大采高采煤機(jī)擋矸系統(tǒng)連桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)研究

劉澤平，徐貴旭

(1.礦山采掘裝備及智能制造國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原 030032；2.太重煤機(jī)有限公司 技術(shù)中心，山西 太原 030032；3.山西鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山西 太原 030013)

0 引言

現(xiàn)代長(zhǎng)壁工作面采煤機(jī)是綜采工作面的關(guān)鍵設(shè)備之一，采煤機(jī)每一個(gè)零部件的正常工作與否直接影響到采煤機(jī)的正常工作乃至整個(gè)工作面的正常生產(chǎn)。在中厚、特厚煤層開(kāi)采中，由于煤壁裸露面積大，片幫危機(jī)概率大大增加，所以為保護(hù)采煤機(jī)不被片幫砸壞，采煤機(jī)設(shè)置擋矸系統(tǒng)是必須的。隨著大采高滾筒采煤機(jī)機(jī)面高度、寬度等基本尺寸的增大[1-3]，擋矸系統(tǒng)也隨著防護(hù)要求面積和高度都在增大，這對(duì)擋矸系統(tǒng)的翻轉(zhuǎn)傳動(dòng)系統(tǒng)提出了更高的要求，傳統(tǒng)的油缸直接支撐出現(xiàn)了很大的弊端，如油缸長(zhǎng)度增加造成了傳動(dòng)角減小，致使鉸接座的可靠性降低，鉸接座被撕裂風(fēng)險(xiǎn)加大，還導(dǎo)致有效翻轉(zhuǎn)分力比例減小，所以要實(shí)現(xiàn)支撐功能必須加大油缸缸徑，致使油缸體積大大增加，這使擋矸在下降到最低位置時(shí)，放置油缸的空間變得局促，整體制造成本也大大增加，所以設(shè)計(jì)一種體積小、有效受力配比大的擋矸翻轉(zhuǎn)系統(tǒng)是必要的。本文利用四連桿機(jī)構(gòu)原理，通過(guò)對(duì)空間的合理利用、受力的精確計(jì)算，設(shè)計(jì)了一種小油缸作為主動(dòng)件的四連桿擋矸翻轉(zhuǎn)系統(tǒng)，解決了擋矸系統(tǒng)體積大的問(wèn)題，在提高效率的同時(shí)降低了生產(chǎn)成本，提高了系統(tǒng)的可靠性。

1 擋矸系統(tǒng)連桿機(jī)構(gòu)模型分析與計(jì)算

1.1 擋矸系統(tǒng)連桿機(jī)構(gòu)模型分析

根據(jù)采煤機(jī)實(shí)物結(jié)構(gòu)，可知擋矸板的運(yùn)動(dòng)起點(diǎn)、終點(diǎn)、鉸接點(diǎn)、支座位置等狀態(tài)參數(shù)，擋矸系統(tǒng)連桿機(jī)構(gòu)分析如圖1所示。

圖1中，AB為擋矸板支起工作時(shí)的終點(diǎn)位置，AB1為擋矸板收回非工作時(shí)的位置，兩者夾角須為55°；ABCD為擋矸系統(tǒng)連桿機(jī)構(gòu)工作狀態(tài)下的位置，AB為搖桿一，長(zhǎng)度固定，BC為連桿，CD為搖桿二，A點(diǎn)為搖桿一(擋矸板)固定鉸接座，D點(diǎn)為搖桿二固定鉸接點(diǎn)，且B、C、D三點(diǎn)在同一直線上；AB1C1D為收回狀態(tài)下的四連桿機(jī)構(gòu)位置，C1點(diǎn)必須在h直線上；C、C1為未知點(diǎn)。

圖1 擋矸系統(tǒng)連桿機(jī)構(gòu)分析

1.2 擋矸系統(tǒng)連桿機(jī)構(gòu)計(jì)算

根據(jù)采煤機(jī)實(shí)物結(jié)構(gòu)，已知AB=AB1=1 221 mm，BD=1 872 mm,∠BAB1=55°。

將BC=B1C1長(zhǎng)度設(shè)為x，CD=C1D長(zhǎng)度設(shè)為y，C1D′設(shè)為z，∠B1C1D′設(shè)為a，則可建立如下四元二次方程組：

(1)

求解式(1)得：x=811 mm，y=1 071 mm。由此可得四連桿機(jī)構(gòu)的尺寸為：AB=1 221 mm,BC=811 mm,CD=1 071 mm，AD=1 940 mm，擋矸板(搖桿一)的旋轉(zhuǎn)角度為55°。

1.3 擋矸系統(tǒng)連桿機(jī)構(gòu)模型建立

搖桿二作為主動(dòng)件時(shí)，擋矸系統(tǒng)連桿機(jī)構(gòu)工作和非工作極限狀態(tài)如圖2、圖3所示。當(dāng)需在中間工作狀態(tài)時(shí)，擋矸板可以在0°～55°范圍內(nèi)任意位置停止，只需連桿二能夠在對(duì)應(yīng)位置鎖止即可。

1-擋矸護(hù)板(搖桿一)； 1-擋矸護(hù)板(搖桿一)； 2-連桿；3-搖桿二；4-機(jī)架 2-連桿；3-搖桿二；4-機(jī)架

2 擋矸系統(tǒng)連桿機(jī)構(gòu)原動(dòng)機(jī)件計(jì)算

2.1 主動(dòng)件方案設(shè)計(jì)

