LTJJP500 型煤礦巷道挖爪機設計

趙 慧 王海彬 張 杰

（遼寧通用重型機械股份有限公司，遼寧 調兵山 112700）

1 引言

U 型鋼棚的架設是圓頂巷道掘進生產中極耗費人工的一項工作，同時危險系數也很高。支護用料大多使用人力方式肩抗至工作面，勞動強度大。針對這些問題，經過多次研究、試驗，遼寧通用重型機械股份有限公司設計了LTJJP500 型煤礦巷道挖爪機，有效地解決了架棚支護問題，減輕了工人的勞動強度，提高了掘進工作面的單進水平。

2 整機技術參數及功能特點

LTJJP500 型煤礦巷道挖爪機設計（如圖1）主要目的是解決煤礦巷道掘進生產中U 型鋼棚架設問題，其對應結構的研究設計應綜合考慮功能性和適應性，以適應多工況的巷道掘進輔助工作。LTJJP500 型煤礦巷道挖爪機主要技術參數見表1。

圖1 LTJJP500 型煤礦巷道挖爪機簡圖

表1 LTJJP500 型煤礦巷道挖爪機主要技術參數

LTJJP500 型煤礦巷道挖爪機集成了圓棚巷道掘進作業的幾個作業功能，改變了圓棚巷道掘進輔佐作業的手動作業方式，主要有以下幾個功能特點：

（1）挖爪采用液壓回轉支撐，可實現挖爪在挖臂徑向360°回轉；配合采用挖爪直線油缸，可以實現挖爪對復雜姿態的工件的可控抓合。

（2）挖臂采用3 個直線油缸和液壓回轉減速器結構，可以實現對巷道斷面任意位置的舉升；

（3）4 個上支撐和1 個下支撐組件可以保證挖爪工作時整機的穩定性；上支撐具有邁步調節功能，可以實現對復雜頂板狀況的有效支撐。

（4）液壓系統采用進口液壓件，注油過濾及回油。

（5）臨時支護裝置和錨固裝置采用快換模塊化設計，可滿足支護或錨固工況和普通工況的切換作業要求。

（6）整機行進采用單軌吊結構設計，配置抱閘和電纜導輪，可用于巷道掘進配套設備的運輸和整機在巷道方向的位置調節。

3 結構組成及其設計

LTJJP500 型煤礦巷道挖爪機結構如圖2。

圖2 挖爪機結構示意圖

（1）挖臂。挖臂由回轉臺、回轉支撐、支撐油缸、后臂、前臂、擺動油缸、調角油缸及挖爪等機構組成。通過液壓馬達回轉支撐帶動挖臂左右擺動，支撐油缸伸縮實現挖臂前端挖爪的升降，輔助調角油缸和擺動油缸實現微調，最終可以完成挖臂的架棚工作。

（2）主梁。主梁是工作部件主體，用來固定回轉臺、下支撐和斜支撐。

（3）下支撐。由支撐構件和下支撐油缸組成，用來增加主梁的穩定性。

（4）斜支撐。整機運行在軌道鋼上，通過斜支撐裝置，確保作業時整機重心位置在設備中心線上，提高整機工作的穩定性。

（5）行走部。行走部采用2 臺低速大扭矩馬達驅動，通過減速機、摩擦驅動輪及軌道鋼實現行走。配備2 臺制動剎車裝置，實現行走可控和停車制動。

（6）液壓系統。液壓系統由油泵電機、油箱、比例控制閥、多路電磁換向閥、平衡閥、油濾器、冷卻器、壓力表、接頭、液壓膠管及覆蓋件組成。

（7）電控系統。電控系統由真空電磁啟動器、遙控器、照明燈、限位器、電鈴等組成。電控系統主要用來控制整機的啟動和停止、行程限位、電鈴警示、遙控挖爪作業等。配備自動電纜導輪，實現長距離電纜自動收放。

