一種新型懸臂式掘進機側支承的設計

李洪亮

(三一重型裝備有限公司， 遼寧 沈陽 110027)

0 引言

掘進機進行掘進作業時，經常出現機尾左右擺動的現象，發生此現象的原因是截割頭上的截割反力相對重心的扭矩大于設備本身重力相對重心在地面上的扭矩[1]，增加側支承后，強行將掘進機的轉動中心從重心位置向后移動到后支承位置，改變了整機的受力狀態，從而達到防止掘進機擺尾的目的。

1 扭矩計算

掘進機出現擺尾現象時掘進機基本處于水平截割的狀態，截割臂水平進給是由回轉油缸的運動實現的，在截割臂水平進給時，一個油缸伸長，另一個油缸縮短，如圖1所示，2個油缸同時作用[2-3]。2個油缸提供的進給力矩與油缸力關系如公式(1)所示。

(1)

式中：Ma為油缸提供的總進給力矩，N·m；N1為有伸長趨勢的油缸提供的推力，N；N2為有收縮趨勢的油缸提供的拉力，N；a為回轉中心到回轉油缸前鉸點距離，mm；b為伸長油缸的長度，mm；c為回轉中心到回轉油缸后鉸點距離，mm；e為收縮油缸的長度，mm。

其中，伸展油缸的長度b與收縮油缸長度e的關系如公式(2)所示。

(2)

式中:M為回轉臺上2個油缸前鉸點與回轉中心連線的夾角，(°)；N為回轉臺上2個油缸后鉸點與回轉中心連線的夾角，(°)；

以某型號掘進機為例，將a=808 mm，c=1 908 mm，b和e的長度范圍為1 485～2 014 mm，N1=582.3 kN，N2=366.7 kN，在Matlab中畫出進給力矩曲線圖，從圖2上可以看出，隨著回轉油缸的伸縮，進給力矩不斷變化，最大值為760 kN·m。姿態為截割臂擺到中間位置，截割頭到回轉中心的距離為4 700 mm，得到進給力為161.7 kN。當截割臂有俯仰角時，此力會變大，示例掘進機俯仰角變化小，因此不再考慮[4]。

圖2 油缸長度與回轉力矩曲線

2 側支承結構

這里提出一種新的掘進機側支承結構，不同于傳統的油缸+套筒式側支承，此側支承為油缸+支承體式，此結構特點是簡潔，易維護制造，不占用掘進機內部空間，具體結構見圖3。其中側面安裝座安裝于后支承部的側面，頂部安裝座安裝于后支撐部頂部，過渡塊是為保護油缸的，使油缸上只有軸向載荷。

側支承結構安裝于掘進機上后，動作油缸來實現支承體的擺動，安裝后整機形態如圖4、圖5所示。

1-支承油缸; 2-支承體; 3-銷軸; 4-側面安裝座;5-頂部安裝座; 6-過渡塊。

圖4 側支承開合示意圖

圖5 安裝有側支承的掘進機

3 側支承力的計算

增加側支承后，掘進機整機的受力狀態發生改變，受力分析如圖6所示[5]。

圖6 側支承受力分析簡圖

由圖6可以得到公式(3)和(4)：

F1(L1+L2)+F2·L2=0

(3)

F1·L1+F3·L2=0

(4)

式中:L1為截割頭中心距離整機重心的距離，mm；L2為后支承支承點距離重心距離，mm；F1為巖石對截割頭的作用力，kN；F2為地面與履帶間的附著力，kN；F3為巖石對側支承的作用力，kN。

示例掘進機中，若L1=5 327 mm，L2=2 894 mm，F1=161.7 kN，則F2=459.3 kN，F3=297.6 kN，F2為地面與履帶間的附著力，取0.7的附著系數，則整機需要不低于67 t(本文中提到的掘進機重70 t)，否則無法提供足夠的附著力,導致整機側移[6]。

由此，當F3=297.6 kN時，可以保證掘進機不再出現擺尾狀態。可取油缸直徑為140 mm，銷軸直徑80 mm。

4 強度校核

強度校核在ANSYS WORKBENCH環境下進行，首先將模型進行簡化，由于模型左右結構類似，只對一側進行校核，之后將銷軸與銷孔間的接觸方式更改為frictionless[7-8]，將固定約束施加于側面安裝座和底面安裝座的安裝面上，并在支承體的支承面上施加300 kN的力，如圖7所示。

圖7 約束及載荷施加

分析并得到變形云圖如圖8所示，由應變云圖可知，最大位移發生在支承體中間位置，位移量為3.92 mm，板厚為30 mm(可適當增厚)。

圖8 變形云圖

圖9 應力云圖

分析并得到應力云圖如圖9所示，由應力云圖可知，整個結構的最大應力為267.51 MPa，Q345材料可滿足使用要求。

5 結論

經過以上設計及校核過程，此側支承結構可防止掘進機在掘進作業中的機尾擺動現象，且結構簡單易于維護，具有一定的推廣價值。