搖桿二作為主動(dòng)件時(shí)，經(jīng)圖紙測(cè)量其旋轉(zhuǎn)角度范圍為65.36°，因采煤機(jī)結(jié)構(gòu)關(guān)系，以及原動(dòng)件油缸放置空間因素，故將主動(dòng)件搖桿二作結(jié)構(gòu)方面異形化處理，即將油缸支點(diǎn)F′移動(dòng)到F點(diǎn)，∠CDF=35°，DF與搖桿二CD為一體制造，DF長(zhǎng)度可根據(jù)實(shí)際調(diào)整，為未知長(zhǎng)度，如圖4所示。

圖4 搖桿二異形化處理

2.2 擋矸系統(tǒng)原動(dòng)件方案計(jì)算

原動(dòng)件(油缸)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)圖如圖5所示，在原動(dòng)件系統(tǒng)EFDC中，∠FDC=∠F1DE=35°，E點(diǎn)為油缸支座固定位置，E點(diǎn)與D點(diǎn)水平距離為947 mm、垂直距離為269 mm，則ED長(zhǎng)度為：

圖5 原動(dòng)件(油缸)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)圖

(2)

EF1長(zhǎng)度為油缸封閉尺寸，設(shè)為x1;FF1長(zhǎng)度為油缸行程,設(shè)為p，因油缸本身結(jié)構(gòu)限制，需滿足以下條件：

p+279=x1.

(3)

在三角形FDF1中設(shè)DF長(zhǎng)度為q,則：

sin35°=p/(2q).

(4)

擋矸系統(tǒng)在AB1C1D狀態(tài)(收回狀態(tài))時(shí)，C1是固定的，且E、D點(diǎn)都是固定的，∠C1DE=0.69°也是固定值，所以：∠F1DE=∠F1DC1+∠C1DE=35°+0.69°=35.69°。

在三角形EF1D中，利用任意三角形余弦函數(shù)可得：

cos∠F1DE=cos35.69°=

(5)

聯(lián)合式(2)～式(5)計(jì)算可得出油缸行程p=421 mm，油缸封閉尺寸x1=700 mm，q=390 mm。

3 擋矸系統(tǒng)連桿機(jī)構(gòu)施工方案建立

綜合以上得出的參數(shù)，對(duì)本擋矸系統(tǒng)進(jìn)行施工設(shè)計(jì)，將各零部件按照載荷進(jìn)行物化。因?yàn)檩d荷為大冗余量設(shè)計(jì)，所以在此不再進(jìn)行載荷計(jì)算和材料選型計(jì)算，設(shè)計(jì)的施工圖如圖6、圖7所示。其運(yùn)行原理如下：

1-擋矸護(hù)板(搖桿一);2-油缸;3-連桿;4-機(jī)身固定鉸接座二；5-機(jī)身固定鉸接座一;6-搖桿二;7-固定式油缸鉸接座

(1)擋矸支撐工作狀態(tài)：搖桿二為主動(dòng)件，有一個(gè)自由度，其繞固定鉸接點(diǎn)位置的變化決定了該四連桿機(jī)構(gòu)狀態(tài)的變化。擋矸護(hù)板作為四連桿機(jī)構(gòu)的一條搖桿，搖桿二被固定在圖6(對(duì)應(yīng)圖2)位置時(shí)，擋矸護(hù)板的自由度為0，這個(gè)狀態(tài)就是擋矸護(hù)板在工作時(shí)的位置。

1-擋矸護(hù)板(搖桿一);2-連桿;3-搖桿二;4-油缸;5-機(jī)身固定鉸接座一;6-固定式油缸鉸接座;7-機(jī)身固定鉸接座二

(2)擋矸回收非工作狀態(tài)：當(dāng)搖桿二按圖2中箭頭方向旋轉(zhuǎn)一定角度時(shí)，該四連桿系統(tǒng)即可處于圖7(對(duì)應(yīng)圖3)狀態(tài)，此時(shí)擋矸護(hù)板回收，即非工作狀態(tài)。

當(dāng)然在狀態(tài)相互轉(zhuǎn)化過(guò)程中，搖桿二的任何角度位置都一一對(duì)應(yīng)擋矸護(hù)板的角度位置，即可以根據(jù)實(shí)際需要隨時(shí)調(diào)節(jié)護(hù)板角度。在擋矸護(hù)板縱向長(zhǎng)度方向，可根據(jù)實(shí)際需求安裝4組～8組同樣的本連桿系統(tǒng)，同步運(yùn)行，增加擋矸護(hù)板的支撐力[4，5]。

4 結(jié)語(yǔ)

分析了滾筒采煤機(jī)擋矸系統(tǒng)的工作狀態(tài)，并根據(jù)采煤機(jī)實(shí)際擋矸系統(tǒng)安裝條件，通過(guò)對(duì)四連桿機(jī)構(gòu)的分析計(jì)算，得出了適用于擋矸系統(tǒng)的連桿機(jī)構(gòu)參數(shù)，根據(jù)得出的參數(shù)，進(jìn)行工程化施工設(shè)計(jì)，優(yōu)化了主動(dòng)件的搖桿結(jié)構(gòu)，選型出油缸行程和安裝方式，具有較大工程實(shí)用價(jià)值。提供了一種新型采煤機(jī)擋矸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，該連桿系統(tǒng)擴(kuò)展了擋矸護(hù)板旋轉(zhuǎn)角度、減小了支撐油缸的行程、減小了死點(diǎn)位置對(duì)連桿系統(tǒng)的影響、提升了系統(tǒng)可靠性、減小了油缸缸徑或者油液壓力，可運(yùn)用于各種采高機(jī)型的采煤機(jī)擋矸系統(tǒng)設(shè)計(jì)中。