全斷面煤巷高效掘進機關鍵螺栓聯接設計

藏家君 廉 浩

（北方重工集團有限公司煤礦機械分公司，遼寧 沈陽 110141）

目前，國內首臺全斷面煤巷高效掘進機在我公司已研發試制完成，現正處于煤礦工業性試驗階段。QMJ4260全斷面煤巷高效掘進機是一種綜合掘進、采煤設備，集全斷面切割、裝運、行走、滅塵、支護、錨固多重功能于一體，實現巷道快速掘進。該機主要用于采煤準備巷道矩形斷面的快速掘進，定位切割高度4.2m，切割寬度6m 。縱向工作坡度≤±5°。

其前端工作裝置主要組成為：①三臂式可伸縮刀盤（對稱各一）；②上截割滾筒裝置；③下截割滾筒裝置；④主截割減速機。

根據圖1可知，兩三臂式主刀盤與主減速機輸出端通過方鍵及螺栓連接到一起；上截割滾筒裝置與主減速機上面的鉸耳通過銷軸連接，再通過一對油缸兩端連接上截割滾筒裝置與主減速機，油缸動作可實現上滾筒舉升和下落；下截割滾筒裝置與主減速機下面的鉸耳通過銷軸連接，再通過一對油缸兩端連接下截割滾筒裝置與主減速機，油缸動作可實現下滾筒抬起和下降；主截割減速機再通過螺栓連接固定到本體車架上。通過上、下滾筒裝置油缸的動作調節截割斷面高度。

因整機的結構功能要求，整個前端工作裝置工作時需滿足整體上下浮動功能，所以整個前端工作裝置需連接固定到本體車架上，本體車架與行走部由兩支撐油缸連接，通過該油缸動作實現車架與整個工作裝置整體上下浮動。前端工作裝置各部分總重達95t， 再加上主刀盤及滾筒工作過程中形成的復雜載荷共同作用于主減速機與本體的接合面處，故前端工作裝置與本體車架之間的固定螺栓組設計工作尤為重要。

進行螺栓組連接的設計時，應根據實際工況、載荷情況及結構尺寸要求來確定螺栓的布置方式、數量及連接接合面的幾何形狀，螺栓組連接接合面的幾何形狀應根據實際配合情況設計成盡量簡單，易于加工，最好設計為軸對稱的幾何形狀，如圓形、矩形、方形等。盡量使螺栓組形心與連接接合面形心重合，接合面設計為環狀或條狀，以便減少加工量、減小接合面不平的影響，可以增加連接剛度；螺栓的布置應使螺栓組受力合理，當布置受到力矩作用的螺栓組時，螺栓應遠離接合面對稱軸，使螺栓靠近接合面邊緣，增加連接的可靠性；在滿足連接要求的情況下，還應該盡量使同一組螺栓完全相同，各個螺栓設計的最小間距應滿足普通或特殊的力矩扳手空間的要求，最大間距應按照連接用途及結構尺寸大小來確定。

在整體設計布置已定的情況下，綜合考慮主減速機安裝方式和車架結構空間的限制等要求，首先按照上述的螺栓組接合面結構設計原則將接合面形狀及螺栓組布置為如圖2所示樣式。螺栓組在接合面上沿中軸線左右對稱，左下和右下兩處產生轉矩T的位置為主減速機輸出端位置。

對螺栓組連接受力進行分析并計算：

已知，前端工作裝置總重95t；摩擦面螺栓組螺栓數量 Z=75；

兩個主刀盤在單刀盤堵轉情況下，輸出轉矩T=660000N·M；

螺栓組橫向外載荷為Fw=950000N。

外載荷作用下受傾覆力矩M=9.5×105×1.65=1567.5kN·M

（1）在外載荷Fw作用下，螺栓所需預緊力

式中：Ks－考慮摩擦因數的不穩定而引入的可靠性系數；

f－聯接摩擦副的摩擦因數；

Z－螺栓組螺栓個數；

i－摩擦接合面數量。

（2）在轉矩T作用下，螺栓所需預緊力

式中：ri－螺栓中心至摩擦面旋轉中心的距離，根據圖上測量求得所需預緊力F預=F0+F0ˊ=102917+ 46493=149410N

（3）在傾覆力矩M作用下，螺栓所受到最大軸向載荷

式中：Li－螺栓中心至摩擦面翻轉力矩對稱軸線的距離，根據圖上測量求得。

螺栓受到總拉力：

（4）確定螺栓直徑

選擇螺栓為10.9級高強合金螺栓，查得 [σs]=900MPa：在控制預緊力情況下，取安全系數S=3。

求得螺栓許用應力為：

求所需螺栓危險截面直徑：

根據以上結果，故應選取螺栓公稱直徑d=36mm的螺栓較為合理（螺紋小徑d1=31.67mm>29.86mm。

（5）校核螺栓所需預緊力是否合適

對合金鋼螺 F預≤0.6σSA1=0.6×900MPa×787mm2=424980N

所需預緊力F預=149410N<424980N；故滿足要求。

根據已確定的螺栓公稱直徑，選取螺栓類型、長度、精度及相應的放松墊圈。

結語

因為此產品為國內首臺創新型煤礦用全斷面高效掘進機，在創新設計過程中需要進行反復核算，前端工作裝置與本體架接合面經過螺栓連接后，經過了組裝試運行及煤礦現場工業性試驗的嚴酷考驗，保證了接合面連接螺栓工作的可靠性。

[1]成大先.機械設計手冊（第五版）[M].北京：化學工業出版社 2007.11

[2]《重型機械標準》編寫委員會、中國重型機械工業協會.重型機械標準[M].昆明：云南科技出版社，2007.