淺談煤礦液壓支柱拆柱機夾緊機構的改進設計技術

張克云

[摘 要]本文淺析原煤礦液壓支柱拆柱機的夾緊機構存在的問題，提出改進型夾緊機構的設計技術方法，以及設計過程中影注重的關鍵問題。

[關鍵詞]煤礦液壓支柱；拆柱機；夾緊機構；改進設計

中圖分類號：TG757 文獻標識碼：A 文章編號：1009-914X（2017）21-0348-01

煤礦前些年在拆修液壓支柱時，普遍使用了抱箍型和三爪型兩種夾緊機構的拆柱機。然而，這兩種夾緊機構的拆柱機在使用過程中都存在一些缺陷，最突出的問題就是無法夾緊支柱，以致拆修效率非常低，且安全性差。鑒于這種情況，我們全新的設計了一套偏心輪夾緊機構的拆柱機，通過長時間的運行拆柱機效果非常好，安全性高，修理效率也得到了顯著提高。在此，就拆柱機的設計技術進行簡介論述。

1 存在的問題

1）抱箍型夾緊機構。原機抱箍型夾緊機構是用一圓形開一缺口形式設計的（見如圖1a所示）。工作原理是通過外加原動力Q1、Q2壓緊抱箍，使抱箍變形而抱緊支柱。在原理上看起來可行，但實際拆柱時抱箍經常夾不緊支柱，以致無法拆卸支柱。存在問題的原因有。①支柱放置在抱箍的中心位置，當Q1=Q2時，抱箍與支柱的接觸面才較大，兜緊效果才較好。②操作使用過程中中，外加原動力常出現Q1≠Q2現象，而被拆支柱也難以放到中心位置。因此外加原動力Q1與Q2不相等時，抱箍與支柱間的接觸面積減少，夾緊力也隨之減小，這就很難夾緊物件了。③不少單位將拆柱機搬到礦井下使用，時間長些就會因銹蝕而不便修理支柱，且支柱的大多表面也會銹蝕，粘附物較多，修理更難。當拆柱機兜住支柱啟動后，因轉動和振動，支柱上的銹斑和粘附物脫落，夾緊機構又無恒力補償和自鎖裝置，所以抱箍和支柱之間就存在新的間隙而無法夾緊支柱。若要再夾緊時，必須重新操作夾緊機構，但夾緊機構操作又比較困難，如此反復操作勞動強度大，工作效率也非常低。

2）三爪型夾緊機構。它是一種比較常見的夾緊機構，雖然避免了因支柱不能準確放置在中心位置而影響夾緊效果的問題，但也沒有恒力補償裝置（如圖1b所示）。所以在夾緊支柱且拆柱機運轉過程中，當支柱上的銹斑和粘附物脫落時，三爪與支柱之間依然存在間隙，使得夾緊效果不能被改善。

2 改進型夾緊機構的設計

基于前兩種夾緊機構均不能有效地夾緊支柱，為此在這個基礎上研究設計了一套帶棘齒的偏心輪型夾緊機構（如圖2a所示）。該機構的夾緊元件是一偏心輪。現對此偏心輪的設計計算進行描述。

1）偏心量e的設計。由于偏心輪的偏心量e的大小影響其夾緊行程。因此夾緊時偏心輪從Υ=0轉至Υ=180°，為操作機構靈活、方便，就要限制板轉角，控制在45°方可（見如圖2b所示）。這樣機構工作時，偏心輪能從Υ=0轉到Υ=45°，也就利用一段圓弧OB，此時偏心輪的行程為：S=hB-h0=R-ecos45°-（R-e）= e（1-cos45°），因此有：e=，同時又由于S=S1+S2+S3+S4（式中：S1—裝卸支柱方便所需的空隙，取S1=0.3mm；S2—夾緊元件彈性變形的補償量，S2=W/J，這里取S2=0.05mm；S3—支柱在夾緊方向上的尺寸誤差補償量，底座Φ=l17mm，缸體外徑Φ=l12mm，考慮到銹蝕等因素，取S3=7mm；S4—行程儲備量，考慮偏心輪制造誤差及磨損，取S4=0.15mm；W—夾緊力；J—夾緊元件的剛度），所以可得到：S=7.5mm，e=25.5mm（可取e=26mm）。

2）偏心輪半徑R設計。在偏心輪偏心量確定后，其偏心輪半徑主要取決于自鎖條件，即去掉原始作用力后使偏心輪能繼續保持夾緊力。這時的偏心輪受力情況，如圖3a所示。圖中所受的力是：小軸給偏心輪的反作用力R′及支柱的作用力W′。該二力應大小相等，方向相反，以便平衡。因而有：tgα=，α=ψ2+θ，tg（ψ2+θ）=tgα=，R=。因為θ很小，為簡化計算方便可以忽略，此時：R=e（sin45°/μ2+cos45°），R≥e（sin45°/0.4+ cos45°）≥64.12mm（式中： μ2—偏心輪與支柱摩擦系數，μ2=tgφ2=0.4），所以選取R=65mm即可。

3）夾緊力W及手柄長度L設計。根據實際測量，一般情況W≤3000N，夾緊時偏心輪上作用的力有手柄上的原始力Q（見圖3b）、軸銷處反作用力R′以及支柱反作用力W′（夾緊反作用力W與摩擦力F2合力），三者必須處于平穩狀態。對于轉動中心O2取轉矩可得：QL-WesinΥ-F2（R-ecosΥ）- R′ρ=0，R其中F2=Wμ2，R′≈W，ρ= rμ1（式中：L—力臂長；μ1—小軸與偏心輪摩擦系數，取μ1=0.1；μ2—支柱與偏心輪摩擦系數，取μ2=0.4；R—偏心輪半徑；Q—手柄上的作用力（手推力），取Q=1110N）。這樣可算的：L=w[μ2R+rμ1+e（sinΥ-μ2cosΥ）]÷Q=3000×[0.4×65+15×0.1+26×（sin45°-0.4×cos45°）]÷1110=103mm，因此可取L=105mm即可。

3 設計中和應用應注意的問題

在計算過程中取W=3000N，這是大多數支柱拆卸時的情況，而實際上有少數支柱需要的夾緊力W遠大于此值，所以計算的L值應放大些；在拆柱機整體結構已確定的情況下，也就是機身、導軌及主軸的相對位置已確定，這是L值已就不能無限度地加大了。為了解決這個問題，就需要在結構設計方面加以改進（如加大構件的厚度，選用較好的材質等）。當手推夾緊力不夠時，就可用手錘敲，給以沖擊力來實現加大夾緊力的效果。

總而言之，在改進設計拆柱夾緊機構時，除了針對原存在的問題進行改進外，還要考慮實際應用過程中的一些現實問題，盡量避免之方能取得較好的改進設計效果。

參考文獻

[1]陳春秀.拆柱機夾緊機構元件的設計探討[J].煤礦機械，1999，8：13-15.

[1]鄭錦濤.礦山機械液壓支架存在的故障以及改進措施[J].科技創新與應用，2012：10（中）：133-134.