MLZ36/8型龍門式自行錨桿鉆機的研制

宋翠萍

(山西東華機械有限公司,山西省長治市,046012)

1 前言

隨著綜采工作面機械化程度的不斷發展,煤炭產量的提高,對巷道掘進速度提出了新的要求。在煤礦巷道掘進過程中,為了預防巷道坍塌,必須對巷道的頂板及側幫進行錨網支護。目前,大多數煤礦采用在掘進機掘進一段后,停止工作,由人工搬運錨桿機,并臨時搭架平臺對巷道頂板及側幫進行錨護,從而達到支護的目的,這種方法效率低,工人勞動強度大,速度慢,基本上是用三分之一的時間掘進,用三分之二的時間錨護,大大影響了巷道的掘進速度。由于在沒有可靠支護的情況下對巷道錨護,在錨護中遇到破碎頂板時,還存在安全隱患,因此這種現狀與現代化高產高效的機械化煤炭生產極不協調,為了解決以上問題及改變現狀,研制開發了龍門式自行錨桿鉆機。

圖1 龍門式自行錨桿鉆機外形與巷道采掘設備位置圖

2008年龍門式自行錨桿鉆機在趙莊煤礦12043巷道中試用,為適應大斷面巷道的特定條件,將龍門式自行錨桿鉆機設計成帶升降工作平臺的履帶龍門式(左右液壓馬達分別驅動),爬坡能力為±16°,自備液壓源為電機、油箱及油泵。它能跨在掘進機上,對頂臨時支護和頂網后用多臺鉆機同時對頂幫和側幫進行錨護,提高了錨護速度,巷道的掘進速度是原來1.5倍,并降低了工人的勞動強度。這樣可縮短輔助時間,快速進行多點錨護,可大大提高生產率。龍門式自行錨桿鉆機外形尺寸與巷道采掘設備相互位置如圖1所示。

2 龍門式自行錨桿鉆機機架設計

12043掘進巷道跨度為6 m,高度5 m,配套掘進機的外形機高×機寬為2310 mm×3200 mm(EBZ200型懸臂式半煤巖掘進機),采用先掘后錨、掘退錨進、交替互換、及時進行配套設備相互工作工藝。

2.1 機架所用油缸的選擇

機架支撐油缸首先是為鋪網工序實施創造條件;其次是將錨網托向頂板,為進行錨桿支護工藝向巷道圍巖打錨眼工藝提供方便;三是在實施對巷道圍巖進行錨護過程中,對施工范圍頂板進行定點預防性支撐維護。這種短時間臨時性的支護只是一種技術工藝措施。因此,機架油缸的參數選擇建立在巷道圍巖應力值小于巖體極限強度值產生彈性變形假設條件下,進行防御性的臨時支護,為錨網永久性支護創造了一個安全環境。

(1)根據普氏公式確定錨護機上方頂壓:

式中:a——巷道跨度之半,m;

γd——巷道頂板容重,泥巖γd的取值范圍為22.6～25.5 kN/m3;

Pd——頂壓,kN/m2。

取a=3 m,γd=23 kN/m3,則Pd=138 kN/m2。

(2)根據我國修正頂壓公式:

f——普氏硬度系數,煤巷取1.1;

a1——壓力拱跨之半,m。

取a=3 m,a1=3 m,γd=23 kN/m3,f=

1.1,則Pd=188.18 kN/m2。

兩項計算取大值,則Pd=188.18 kN/m2。

(3)龍門式自行錨桿鉆機的控頂面積:

式中:S——控頂面積,m2;

A——機架立柱中心寬度,m;

B——機架立柱中心長度,m。

取A=3.2 m,B=4.004 m,則S=12.8128 m2。

(4)控頂面積范圍內的載荷:

F2=Pd·S

=188.1818×12.8128

=2411.136 kN

(5)短撐頂油缸初撐力的計算:

式中:D——缸徑,m;

P承——泵壓,MPa;