4 關鍵部件的設計計算

（1）支撐油缸強度計算

圖3 挖臂受力分析圖

圖中：G 為工作負載，取500 kg，即5 kN；L1為力臂，1600 mm；L2為載荷力臂1000 mm；L3為挖臂重心力臂，300 mm；G1為挖臂自重，210 kg，即2.1 kN；L3為挖臂重心力臂，300 mm；θ 為支撐油缸水平傾角，16.8°。

整機平衡時，以N 點作為剛性點，根據力矩平衡，可得平衡公式：

油缸的垂直分力計算公式：

油缸的軸向壓力：

安全系數：

安全系數=許用推力/實際軸向壓力

表2 支撐油缸參數

根據以上公式和參數計算，支撐油缸軸向壓力為64.2 kN，安全系數約等于1.96，故選用100 mm缸徑油缸可以滿足設計和使用要求。

（2）回轉臺強度計算

回轉臺受力參數見表3。

采用有限元分析，對回轉臺的強度進行校核（如圖4，圖5）。

圖4 回轉臺負載時應力分布圖

圖5 回轉臺負載時安全系數圖

回轉臺最大應力位置出現在與回轉支撐配合的螺紋孔處，最大應力值為270.1 MPa。據此，將回轉臺的上下橫板材質優化為Q690，薄弱處的最小安全系數為2.55，其余位置所受應力均小于100 MPa左右，材質定為Q235，完全可以滿足使用要求。

（3）回轉臺回轉減速器傾覆力矩計算

回轉減速器是一種能夠承受較大軸向載荷、徑向載荷和傾斜力矩的特大型軸承（如圖6），它廣泛應用于風力發電、起重機械、采掘機械、建筑機械、港口機械、船舶機械以及國防裝備等大型回轉裝置上。

載荷產生的力矩大小等于載荷大小乘載荷作用點到回轉支撐中心的距離。當載荷產生的力矩大于裝置的傾覆力矩時，會產生傾覆失穩。

設計選用的WEA14-43T-HR-WR320-D 型回轉減速器的傾覆力矩為71.2 kN?m（表4）。

圖6 回轉式減速器簡圖

表4 WEA14-43T-HR-WR320-D 回轉減速器性能參數

此回轉減速器由布置在直徑390 mm 上一圈螺栓固定在結構體上，為了簡化計算難度，同時確保安全性，本文在計算時，作用在減速器上力為挖臂施加的壓力F1=7.2 kN 與結構件給的垂直平衡力F2=24 kN，其作用點的力臂尺寸L 均取最大值為0.195 m。

作用在減速器的力矩Mmax=M1+M2=6.084 kN?m，遠小于減速器的傾覆力矩，可以滿足設計要求。

5 應用效果

LTJJP500 型煤礦巷道挖爪機樣機完成后，在鐵能集團大平礦井下試運行。在歷時3 個多月的試運行中，挖爪機基本可以滿足設計和使用要求，在實際生產中具有以下優點：

（1）解決了支護材料和工具的運輸問題，降低工人勞動強度。

（2）架棚工作機械化，減少了架棚工人數量，簡化了架棚工序，縮減架棚時間50%，提高了工作效率。

（3）減少了工人空頂作業時間，提高安全性。

在實際使用中也發現了一些不足，需要在后續的設計中進行改進：

（1）整機長度尺寸偏大，在巷道情況不佳的位置，會出現與綜掘機干涉的情況，需要現場特別注意和調整。

（2）LTJJP500 型煤礦巷道挖爪機額定負載為500 kg，在擴展模塊作業時，效果一般，大平礦希望在后續改進時，可以提升至1000 kg。

6 結語

通過將單軌吊和挖爪機的結構結合，從而實現LTJJP500 型煤礦巷道挖爪機的設計，從理論研究和現場使用效果看，LTJJP500 型煤礦巷道挖爪機可以滿足實際使用要求，基本達到了設計目的。