煤礦用錨桿轉載機組的設計研究

何吉超，潘麗君

（三一重型裝備有限公司，遼寧 沈陽 110027）

1 引言

目前懸臂式掘進機是巷道掘進的主要設備，錨桿錨索支護由截割部機載錨桿鉆機或行走部機載錨桿鉆機動+單體氣動錨桿鉆機作業完成，由于巷道掘進運輸與錨桿支護作業不能同步進行，嚴重影響巷道掘進效率。另一方面單體氣動錨桿鉆機支護作業時掘進機需后退騰出操作空間，空頂距大存在安全隱患，加之單體氣動錨桿鉆機運輸支護都是人工操縱且需2～3人，工人勞動強度大。與煤巷掘進“少人、高效、自動、智能”的技術發展要求差距較大，而且礦井產能增加后上述問題會更加突出。

針對目前存在的問題，公司開發了快速掘進系統，該系統由掘錨一體機、錨桿轉載機組、橋架式轉載皮帶機、自移機尾組成，整套系統能實現巷道工作面掘進，錨桿、錨索多排多臂同時作業，實現了多臺設備協同工作，提高巷道支護效率。

2 錨桿轉載機組的設計研究

2.1 快速掘進系統的介紹

快速掘進系統由掘錨一體機、錨桿轉載機組、橋架式轉載皮帶機、邁步自移機尾組成，掘錨一體機采用截面一次成型，截割推進利用本體平移油缸推進，截割作業時行走不動，可實現掘錨平行作業。掘錨一體機共布置6 臺機載錨桿鉆機，4 臺頂錨鉆機和2 臺幫錨鉆機，頂錨鉆機布置在截割部兩側，兩兩一組，可橫向滑移、整體前后擺動，單個鉆機可以左右擺動，可實現一定寬度范圍內的巷道支護，同時鉆機自由度多，方便調整姿態。2 臺幫錨鉆機獨立工作，可上下滑移，實現一定高度范圍內巷道支護。錨桿轉載機組補打掘錨一體機剩余的錨桿及錨索，具備破碎、轉載、運輸功能，橋架式轉載皮帶機與錨桿轉載機組運輸機搭接，實現物料連續運輸，橋架式轉載皮帶機騎跨在自移機尾鋼軌上，自移機尾自帶乳化液動力系統，通過邁步推移機構實現邁步式快速自移，能夠實現帶式輸送機結尾的機械化延伸，避免采用絞車或者掘進設備退機牽引機尾等作業方式，有效提高掘進作業效率。快速掘進電氣系統將設備的電控箱、泵站、通信設備、攝像頭等分散在各個設備上，動力源分配合理，由中央控制室統一控制、顯示頻可以看到所有設備單前狀態，減少了安全隱患。將快速掘進系統組成如圖1 所示。

圖1 快速掘進系統組成

2.2 錨桿轉載機組結構組成

錨桿轉載機組由行走部、幫錨鉆機總成、破碎總成、運輸機、頂錨鉆機總成、工作平臺、護板組件、前后支腿組件、電氣系統、液壓系統組成，共布置5臺錨桿鉆機。錨桿轉載機組組成如圖2 所示。

圖2 錨桿轉載機組組成

行走部由主機架、左右履帶架、橫梁、托架總成，左右履帶架分別布置液壓馬達及減速機，為整機前進后退提供動力。主機架相當于主機本體，運輸機布置在本體中間通過連接塊固定，運輸機采用中單鏈，驅動方式為電機驅動，輸出扭矩大，過載能力強，效率高。破碎總成為雙滾筒形式，液壓馬達加減速機驅動，破碎能力強，破碎范圍大，破碎總成固定在托架上，其正下方就是運輸機，可進行物料的連續運輸、破碎、轉載。

幫錨鉆機總成左右對稱布置，分別固定在行走部托架兩側，幫錨鉆機可前后滑動、上下滑移、90°擺動。前后滑移采用油缸驅動，可進行排距調整，整體上下滑移采用圓柱導軌雙鏈條倍程提升機構，可進行不同高度幫錨桿支護，90°擺動采用液壓擺缸，鉆機進行支護作業時擺動到與巷道底板平行，非支護模式下擺動到與巷道底板垂直，方便人員通過。

頂錨鉆機總成由隔距件、工作平臺、錨桿鉆機等組成，隔距件分別固定在左右履帶架上，工作平臺上布置3 臺頂錨鉆機，1 臺錨桿鉆機布置在設備中線，可左右滑動，進行鉆機姿態調整，主要打中錨桿，與幫錨鉆機相隔1 個排距，其余2 臺錨桿鉆機左右對稱布置，與第一臺錨桿鉆機相隔1.5 倍排距，打錨索及掘錨一體機支護剩余頂錨桿補打，這兩臺鉆機分別布置左右滑移機構，移動范圍大，可進行不同寬度的巷道錨桿支護。

