速度，學者們對鉆裝機進行了大量的研究[1-2]，主要體現在適用于井下大傾角的鉆裝機的應用，鉆裝機的仿真試驗研究及優化設計[3-5]。為進一步提高掘進效率，可采用鉆裝錨一體機完成鉆炮眼、裝矸石、打錨眼的工作。由于要求該一體機能夠同時裝載和打眼，因此，該機工作時的整機穩定性十分重要，需要對其不同工況下整機受力及其穩定性進行分析。

1 鉆裝錨一體機基本結構

鉆裝錨一體機基本結構如圖1所示，其主要由鑿巖裝置、扒斗裝置、鏟斗裝置、刮板輸送機、行走裝置、機身部及水、液壓、電氣系統等組成，鑿巖裝置用于鉆眼，扒斗及鏟斗裝置用于裝載，刮板輸送機用于轉運，行走裝置用于調動及支撐，機身部用于連接各裝置并形成整機。

2 鉆裝錨一體機整機受力分析計算

鉆裝錨一體機一般不設置錨固裝置，因此在受到較大作用力時可能會產生移動或局部離地。其在工作時主要有扒裝轉運工況、鉆眼工況和綜合工況，但在扒裝轉運工況所受扒斗的反作用力最大，因此，以該工況下進行分析計算。

1-扒斗裝置；2-鑿巖裝置；3-鏟斗裝置；4-機身；5-行走裝置；6-水、液壓系統；7-電氣系統；8-刮板輸送機。圖1 鉆裝錨一體機基本結構

2.1 扒斗垂直下挖時整機受力分析

扒斗垂直下挖時整機受力如圖2所示。

圖2 扒斗垂直下挖時整機受力示意圖

根據受力平衡方程可得當整機在Fv作用下，機身不產生后仰和側傾的條件為：

(1)

式中：Fv為扒斗垂直下挖力，N，可由扒裝裝置幾何參數及各油缸提高的最大力確定；G為整機總重量，N；L為扒斗臂最大長度，m；α為扒斗臂的回轉角度；A為整機重心與后支撐之間的距離，m；B為行走裝置的支撐寬度，m；C為整機重心與扒斗臂回轉點之間的距離，m。

圖2中，R為底板對整機的支撐力，N。

因為式(1)中α是一個變量，其絕對值在0～αmax之間變化，出于安全起見，并考慮一定的安全系數，式(1)應改變為

(2)

式中：k為備用系數，一般可取k=1～1.2。

經整理后可得扒斗垂直下挖力應滿足式(3)要求。

(3)

2.2 扒斗水平內扒時整機受力分析

扒斗水平內扒時整機受力如圖3所示。

圖3 扒斗水平內扒時整機受力示意圖

根據受力平衡方程可得當整機在Fhi作用下，機身不產生平移和水平轉動的條件為：

(4)

式中：Fhi為扒斗水平內扒力，N，可由扒裝裝置幾何參數及各油缸提高的最大力確定；μ為整機與底板之間的摩擦因數。

同理，出于安全起見，并考慮一定的安全系數，式(4)應改為:

(5)

經整理后可得扒斗水平內扒力應滿足式(6)要求。

(6)

2.3 扒斗水平橫扒時整機受力分析

扒斗水平橫扒時整機受力如圖4所示。

根據受力平衡方程可得當整機在Fhc作用下，機身不產生平移和水平轉動的條件為：

(7)

式中：Fhc為扒斗水平橫扒力，N，可由扒裝裝置幾何參數及各油缸提供的最大力確定。

圖4 扒斗水平橫扒時整機受力示意圖

同理，同理，出于安全起見，并考慮一定的安全系數，式(7)應改變為

(8)

經整理后可得

(9)

故扒斗水平橫扒力應滿足式(9)要求。

3 鉆裝錨一體機整機穩定條件

為保證鉆裝錨一體機的整機穩定，應使其在設計時就應滿足式(3)、式(6)、式(9)的要求，這樣整機不會局部離地或移動。因此，綜合上述3式，可得整機穩定條件為：

(10)

4 結論

由上述分析可知：

1) 鉆裝錨一體機因無錨固裝置無法與底板形成可靠附著力，在工作過程中存在移動或局部離地的可能；

2) 扒斗裝置中扒斗產生的力較大，對整機產生的反作用力也較大，因此，在扒裝轉運工況下最易發生整機移動；

3) 為保證鉆裝錨一體機的穩定運行，不發生移動或局部離地，設計中應使扒斗產生的力滿足式(10)要求，否則應配重塊。