一種掘進機抱緊裝置和伸縮機構的設計

邵 飛

（山西焦煤集團有限責任公司屯蘭礦， 山西 太原 030206）

1 項目概況

傳統的煤礦用掘進機伸縮式切割機構作業時，伸縮滑動副之間存在間隙。煤礦井下的工作環境特別惡劣，沖擊震動大，污染嚴重。隨著機器使用時間的累積，伸縮滑動副之間的摩擦面在一定的時間內就會磨損嚴重，間隙加大，切割機構作業時沖擊和震動隨之加劇，從而可能會造成切割機構框架和傳動部件受損。沖擊傳至機身，進而造成液壓元件、電氣元件早期失效。

針對這一問題設計了一種掘進機抱緊裝置和伸縮機構，能在掘進機的切割機構作業時消除伸縮滑動副之間的間隙，提高切割機構的剛性，降低切割時的振動沖擊，減少磨損，提升切割機構的可靠性和壽命[1]。

2 掘進機抱緊裝置的設計

設計了一種掘進機抱緊裝置，結構如圖1 所示，主要包括閘片、閘片座、活塞缸螺紋聯接件四部分。閘片座的主體和閘片均為圓筒形結構，閘片同軸固定在閘片座的主體上。閘片的內表面為圓柱面，閘片的前部外表面為前小后大的外圓錐面。

圖1 掘進機抱緊裝置結構示意圖

閘片座的主體的外周與多個活塞缸的缸桿或缸筒固定連接，多個活塞缸沿圓周方向間隔分布，且其缸桿的伸縮方向均沿著閘片的軸向，也是前后方向。活塞缸的結構示意圖如圖2 所示。

圖2 活塞缸的結構示意圖

閘片座的主體的內徑應大于所述閘片的內徑，閘片的材料優選采用高強度彈簧鋼。缸桿相對缸筒伸縮時，閘片座帶動所述閘片前后往復移動，所述閘片靠前和靠后兩個位置分別對應所述抱緊裝置處于抱緊和松開兩種狀態。活塞缸優選為沿圓周均勻分布，這樣對所述閘片座和閘片的推拉作用力在圓周方向上更均勻，以確保閘片沿軸向平移而不至于歪斜和扭曲。活塞缸有兩個，互成180°布置。

閘片座可以由兩片中部呈圓弧形、兩端帶耳座的閘片座單元拼接組成，耳座沿中部的圓弧形的徑向向外延伸，兩個閘片座單元之間兩個耳座貼合，并通過螺紋聯接件固定，閘片座的主體的外周通過所述耳座與所述活塞缸的缸桿或缸筒固定連接。

從圖2 可知活塞缸優選采用單作用活塞缸，其有桿腔內置有碟形彈簧。碟形彈簧套在缸桿上。流體介質通過接頭進入無桿腔，推動缸桿外伸。當流體介質通過接頭回油時，有桿腔內的碟形彈簧回彈，使缸桿縮回。設計的活塞缸采用液壓缸，出力大且平穩。

閘片的后部可以設有外圓柱面，外圓錐面與外圓柱面前后鄰接，閘片的后部固定嵌裝在所述閘片座中，安裝狀態下所述外圓柱面的前部優選外露于所述閘片座的前方。外圓柱面的外徑通常等于所述外圓錐面的最大直徑。

裝置中閘片的后部具體可以是外圓柱面上還優選設有一圈徑向外凸的環臺，所述閘片座的主體的內孔壁上對應設有一圈環槽，所述環臺徑向嵌入所述環槽中，以此實現所述閘片與閘片座的主體的固定連接。所述環槽對閘片可以起到很好的徑向和軸向雙方向的限位作用。拆卸時，至少先拆下一個所述閘片座單元，再取出閘片。

閘片上沿整個圓周均勻設有多個前缺口和多個后缺口，所述前缺口和后缺口均為沿所述閘片的軸向延伸的窄縫結構，其長度大于所述閘片的軸向尺寸的一半，所述前缺口的唯一開口在所述閘片的前邊緣，所述后缺口的唯一開口在所述閘片的后邊緣，所述前缺口和后缺口一一間隔排列，組成S 型缺口。利用S 型缺口的變形，當抱緊裝置處于抱緊狀態時，所述閘片的前部與內外相鄰其他零件之間可以楔得更緊，因此可以使抱緊更可靠。

