中部槽機械抓手的結構設計與分析

胡成峰

摘 要：針對目前巷道鋪設中部槽過程中，中部槽安裝、起吊移動不便的問題，綜合中部槽的運行工況、受力特點，研究設計中部槽機械抓手的結構；同時，利用有限元分析軟件ANSYS對機械抓手的關鍵部件起吊端蓋進行結構強度及剛度分析。結果表明機械抓手能夠大幅提高中部槽起吊移動的速度，減少中部槽安裝時間，提高鋪設中部槽的效率，滿足礦井高產高效的要求，具有重要的經濟效益和社會效益；起吊端蓋的結構強度及剛度滿足安全使用要求。該設備的研究應用能夠為快速鋪設刮板輸送機提供有利條件，推廣前景廣闊。

關鍵詞：中部槽；結構設計；ANSYS；結構強度；結構剛度

中圖分類號： P634.3+3 文獻標識碼： A 文章編號： 1673-1069（2016）21-177-2

0 引言

中部槽是刮板輸送機的重要組成部分，主要用于承擔物料荷載，具有體積大、重量重等特點。刮板輸送機的中部槽組裝時，一般先根據運輸巷道的長度來確定所需中部槽的個數，然后通過設備吊裝單個中部槽進行組裝。目前，煤礦井下吊裝中部槽大多通過鋼絲繩捆綁中部槽進行吊運，此吊裝方式不僅費時費力，而且存在一定的危險性。所以在設計中部槽機械抓手時，綜合中部槽的結構特點、運行工況進行結構設計；同時，通過有限元軟件ANSYS對機械抓手的重要結構零部件進行力學分析，保證中部槽機械抓手在特定工況下滿足安全使用要求。

1 中部槽機械抓手結構設計

1.1 總體結構概述

1.主梁箱；2.端梁

1.液壓缸；2.齒條組；3.齒輪組；4.自由端抓手；5.固定端抓手

如圖1所示，中部槽機械抓手主要包括主梁箱、端梁，端梁通過焊接固定安裝在主梁箱兩端。主梁箱整體結構采用板材焊接成箱型截面的梁體，而箱型結構具有良好的抗彎抗扭性能[4]。主梁箱箱蓋上設有吊耳，主要用于實現與起重機吊鏈的連接，進而通過機械抓手將中部槽吊運到適當位置。端梁的前、后端頭形狀設計成中部槽卡槽形狀，有利于在吊運中部槽的過程中，端梁更好的卡在中部槽卡槽中。

1.2 主梁箱及端梁結構設計

主梁箱內部安裝有液壓缸、齒條組、齒輪組，液壓缸為整個機械抓手的動力部件，通過齒條組、齒輪組的嚙合傳動，推動自由端抓手卡在中部槽卡槽中，進而實現抓手對中部槽的抓取動作。齒條組包括左齒條、右齒條、橫梁，左齒條、右齒條分別焊接在橫梁的兩端；齒條組的橫梁與液壓缸活塞桿通過銷軸連接。齒輪組有兩對，分別安裝在箱體底板的左、右兩側。

端梁包括固定端抓手、自由端抓手，固定端抓手和自由端抓手的端頭在設計加工時，需根據中部槽卡槽的具體形狀來進行相似設計，保證端頭能正好卡在中部槽的卡槽中。固定端抓手內部設有滑槽，自由端抓手可在固定端抓手內部的滑槽面上沿滑槽長度方向上實現平移運動；所述自由端抓手一側焊接有齒條，所述自由端抓手的齒條與齒輪組的齒輪互相嚙合。

1.3 液壓缸相關參數設計

油缸采用的是一級伸縮式油缸，在確定油缸內徑時，僅需滿足油缸推力要求即可。行走油缸的內徑D為

式中：

F—活塞桿所受的最大負載，單位N；

Φ—為推移油缸桿徑比。

由負載分析可知，油缸最大負載為F=158000N，帶入相關數據可以求得D=43mm，圓整后取D=45mm。

根據油缸內徑尺寸，經查機械設計手冊得其他相關尺寸，如表1所示。

2 機械抓手關鍵部件的有限元分析

起吊端蓋是整個機械抓手的主要承載單元，需要對起吊端蓋進行強度校核，利用 SolidWorks建立起吊端蓋幾何模型，對其進行合理簡化。模型建成后，將后連接件保存為*step的格式，并導入到ANSYS Workbench軟件中，采用solid186單元類型，完成材料屬性的設置，采用智能網格進行網格劃分，單位大小設置為6.0mm，得到起吊端蓋的三維有限元模型。

根據起吊端蓋的實際工況及其受力情況，約束施加在起吊端蓋四個下連接耳座上，且采用固定全約束。根據機械抓手起吊中部槽的重量以及抓手自身重量，共計2.4t，取安全系數為1.5，則最大起吊力為3.6t，起吊力作用在起吊端蓋的上耳座，方向豎直向上，另外起吊端蓋應考慮自身重力的影響[3]。將上述載荷施加到齒條組連接件上，再進行求解。

得知，最大應力值為245.43MPa，出現在起吊端蓋四個下連接耳座上，根據強度分析結果，同時考慮起吊端蓋具有良好的強度和剛度，材料選取而進行有限元分析時，加載的工作載荷為正常情況下1.5倍，所以后連接件的使用安全系數S為：

S=1.5×2.24=3.36

《煤礦安全規程》規定煤礦設備安全系數S不小于3，起吊端蓋的安全系數是3.36，可以滿足工程實際需要。

起吊端蓋整體位移均勻，沒有較大的變形，也不存在明顯的突變變形，最大的變形為0.0158mm。所以起吊端蓋強度滿足要求，其設計合理可靠。

3 結束語

本文通過對中部槽機械抓手的設計研究，解決以往巷道鋪設中部槽過程中，中部槽安裝、起吊移動不便的問題，通過該研究設計，能夠大幅提高中部槽起吊移動的速度，減少中部槽安裝時間，提高鋪設中部槽的效率，滿足礦井高產高效的要求，具有重要的經濟效益和社會效益；同時，利用有限元分析軟件ANSYS對機械抓手的關鍵部件起吊端蓋進行結構強度及剛度分析，結果表明起吊端蓋的結構強度及剛度滿足安全使用要求。該設備的研究應用能夠為快速鋪設刮板輸送機提供有利條件，推廣前景開闊。

參 考 文 獻

[1] 姜翎燕.工作面刮板輸送機技術現狀與發展趨勢[J].煤炭科學技術，2007.08-0102-05.

[2] 葛偉偉，張森，李媛媛，孫維麗.井下搬運機械手的設計與仿真研究[J].煤礦機械，2015.02-0047-03.

[3] 陳清華，袁力，徐曼曼.礦用防墜器的有限元分析與結構改進[J].煤礦機械，2015.01.106.

[4] 朱菊芬，初曉婷.變化截面復合材料箱型結構后屈曲性態分析[J].大連理工大學學報，2002，42（1）：36-41.