Fc——油缸初撐力,kN。

取D=0.16 m,P承=20 MPa,則

Fc=402.12 kN

2.2 機架的強度、變形校核

機架為門式結構,在轉彎時機架會受到扭曲變形的影響;設計時根據實際尺寸,采用COSMOSXpres設計分析軟件進行強度與變形校核。

(1)受力狀況:機架轉彎時,設機架一側不動,另一側受切向推力;其大小為履帶對地面的附著力的一半,即75 kN。

(2)機架采用的材料為16 Mn;屈服極限為350 MPa;彈性模量2.0×105MPa;泊松比為0.29。

(3)由此產生的最大應力為154.5 MPa;最小應力為1523 Pa;安全系數為2.27;最大彈性變形量為30 mm。

3 龍門式自行錨桿鉆機工作平臺設計

工作平臺是龍門式自行錨桿鉆機的主要功能部件,它應能支承兩個輔助頂網千斤頂,又能承載操作人員的重力和鉆孔時的設備反力;龍門式自行錨桿鉆機運動時工作平臺外緣與巷道壁應保持有足夠的空間,工作平臺在工作狀態時又須使平臺盡量接近巷道壁。

工作平臺由平臺組件、頂網組件、懸掛組件、導輪組件等組成。工作平臺結構如圖2所示。

(1)平臺組件由左右臺板、左右伸縮板、伸縮板油缸、定位銷及各種蓋板組成。平臺是主要的承力構件,所以采用網架式結構。平臺的四角有懸掛耳環;平臺靠立柱的內側有定位銷,工作時將平臺、立柱連為一體,更加安全可靠;平臺中部安裝頂網組件;平臺的上部履蓋用花紋鋼板做成,防止人員工作時滑倒,蓋板上還開有成組分布的孔,便于固定鉆機尾部頂尖。

圖2 工作平臺結構

(2)懸掛組件。平臺是用懸掛組件與機架連接的。平臺的上下升降也是通過懸掛組件實現的。懸掛組件由油缸、導向裝置、槽輪、平板鏈等構件組成,安裝于立柱之內。

(3)頂網組件由油缸、支座、頂桿、頂蓋、隔板等組成。

(4)導輪組件由固定板、導輪、滑塊、調整螺母、彈簧、外殼等零部件組成。

4 龍門式自行錨桿鉆機行走部

煤礦采掘機械中使用的行走部多采用履帶行走機構。履帶行走機構采用單獨驅動,具有牽引力大、接地比壓低、爬坡能力強、轉彎半徑小、在坡道上易制動的優點,所以,龍門式自行錨桿鉆機采用履帶行走機構。

履帶行走機構是龍門式自行錨桿鉆機的支承件,用來支承整機的重量和承受在作業過程中產生的力,并完成龍門式自行錨桿鉆機前后行走、轉彎時的移動。我們設計為二履帶驅動結構,履帶沿整機縱向中心對稱布置,各由20個高強度螺栓與機架相連,左右行走機構由液壓馬達分別驅動。

圖3 左行走機構

履帶行走機構主要包括履帶架、支重輪、張緊器、驅動裝置、履帶板等組成。左行走機構組成圖如圖3所示。

5 龍門式自行錨桿鉆機前后下支撐部

前后支撐由兩個前支撐油缸、兩個后支撐油缸及支撐架組成,當地面狀況不好或更換履帶時,可將前后支撐伸出,把整個機身抬起,起到支撐作用。下支承部件結構圖如圖4所示。

圖4 下支承部件

6 龍門式自行錨桿鉆機特點

(1)在巷道掘進的過程中,采用龍門式自行錨桿鉆機,掘進機可以從龍門中穿過。工作中掘進機在前,錨護機在后,掘進機掘進一段距離后,停止工作,然后穿過錨護機的龍門后退讓出空間,錨護機前進到位后,啟動錨桿鉆機進行打孔,安裝和固定錨桿,工作完后,立即后退,掘進機再前進進行掘進。

(2)在巷道頂板好的情況下,可以前邊掘進后邊錨護,實現同步作業,速度快、效率高。

(3)為了適應高低不同的巷道,使操作平臺實現上下升降來達到適合操作的高度。

(4)支護立柱升降起到頂網及防護的目的,提高了錨護環境的安全性。

(5)在平臺上留有液壓鉆機接口,可以外接4～6臺液壓鉆機,可以進行多臺錨桿鉆機作業,加快錨護速度。

[1] 李國軍.煤礦(礦山)綜采液壓支架設備選型設計、工況分析檢測實用手冊[M].北京:煤炭工業出版社

[2] 邢福康,蔡坫,劉玉堂.煤礦支護手冊[M].北京:煤炭工業出版社