中小型煤礦滑移支架快速安裝裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

陳競(jìng)

（河南工業(yè)和信息化職業(yè)學(xué)院，焦作 454000）

中小型煤礦滑移支架快速安裝裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

陳競(jìng)

（河南工業(yè)和信息化職業(yè)學(xué)院，焦作 454000）

中、小型煤礦因地質(zhì)條件及邊界限制安裝懸移支架既費(fèi)時(shí)又費(fèi)力。為了降低礦工勞動(dòng)強(qiáng)度、提高工作效率，滿足采煤工作面高產(chǎn)高效要求，本文設(shè)計(jì)了一種一種新型滑移支架快速安裝裝置，該裝置能夠適應(yīng)中小煤礦井下工作面條件，實(shí)現(xiàn)懸移支架的快速安裝和拆除。

滑移支架 快速安裝 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 仿真分析

懸移式液壓支是中小型煤礦采煤工作面支護(hù)設(shè)備。由于中、小型煤礦地質(zhì)條件及邊界限制[1]，工作面布置大多不規(guī)則，導(dǎo)致懸移支架需要頻繁地拆除、安裝。目前，安裝一架懸移支架需要8個(gè)人共同配合才能完成，耗時(shí)約1小時(shí)。既費(fèi)時(shí)又費(fèi)力，嚴(yán)重影響工作面安裝拆除速度和采面正常接替。基于上述現(xiàn)狀，本文設(shè)計(jì)了一種能夠適應(yīng)中小煤礦井下工作面條件的懸移支架快速安裝、拆除裝置，達(dá)到安裝拆除安全、減少作業(yè)人員數(shù)量，縮短安裝拆除時(shí)間，降低礦工勞動(dòng)強(qiáng)度、提高工效的目的，滿足采煤工作面高產(chǎn)高效要求。

1 滑移支架快速安裝裝置總體方案設(shè)計(jì)

滑移支架快速安裝裝置的總體方案設(shè)計(jì)如下：

（1）快速安裝裝置的移動(dòng)平臺(tái)：根據(jù)中小型煤礦井下工作面條件，確定快速安裝裝置的移動(dòng)平臺(tái)采用礦用平板車，軌道式移動(dòng)，軌距600mm。

（2）支架頂梁舉升機(jī)構(gòu)原理：舉升裝置固定安裝有移動(dòng)平臺(tái)上，且應(yīng)能夠滿足兩個(gè)方面的要求[2]，即滑移支架頂梁的提升和提升過(guò)程中的姿態(tài)保持。要求在滑移支架頂梁在上升過(guò)程中始終保持水平姿態(tài)。為此，確定采用2自由度的工作結(jié)構(gòu)，工作原理與輪式裝載機(jī)相似。即由托臂液壓缸實(shí)現(xiàn)對(duì)支架頂梁的提升，由平衡液壓缸實(shí)現(xiàn)對(duì)支架頂梁姿態(tài)調(diào)整。

（3）支架頂梁位置調(diào)整機(jī)構(gòu)：插爪插入位于運(yùn)輸平板車上的滑移支架頂梁下部，將頂梁托起之后，如果頂梁出現(xiàn)扭偏現(xiàn)象，即頂梁側(cè)面與支架布置走向不垂直，應(yīng)該能夠?qū)斄旱呐てM(jìn)行矯正。故需設(shè)置頂梁位置調(diào)整機(jī)構(gòu)。技術(shù)方案為在工作裝置的插爪處安裝可伸縮的推進(jìn)板。

（4）快速安裝裝置的移動(dòng)：當(dāng)一個(gè)滑移支架安裝完成后，裝置應(yīng)能夠自行移動(dòng)至下一個(gè)支架安裝位置。為了適應(yīng)工作面空間狹窄的特點(diǎn)，決定采用液壓缸驅(qū)動(dòng)的方式。即在移動(dòng)平臺(tái)后部設(shè)置行走油缸。行走油缸的行程即移動(dòng)平臺(tái)的推進(jìn)距離。行走油缸的一端鉸接于移動(dòng)平臺(tái)的后部，另一端鉸接于可移動(dòng)推進(jìn)座上。可移動(dòng)推進(jìn)座通過(guò)螺栓鎖緊在軌道上。行走油缸的推進(jìn)距離應(yīng)等于滑移支架頂梁的寬度。