前缺口和后缺口各自的盡頭的邊緣最好為圓滑曲線過渡，且曲率半徑最好大于窄縫寬度的一半，既有助于增加閘片的變形量，又能避免或減少閘片變形時應力集中[2]。

3 掘進機伸縮機構的設計

掘進機伸縮機構結構示意圖如圖3 所示，包括固定臂、伸縮臂和前述的抱緊裝置，伸縮臂在固定臂內與固定臂直線滑動配合。

圖3 掘進機伸縮機構結構示意圖

固定臂的靠近軸心的部分設有一處軸向中斷，與該軸向中斷相對應的遠離軸心的部分仍然保持為前后連續的整體。軸向中斷處露出一段伸縮臂。所述抱緊裝置安裝在該軸向中斷處并套在所述伸縮臂上。固定臂緊鄰中斷處的前部內孔設置為外大內小的內圓錐面，其錐度等于所述閘片的前部外圓錐面的錐度。通過將所述閘片的前部楔入所述固定臂緊鄰中斷處的前部內孔，消除伸縮臂與固定臂之間的間隙，使固定臂和伸縮臂之間無相對運動，即實現了“抱緊”。采用抱緊裝置可以明顯提高掘進機伸縮機構的剛性，降低切割時的振動沖擊，減少磨損，提升掘進機伸縮機構的可靠性和壽命。活塞缸的缸筒或缸桿安裝在固定臂上。

對于活塞缸的缸桿與所述閘片座固定連接的情況，活塞缸的缸筒則安裝在固定臂上。

在伸縮機構要做伸縮動作前，先讓抱緊裝置的活塞缸的無桿腔進油，活塞和缸桿帶動閘片座和閘片向后移動，從而解鎖抱緊裝置的錐形的閘片，使固定臂與伸縮臂之間恢復間隙，確保伸縮動作順利進行。當伸縮機構伸縮動作停止后、切割機構準備作業前，使抱緊裝置的活塞缸的無桿腔回油，通過活塞缸有桿腔內的碟形彈簧推動閘片座和閘片向前移動，閘片向前抱緊所述伸縮臂，消除固定臂和伸縮臂之間的滑動副間隙，保持準剛性，有效降低切割時的振動沖擊，提升切割機構的工作可靠性和使用壽命。

通過S 型缺口的變形，所述閘片的外圓錐面與固定臂的內圓錐面可以楔得更緊，閘片可以更加緊密地抱緊伸縮臂。外圓錐面與內圓錐面的錐度設計還符合自鎖條件。

通過設置抱緊裝置，作業時固定臂與伸縮臂之間保持相對靜止，因此可以減少固定臂內孔壁上固定的耐磨套的磨損，提高伸縮機構的使用壽命。

4 設計優點的分析

4.1 抱緊裝置的優點

設計的抱緊裝置通過在伸縮機構的固定臂與伸縮臂之間的軸向往復移動，實現了在消除伸縮滑動副間隙和恢復伸縮滑動副間隙之間的切換。當工作臂作業時，用抱緊裝置消除伸縮滑動副間隙，可以顯著提高切割機構的剛性，有效降低切割時的振動沖擊，提升切割機構的工作可靠性和使用壽命，并進一步降低震動工況下對傳動部及整機液壓、電控系統等的負面影響。由于消除伸縮滑動副間隙時，切割機構固定臂和伸縮臂之間保持相對靜止，可以有效減少固定臂和伸縮臂之間的耐磨套的磨損，提高耐磨套乃至整個切割機構的使用壽命。

4.2 伸縮機構的優點

掘進機伸縮機構當伸縮臂被抱緊時，由于自鎖設計，在抱緊裝置不主動松開的情況下，抱緊狀態可以不受振動沖擊影響一直有效，抱緊可靠[3]。

5 結語

本文設計的一種煤礦用掘進機伸縮式切割機構的抱緊裝置及采用該裝置的掘進機伸縮機構，其抱緊裝置的閘片座的主體和閘片均為圓筒形結構，閘片同軸固定在閘片座的主體上，閘片的內表面為圓柱面，前部外表面為前小后大的外圓錐面，位于閘片座的前方，閘片座的主體的外周與多個活塞缸的缸桿或缸筒固定連接，缸桿的伸縮方向均沿著閘片的軸向。其掘進機伸縮機構的伸縮臂在固定臂內與固定臂直線滑動配合，抱緊裝置套在伸縮臂上，并位于固定臂的后方，固定臂的后端部的內孔設置為外大內小的內圓錐面，活塞缸的缸筒或缸桿相對固定臂固定安裝。該設計能消除伸縮滑動副之間的間隙，提高切割機構的剛性，降低切割時的振動沖擊，減少磨損。