整機除運輸機為電機驅動外，其余執行機構均為液壓驅動，采用負載敏感控制系統，電機驅動雙聯變量柱塞泵，將高壓液壓油輸送給負載敏感控制閥，通過負載敏感控制閥的開閉給執行機構提供動力，整個液壓系統效率高，功率損耗低。其中行走模式與錨護模式閉鎖控制，既在行走模式下，除了破碎、運輸機可工作，其余執行機構均不可工作，在錨護模式下，行走不能動，其余執行機構均可工作，增加了設備的安全性能。

3 錨桿轉載機組設計計算

錨桿轉載機組的主機參數如圖表1 所示。

表1 錨桿轉載機組主要技術參數

3.1 液壓泵站的電機功率計算

計算整機液壓系統所選電機功率，可按下式 （1）計算：

式中：P—電動機功率，單位kW；

p—液壓泵的最大工作壓力，單位MPa；

Q—液壓泵的輸出流量，單位L/min；

泵站輸出排量260 mL/r，最大工作壓力28 MPa，電機轉速1 477 r/min，計算的系統所需功率為179.2 kW，考慮到泵的效率，電機功率一般為所需功率的1.05 倍～1.25 倍，電機功率為188.2～224 kW，查有關電機手冊，所選電機功率為200 kW 時比較合適。

3.2 運輸機的運輸效率計算

計算運輸機的運輸效率，可按下式（2）計算：

式中：Q—運輸功率，單位m3/min；

F—輸送機斷面積，單位m2；

ψ—裝滿系數，ψ 取0.69～0.9；

V—鏈速，單位m/s；

輸送機斷面積F=0.772×0.28=0.22 m2

一運鏈速：V=π×D1×n1/60=3.14×0.332×133/60= 2.3 m/s

D1—一運鏈輪直徑0.332 m n1—鏈輪轉速133 r/min

各項代入上式：

Q=60×0.22×2.3×0.9=27.3 m3/min

煤的貨載堆的密度為0.85～1 t/m3

運輸機的輸送能力Q=0.92×15.18×60=1 500 t/h

3.3 主要結構件的強度分析

根據錨桿轉載機組的使用工況及受力分析對以下結構件進行了強度分析。

（1）車架總成強度分析。在靜止狀態下車架總成承受所有部件的重力，在錨護模式下，車架還承受錨桿支護的反作用力，對車架總成建立有限元模型，鋼板結構采用shell 單元建模，采用四面體網格；螺栓連接由rigid 單元等效；其他部件在質心處使用mass 單元等效；3 個頂錨桿需要對車架加載反作用力，使用Rb2 剛性單元進行力的傳導，車架結構件材料為Q345B 參數如下表2 所示。

表2 材料參數

載荷與邊界條件：

載荷：垂向施加1g 加速度載荷；每個錨桿加載30 kN 的集中力。

邊界條件：約束左右兩側的行走部6 個自由度。仿真分析如圖3 所示。

圖3 車架總成應力云圖

結論：通過分析最大應力為105 MPa，材料屈服強度345 MPa，安全系數為3.29，大于1.5，滿足設計要求。

（2）幫錨總成滑道組件強度分析。幫錨鉆機整體上下滑移采用圓柱導軌雙鏈條倍程提升機構，最高處可達2 m 左右，幫錨鉆機錨桿支護時導柱承受反作用力，將幫錨總成結構進行簡化處理，板結構采用shell 單元進行建模，導柱、滑道組件等采用四面體單元建模，螺栓連接處采用rigid 連接，錨桿機整體在質心位置創建質量點，并與連接座剛性連接，錨桿轉載機幫錨總成結構件材料均為Q345B，導柱材料為40Cr，材料參數如下表3 所示：

表3 材料參數

（3）載荷與邊界條件。考慮極限工況，即錨桿機上升到最大位置，此時為結構件最大受力狀態。底座通過螺栓與車架連接，將底座主立板的螺栓位置進行固定約束；同時將錨桿機質心位置處施加30 kN 集中力，另考慮幫錨總成自身的重力。通過分析最大應力為131 MPa，材料屈服強度345 MPa，安全系數為2.63，大于1.5，滿足設計要求。

4 結語

錨桿轉載機組的設計研究，為快速掘進系統提供了有力的技術支持，集履帶行走、錨桿錨索支護、轉載、破碎于一體，提高了巷道進尺速度和掘進效率，錨桿鉆機均為機載式，操作液壓手柄即可完成錨桿錨索支護作業，大大減輕了工人的勞動強度，減少了工作面工人數量，實現了各大礦務局工作面少人化、智能化、增產、增效，使煤礦綜合效益最大化。