煤礦懸臂式掘進機伸縮結構的設計

胡亮亮

（潞安集團五陽煤礦， 山西 長治 046205）

1 懸臂式掘進機的主要分類

懸臂式掘進機是集煤巖破碎、裝載和轉運為一體的多功能現代化機械設備，主要用于煤、半煤巖或巖石巷道的掘進。懸臂式掘進機按重量分為特輕型、輕型、中型和重型四類，按工作機構截割煤巖的方式不同分為縱軸式和橫軸式掘進機。目前，縱軸式掘進機是我國煤礦巷道掘進的主要設備，根據其截割機構能否伸縮，可分為伸縮和不伸縮兩種結構[1]。伸縮結構能夠把截割頭經由其伸縮性能，穿入煤壁，此時不需要掘進機的行走機構，便可給予較強的鉆進力，此外如若掘進機還擁有伸縮結構，那么將便于掏柱窩、挖水溝和通過懸臂伸縮輔助掘進機調動，適應性更好[2]。沒有伸縮結構的采掘機在施工作業過程中，應當輔助行走機構的動力，才能將截割頭傳入煤壁。此時進行截割作業，采掘機應當進行經常的調整，其嚴重損壞了巷道底板。另外，由于履帶機構的動豁著系數小于靜豁著系數，在巖巷掘進，尤其是大坡度巖巷掘進時，掘進機履帶更易打滑，從而導致掘進機不能滿足正常工作的要求。

掘進機伸縮結構相對復雜，可靠性不高，掘進機甚至會出現扭轉力矩現象，這是由于截割頭（縱軸式掘進機）的供給力度較大。當前，半煤巖巷掘進機（中小功率）占據了我國縱軸掘進機（可伸縮式）的重要市場，其中巖巷重型掘進機（大功率）則選擇了不可伸縮式[3]。

2 懸臂式掘進機現用伸縮結構

圖1 套筒伸縮式懸臂

目前，國內掘進機截割伸縮結構主要采用套筒伸縮式，見圖1。截割減速器和截割電機相對固定不動，軸向伸縮主要基于套筒式伸縮臂完成。伸縮臂的組成通常包括外筒、保護筒、花鍵套、伸縮油缸、主軸、內筒、導向塊以及導向鍵，基于伸縮油缸的指引和帶動，截割頭、主軸、內筒和保護筒可沿軸向伸縮，伸縮內筒和花鍵套與減速器聯接相對固定不動，導向鍵起內筒和保護筒的周向定位和伸縮導向作用。該種截割伸縮結構在200 kW 以上大功率重型巖巷掘進機中至今未被采用，分析原因有以下幾點：

1）懸臂為套筒伸縮式，套筒置于截割頭后端，限于尺寸要求，套筒不能設計過大，套筒伸出時剛性不足，抗振能力差。

2）各套筒之間浸油潤滑，套筒伸出工作時，由于振動大，密封容易失效，且密封件更換困難；另外伸縮套筒需使用透氣塞透氣，如若透氣塞出現擁堵狀況，則會造成過高的內腔壓力，使得密封功能得到損毀。一旦密封性受損，灰塵更加容易進入套筒中，進而損毀伸縮套筒。

3）懸臂套筒置于工作機構前端，工作環境惡劣，套筒鍍鉻表面極易被碎石砸壞剝落，導致套筒伸縮副損壞。

4）套筒伸縮時，主軸尾端花鍵為動聯接，在重載荷作用下移動，花鍵容易過度磨損[4]。

5）導向塊和導向鍵受結構所限，尺寸較小，在沖擊振動載荷下容易變形開焊。

3 新型伸縮形式的結構設計與強度分析

3.1 結構設計

為解決套筒伸縮形式在大功率重型巖巷掘進機無法使用的問題，現設計一種新型伸縮結構，伸縮形式采用矩形伸縮結構，如圖2 所示，伸縮結構位于整個截割部尾端，方箱式叉形架和固定在截割減速器及截割電機外殼上的方形內殼體構成伸縮副。方箱式叉形架聯接在掘進機機身的回轉臺上，伸縮時通常不動，基于雙伸縮油缸的指引和帶動，截割臂、截割頭、截割電機、截割減速器共同完成伸縮。

方箱式叉形架和方形內殼體位于整個截割部尾端，結構尺寸受截割頭尺寸限制小，結構尺寸遠大于前端布置的圓形套筒，可解決伸出工作時剛性和強度不足問題。方箱式伸縮副采用開式結構，摩擦副銼基脂潤滑，不存在密封易損壞問題。伸縮時，截割電機和截割減速器隨截割頭一起伸縮，主軸花鍵不再參與伸縮，由動聯接變為靜聯接，可靠性大幅提高；雙伸縮油缸布置，推力大，伸縮副受載相對均勻平穩，偏磨小。

該伸縮形式結構簡單，主要結構件強度大、可靠性高，但方箱結構加工工藝性較差，伸縮副如采用全面積接觸很難保證。為解決工藝性問題，分別設計耐磨條及耐磨塊。耐磨塊與耐磨條之間間隙通過壓塊可調，以保證安裝后伸縮順暢、承載均勻無偏磨，且便于使用過程中適度磨損后間隙補償和過度磨損后更換耐磨塊。耐磨塊和耐磨條使用具有一定自潤滑能力的高強度耐磨材料，摩擦因數低，使用銼基脂潤滑，注油方式采用集中潤滑。

3.2 矩形伸縮結構的強度分析

在矩形伸縮結構中，叉形架承受截割頭工作時的反向載荷，載荷通過耐磨塊與耐磨條之間的壓力傳遞。叉形架等主要受力結構件受空間限制較小，通過設計很容易滿足強度要求。

4 結語

設計了一種新型伸縮結構，在改善伸縮結構強度、剛度的基礎上，通過特殊的設計解決了方箱式結構加工工藝性差的問題。通過設計分析，確保該結構的可靠性、穩定性，為解決巖巷縱軸掘進機長期以來無法實現懸臂伸縮功能的問題提供了新的思路。