（5）快速安裝裝置定位支撐機(jī)構(gòu)：當(dāng)快速安裝裝置移動(dòng)至支架安裝位置后，定位支撐機(jī)構(gòu)用于將裝置穩(wěn)固的支撐鎖緊，以保證整機(jī)可靠定位，支撐鎖緊力則用于平衡支架頂梁自重。本設(shè)計(jì)采用支頂油缸作為定位支撐機(jī)構(gòu)，支頂油缸底部鉸接于移動(dòng)平臺(tái)上。快速安裝裝置移動(dòng)至支架安裝位置后，支頂油缸伸出支撐于工作面頂板。整個(gè)工作裝置在行走油缸和支頂油缸的作用下，即可實(shí)現(xiàn)裝置的可靠定位和支撐鎖緊。

設(shè)計(jì)完成的快速安裝裝置的總體方案如圖1所示。

圖1 快速安裝裝置的總體方案

2 快速安裝裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 車架與托臂和液壓缸的鉸接位置分析

工作裝置車架與托臂和液壓缸的鉸接位置如圖2所示。其中，A為托臂與車架的鉸接點(diǎn)，M為托臂液壓缸與車架的鉸接點(diǎn)，H為托臂液壓缸與托臂的鉸接點(diǎn)。A點(diǎn)向前布置有利于增大裝置的卸載距離，但傾翻力矩隨之增大。因此，在設(shè)計(jì)時(shí)，將A點(diǎn)的位置布置在平板車中部。

圖2 車架與托臂和液壓缸的鉸接位置示意圖

在確定裝置高度時(shí)，考慮井下風(fēng)門的高度，同時(shí)為了降低裝置重心高度，A點(diǎn)位置不能過(guò)高。在實(shí)際確定A點(diǎn)位置時(shí)，應(yīng)考慮最大卸載高度、卸載距離和托臂最大回轉(zhuǎn)角度，以及托臂液壓缸的受力條件。根據(jù)裝載機(jī)設(shè)計(jì)要求[3]，托臂從最低位置到最高位置的回轉(zhuǎn)角度一般應(yīng)小于90°。

M點(diǎn)與H點(diǎn)的布置應(yīng)根據(jù)液壓缸受力狀態(tài)及行程確定。若H點(diǎn)靠前，托臂升舉時(shí)液壓缸推力越小，但活塞行程較大；H點(diǎn)靠后，活塞行程較小，但液壓缸推力較大。因此，H點(diǎn)一般布置在靠近托臂后端約為其長(zhǎng)度的三分之一處為宜。

托臂液壓缸行程ΔL為：

2.2 托臂及托臂液壓缸設(shè)計(jì)

2.2.1 托臂形狀確定

托臂形狀一般分為直線形和曲線形兩種[4]。直線形托臂結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造容易，并且受力情況好，通常正轉(zhuǎn)式連桿工作裝置較多采用。所謂正轉(zhuǎn)式連桿是指搖臂與連桿運(yùn)動(dòng)方向相同。曲線形托臂一般在反轉(zhuǎn)式連桿工作裝置中應(yīng)用較多。所謂反轉(zhuǎn)式連桿是指搖臂與連桿運(yùn)動(dòng)方向相反。曲線形托臂可使工作裝置的布置更為合理，所以本工作裝置采用曲線形托臂。

2.2.2 托臂尺寸確定

（1)托臂與插爪的鉸點(diǎn)B的位置計(jì)算。托臂與插爪的鉸點(diǎn)為B點(diǎn)。為了使裝置的插爪能夠順利插入位于平板車上的滑移支架頂梁下部，取B點(diǎn)與軌道表面的距離L1=250～300mm，如圖3所示。

