懸臂式掘進(jìn)機(jī)鏟板結(jié)構(gòu)參數(shù)解析設(shè)計(jì)

王本林

(山西天地煤機(jī)裝備有限公司， 山西 太原 030006)

0 引言

裝載機(jī)構(gòu)是懸臂式掘進(jìn)機(jī)的重要組成部分。其中鏟板是裝載機(jī)構(gòu)的主體結(jié)構(gòu)，不但要與后支撐機(jī)構(gòu)共同支撐掘進(jìn)機(jī)，而且可在保障鏟板強(qiáng)度的前提下,保證掘進(jìn)機(jī)低位截割時(shí)的最佳裝載性能。因此,該機(jī)構(gòu)是懸臂式掘進(jìn)機(jī)裝載機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的一個(gè)重要內(nèi)容[1]。

鏟板一般設(shè)計(jì)為魚腹式結(jié)構(gòu)。懸臂式掘進(jìn)機(jī)在低位左右擺動(dòng)截割時(shí)，為了確保截割機(jī)構(gòu)不碰觸鏟板，其鏟板和截割臂之間保留一定的物料空間[2]。本文以鏟板寬度范圍內(nèi)等裝料空間為原則，解析設(shè)計(jì)懸臂式掘進(jìn)機(jī)鏟板結(jié)構(gòu)參數(shù)，并對(duì)鏟板強(qiáng)度校核內(nèi)容進(jìn)行了探討。

1 鏟板結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)

1.1 鏟板參數(shù)定義

1) 定義幾個(gè)鏟板參數(shù)和涉及鏟板參數(shù)計(jì)算的相關(guān)參數(shù)。

2) 定義掘進(jìn)機(jī)低位截割時(shí)截割臂水平面投影等效回轉(zhuǎn)半徑為Rd，截割臂最大俯角為θ，截割臂水平最大擺角為φ，鏟板寬度為L(zhǎng)d，鏟板縱向俯角為α，鏟板側(cè)表面與中部槽側(cè)面夾角為β。

各參數(shù)如圖1、圖2所示。諸參數(shù)中，Rd、θ、φ為掘進(jìn)機(jī)總體參數(shù),且為已知參數(shù)；Ld、α、β為待求參數(shù)。

(a) 低位截割狀態(tài)

(b) 側(cè)向截割狀態(tài)

圖2 鏟板側(cè)表面與中部槽側(cè)面夾角半剖視圖

1.2 兩個(gè)參數(shù)的推定

在鏟板3個(gè)主要參數(shù)中，Ld、α是根據(jù)掘進(jìn)機(jī)總體參數(shù)來(lái)推定,即一般Ld大于掘進(jìn)機(jī)身寬度,為400～500 mm,α約等于θ。

1.3 鏟板側(cè)表面夾角推導(dǎo)

由圖3所示，假設(shè)鏟板表面與中部槽側(cè)面垂直，即鏟板側(cè)表面為ΔAB′C′，其截割臂低位截割狀態(tài)擺動(dòng)至掘進(jìn)機(jī)機(jī)中軸線時(shí)，截割臂上一點(diǎn)P在鏟板表面豎直投影于點(diǎn)A，兩點(diǎn)重合；在截割臂擺動(dòng)φ角度后，截割臂上P點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)到B點(diǎn)，B點(diǎn)在鏟板表面上水平投影于B′，在Δyoz平面投影于C，C在鏟板斜平面豎直投影于C′,各點(diǎn)具體關(guān)系見圖3。

圖3 鏟板側(cè)表面角度推導(dǎo)關(guān)系

由幾何關(guān)系可知，截割臂轉(zhuǎn)動(dòng)φ角度后P點(diǎn)與鏟板表面B′點(diǎn)重疊高度BB′,若使截割臂仍然重合于鏟板斜平面，應(yīng)使鏟板表面ΔAB′C′繞軸AC′轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度β并使B′點(diǎn)與ΔABC′重合。面ΔABC′和面ΔACC′角度β,是鏟板斜表面與中部槽側(cè)面的夾角。

根據(jù)幾何關(guān)系的推導(dǎo)，可求得鏟板側(cè)表面的夾角為：

2 關(guān)于鏟板強(qiáng)度設(shè)計(jì)問題

鏟板結(jié)構(gòu)參數(shù)確定以后，可結(jié)合掘進(jìn)機(jī)通過地隙、刮板機(jī)寬度等整機(jī)參數(shù)，如截割臂低位截割時(shí)留夠一定的裝料空間，則鏟板外形可基本確定。由于鏟板造型比較復(fù)雜，需利用三維建模軟件進(jìn)行三維設(shè)計(jì)，并通過有限元分析進(jìn)行強(qiáng)度校核[3]。從箱形梁受力特點(diǎn)和鏟板使用現(xiàn)場(chǎng)特點(diǎn)出發(fā)，鏟板強(qiáng)度計(jì)算應(yīng)注意如下幾點(diǎn)：

1) 對(duì)鏟板體進(jìn)行彎、扭復(fù)合強(qiáng)度計(jì)算。在實(shí)踐中時(shí)有發(fā)現(xiàn)鏟板中部槽下蓋板撕裂，可截取某型掘進(jìn)機(jī)分體式鏟板主鏟板危險(xiǎn)截面(見圖4)。根據(jù)鏟板支撐力按一定偏載進(jìn)行彎、扭強(qiáng)度分析，通過計(jì)算可知中部槽下蓋板所受彎曲、扭轉(zhuǎn)復(fù)合應(yīng)力最大，受力惡劣，然后通過增加板材厚度或提高板材強(qiáng)度等級(jí)予以加強(qiáng)[4]。

圖4 主鏟板體橫截面

2) 對(duì)于分體式鏟板，對(duì)主、副鏟板連接件應(yīng)進(jìn)行彎曲、剪切強(qiáng)度計(jì)算。在前、后雙銷式連接主、副鏟板設(shè)計(jì)中，由于銷軸強(qiáng)度不足，在使用過程中前連接銷軸變形會(huì)導(dǎo)致主、副鏟板連接松動(dòng)。對(duì)此,可在重型鏟板設(shè)計(jì)中改用雙鑄件卡嵌式連接，能較好地解決問題。

3) 保障生產(chǎn)板整體壽命。在分體式鏟板設(shè)計(jì)中，受副鏟板連接方式限制，在整機(jī)支撐時(shí)要盡可能以主鏟板為主要受力部件，副鏟板為輔助受力，最大限度地保障鏟板整體壽命[5]。

3 結(jié)論

鏟板作為掘進(jìn)機(jī)裝載機(jī)構(gòu)的一個(gè)重要部件，在強(qiáng)度和功能兩個(gè)方面對(duì)掘進(jìn)機(jī)良好運(yùn)轉(zhuǎn)和正常維護(hù)都有重要作用。而鏟板的輕量化設(shè)計(jì)，對(duì)降低整機(jī)質(zhì)量同樣具有重大意義。因此，一方面,應(yīng)進(jìn)一步提高設(shè)備性能;另一方面,要推行設(shè)備輕量化。因此，對(duì)鏟板設(shè)計(jì)進(jìn)行深入研究有很大的必要性。