全斷面煤巷高效掘進(jìn)機(jī)關(guān)鍵螺栓聯(lián)接設(shè)計(jì)

藏家君 廉 浩

（北方重工集團(tuán)有限公司煤礦機(jī)械分公司，遼寧 沈陽 110141）

目前，國內(nèi)首臺全斷面煤巷高效掘進(jìn)機(jī)在我公司已研發(fā)試制完成，現(xiàn)正處于煤礦工業(yè)性試驗(yàn)階段。QMJ4260全斷面煤巷高效掘進(jìn)機(jī)是一種綜合掘進(jìn)、采煤設(shè)備，集全斷面切割、裝運(yùn)、行走、滅塵、支護(hù)、錨固多重功能于一體，實(shí)現(xiàn)巷道快速掘進(jìn)。該機(jī)主要用于采煤準(zhǔn)備巷道矩形斷面的快速掘進(jìn)，定位切割高度4.2m，切割寬度6m ?？v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(jī)。

根據(jù)圖1可知，兩三臂式主刀盤與主減速機(jī)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(jī)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(jī)，油缸動(dòng)作可實(shí)現(xiàn)上滾筒舉升和下落；下截割滾筒裝置與主減速機(jī)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(jī)，油缸動(dòng)作可實(shí)現(xiàn)下滾筒抬起和下降；主截割減速機(jī)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(dòng)作調(diào)節(jié)截割斷面高度。

因整機(jī)的結(jié)構(gòu)功能要求，整個(gè)前端工作裝置工作時(shí)需滿足整體上下浮動(dòng)功能，所以整個(gè)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(dòng)作實(shí)現(xiàn)車架與整個(gè)工作裝置整體上下浮動(dòng)。前端工作裝置各部分總重達(dá)95t， 再加上主刀盤及滾筒工作過程中形成的復(fù)雜載荷共同作用于主減速機(jī)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(shè)計(jì)工作尤為重要。

進(jìn)行螺栓組連接的設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)根據(jù)實(shí)際工況、載荷情況及結(jié)構(gòu)尺寸要求來確定螺栓的布置方式、數(shù)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(yīng)根據(jù)實(shí)際配合情況設(shè)計(jì)成盡量簡單，易于加工，最好設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)為環(huán)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(yīng)使螺栓組受力合理，當(dāng)布置受到力矩作用的螺栓組時(shí)，螺栓應(yīng)遠(yuǎn)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(yīng)該盡量使同一組螺栓完全相同，各個(gè)螺栓設(shè)計(jì)的最小間距應(yīng)滿足普通或特殊的力矩扳手空間的要求，最大間距應(yīng)按照連接用途及結(jié)構(gòu)尺寸大小來確定。

在整體設(shè)計(jì)布置已定的情況下，綜合考慮主減速機(jī)安裝方式和車架結(jié)構(gòu)空間的限制等要求，首先按照上述的螺栓組接合面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(chǎn)生轉(zhuǎn)矩T的位置為主減速機(jī)輸出端位置。

對螺栓組連接受力進(jìn)行分析并計(jì)算：

已知，前端工作裝置總重95t；摩擦面螺栓組螺栓數(shù)量 Z=75；

兩個(gè)主刀盤在單刀盤堵轉(zhuǎn)情況下，輸出轉(zhuǎn)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(yù)緊力

式中：Ks－考慮摩擦因數(shù)的不穩(wěn)定而引入的可靠性系數(shù)；

f－聯(lián)接摩擦副的摩擦因數(shù)；

Z－螺栓組螺栓個(gè)數(shù)；

i－摩擦接合面數(shù)量。

（2）在轉(zhuǎn)矩T作用下，螺栓所需預(yù)緊力

式中：ri－螺栓中心至摩擦面旋轉(zhuǎn)中心的距離，根據(jù)圖上測量求得所需預(yù)緊力F預(yù)=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(zhuǎn)力矩對稱軸線的距離，根據(jù)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(qiáng)合金螺栓，查得 [σs]=900MPa：在控制預(yù)緊力情況下，取安全系數(shù)S=3。

求得螺栓許用應(yīng)力為：

求所需螺栓危險(xiǎn)截面直徑：

根據(jù)以上結(jié)果，故應(yīng)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(yù)緊力是否合適

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

所需預(yù)緊力F預(yù)=149410N<424980N；故滿足要求。

根據(jù)已確定的螺栓公稱直徑，選取螺栓類型、長度、精度及相應(yīng)的放松墊圈。

結(jié)語

因?yàn)榇水a(chǎn)品為國內(nèi)首臺創(chuàng)新型煤礦用全斷面高效掘進(jìn)機(jī)，在創(chuàng)新設(shè)計(jì)過程中需要進(jìn)行反復(fù)核算，前端工作裝置與本體架接合面經(jīng)過螺栓連接后，經(jīng)過了組裝試運(yùn)行及煤礦現(xiàn)場工業(yè)性試驗(yàn)的嚴(yán)酷考驗(yàn)，保證了接合面連接螺栓工作的可靠性。

[1]成大先.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊（第五版）[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社 2007.11

[2]《重型機(jī)械標(biāo)準(zhǔn)》編寫委員會、中國重型機(jī)械工業(yè)協(xié)會.重型機(jī)械標(biāo)準(zhǔn)[M].昆明：云南科技出版社，2007.