B點(diǎn)的上限位置應(yīng)保證插爪有最大下卸載高度和最小卸載距離。B點(diǎn)的具體位置用作圖法來(lái)確定。托臂與車架的連接點(diǎn)A應(yīng)位于BB1連線的垂直平分線上。當(dāng)最大卸載高度Hsmax和最小卸載距離Lsmin確定后，B點(diǎn)的前后位置影響托臂的長(zhǎng)度LD、托臂的回轉(zhuǎn)角θ以及托臂最大伸出時(shí)的穩(wěn)定性。A點(diǎn)與前車輪中心的距離為L(zhǎng)A，LA增大，托臂增長(zhǎng)，托臂回轉(zhuǎn)角θ減小，傾翻力矩小，同時(shí)提高了裝置在最大伸出時(shí)的穩(wěn)定性，所以，在總體布置允許的情況下，希望LA大些。裝載機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)，托臂與車架的鉸點(diǎn)的高度通常為：

式中，R0是插爪繞B點(diǎn)的回轉(zhuǎn)半徑，托臂回轉(zhuǎn)角θ通常取70～90°。

圖3 裝置結(jié)構(gòu)參數(shù)計(jì)算圖

（2）托臂長(zhǎng)度Ld計(jì)算公式。托臂鉸點(diǎn)B的位置確定之后，由圖3，利用幾何關(guān)系求出托臂LD的長(zhǎng)度如下：

式中，Hsmax為最大卸載高度，HA為托臂與車架的鉸點(diǎn)A距離軌道面的高度，LB是托臂與車架的鉸點(diǎn)B到平板車前端的距離，lsmin是最小卸載距離，即插爪到平板車前端面的距離。

由于托臂與車架的鉸點(diǎn)A在運(yùn)輸車的幾何中心上，根據(jù)平板車結(jié)構(gòu)參數(shù)，確定LB=965mm。

綜上參數(shù)知，

2.2.3 鉸接點(diǎn)M和H的位置確定

（1）H點(diǎn)一般布置在靠近托臂后端約為其長(zhǎng)度的三分之一處為宜[5]，但是考慮到液壓缸受力，因此將H點(diǎn)布置在大于其靠近托臂后端長(zhǎng)度的三分之一處，并取AH=1154mm。

（2）參照同類型設(shè)備以及考慮到液壓缸受力及行程，確定鉸接點(diǎn)M與A的距離為AM=600mm。

（3）最終確定H點(diǎn)位置如圖4所示。

圖4 H點(diǎn)位置尺寸示意圖

2.2.4 托臂液壓缸安裝尺寸和行程的確定

托舉高度和托臂回轉(zhuǎn)角確定，通過(guò)作圖法[6]（圖5）可求的托臂液壓缸安裝尺寸和行程。

圖5 托臂液壓缸安裝尺寸計(jì)算圖

由作圖法求的,液壓缸安裝尺寸MH=915mm。

由式（1）求的托臂液壓缸行程為：ΔL=MH-MH=1. 68-1.07=610mm。

3 插爪的運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真分析

在煤礦井下工作面安裝滑移支架時(shí)，由于工作面空間狹小，設(shè)備和人員較多，所以要求快速安裝裝置舉升支架頂梁時(shí)的速度不能太快，以免碰撞人員和設(shè)備。為此，設(shè)定插爪從最低點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到最高點(diǎn)的時(shí)間為60s。在仿真分析時(shí)，假設(shè)托舉液壓缸和平衡液壓缸均為等速運(yùn)動(dòng)。

為了分析插爪在舉升滑移支架頂梁過(guò)程中插爪運(yùn)動(dòng)情況，應(yīng)用ADAMS軟件，對(duì)工作裝置進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真分析。

3.1 插爪前端運(yùn)動(dòng)軌跡

圖6 插爪前端運(yùn)動(dòng)軌跡

圖6為仿真得到的插爪由最低點(diǎn)到最高點(diǎn)水平上升時(shí)其前端點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡。可以看出，當(dāng)插爪剛開始上升時(shí)，其前端點(diǎn)向前方運(yùn)動(dòng)，水平移動(dòng)的最大距離為0.14m，此時(shí)插爪前端點(diǎn)的垂直位移為0.87m。當(dāng)插爪進(jìn)一步上升時(shí)，插爪前端點(diǎn)開始向后運(yùn)動(dòng)。當(dāng)插爪升至1.65m時(shí)，插爪前端點(diǎn)的X坐標(biāo)為0。此后，插爪前端點(diǎn)一直向后運(yùn)動(dòng)，當(dāng)插爪提升至最高點(diǎn)時(shí)，插爪前端點(diǎn)的X坐標(biāo)為-0.92m。

基于上述分析，快速安裝裝置在現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)時(shí)，插爪由最低位置開始舉升前，應(yīng)確保在其前方0.14m以內(nèi)，不能有人員或其他物品存在，以免影響作業(yè)安全。

3.2 插爪上升的速度和加速度

在插爪舉升過(guò)程中，插爪前端點(diǎn)在垂直方向的速度和加速度如圖7、圖8所示。

由圖7、圖8可以看出，插爪在前50s內(nèi)垂直方向的速度和加速度的變化均不大，且呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)。該區(qū)間內(nèi)的最大速度為44.7mm/s，出現(xiàn)于19.4s處，此時(shí)，插爪前端點(diǎn)的高度為0.861m。最大加速度為0.063mm/s2，出現(xiàn)在上升開始時(shí)刻。在第50s時(shí)，插爪前端點(diǎn)的高度為2.197mm。在最后的10s內(nèi)，插爪垂直移動(dòng)的距離為約0.8m，而速度卻增加很快，最大速度達(dá)到57.5mm/s，最大加速度達(dá)到4.34mm/s2。

圖7 插爪前端點(diǎn)的上升速度

圖8 插爪前端點(diǎn)上升的加速度

在實(shí)際作業(yè)中，為了保證作業(yè)安全，當(dāng)插爪接近最高點(diǎn)時(shí)，應(yīng)減小液壓缸的動(dòng)作速度，以避免插爪速度過(guò)大。

[1]王志強(qiáng);卞學(xué)良;卞春艷;杜鋒坡.小型履帶式搬運(yùn)車工作裝置受力分析[J].工程機(jī)械，2014,45（07）:30-35.

[2]馬斌強(qiáng);頓文濤;郭潔.基于ADAMS的平行四連桿液壓舉升機(jī)構(gòu)的仿真設(shè)計(jì)[J].河南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2012,46（06）: 664-667.

[3]張復(fù)寶.大型液壓支架井下搬運(yùn)和快速拆裝工藝與裝備的研究[D].西安科技大學(xué)，2013.

[4]謝新軍，萬(wàn)軍.不規(guī)則厚煤層放頂煤工作面的懸移支架拆接實(shí)踐[J].中州煤炭,2010（9）:63-64.

[5]曹小榮;趙書明.液壓支架快速移架系統(tǒng)的研究[J];煤礦機(jī)械; 2010,31（02）:130-132.

[6]常凱.煤礦用液壓支架搬運(yùn)車的選型探討[J];煤礦機(jī)械; 2010,31（06）:72-74.

Structure Design of Fast Installing a Sliding Support in Medium and Small Coal Mines

CHEN Jing
（Henan College of Industry&Information Technical School, Henan Jiaozuo 454000）

Because of geological conditions and boundary constraints,the instillation of suspension support is time-consuming and laborious.In order to reduce miners'labor intensity,improve work efficiency,and meet the requirements of high yield and high efficiency, a new kind of rapid installation device with sliding support was designed in this paper.The device can adapt to the conditions of small coal mine underground working surface.The rapid installation and removal of suspended were realized.

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