大采高滾筒采煤機連桿式油缸護板系統設計研究

劉澤平，徐貴旭

(1.礦山采掘裝備及智能制造國家重點實驗室， 山西 太原 030032； 2.太重煤機有限公司 技術中心， 山西 太原 030032； 3.山西鐵道職業技術學院， 山西 太原 030013)

現代長壁工作面采煤機是綜采工作面關鍵設備之一，采煤機每個零部件直接影響著采煤機的正常工作乃至整個工作面的正常生產。在中厚、特厚煤層開采中，由于采煤機機身大、產量高，為了保證過煤空間等結構因素，提升油缸經常被設計于機身上方，擋矸裝置下方，但因為搖臂需要動作，油缸活塞桿伸出時，會伸出擋矸裝置保護范圍，暴露在支架下方。同時由于提升油缸距離煤壁近，很容易被片幫或者落煤砸壞油缸活塞桿，所以采煤機必須設置擋矸油缸護板系統。

隨著大采高滾筒采煤機機面高度、寬度等基本尺寸的增大，搖臂及其旋轉范圍增大，油缸護板系統也隨著防護要求，面積及活動范圍增大，這對油缸護板系統的隨動性、適應性提出了更高要求。傳統的軟材料搭掛式防護容易與油缸活塞發生摩擦，損壞活塞桿的鍍鉻層，見圖1. 而油缸滑移式護板滑動軌道長，致使滑動中容易出現憋卡，軌道容易被煤粉污染而失去滑軌效果，被砸后容易變形，失去滑移能力，見圖2. 因此，設計一種體積輕巧、隨動靈活、承載力高、可靠性更高的油缸護板裝置是必要的[1-3]. 本文利用四連桿機構原理，通過對空間的合理利用，對受力的精確計算，設計一種搖臂本身作為主動件的四連桿提升油缸護板系統，以解決傳統無防護、滑移式防護、軟材料搭掛式防護系統的問題，提高效率的同時，降低生產成本，提高系統的可靠性。

圖1 采煤機油缸柔性防護圖

圖2 滑移式油缸護板系統圖

1 機構分析與模型建立

根據采煤機實物結構，在大尺寸、大采高采煤機提升油缸活塞桿保護機構中，創新式采用連桿機構，不設軌道，護板運行軌跡受連桿約束，不用軟材料，可隨著搖臂旋轉，實現對提升油缸活塞桿的跟蹤保護。搖臂下降時油缸護板工作示意圖見圖3. A點為搖臂與機身鉸接點，為固定點，B′點為搖臂與提升油缸活塞桿鉸接點，隨著活塞桿伸縮，繞著A點做圓周運動，B點為托架固定鉸接座與油缸護板的鉸接點，B點與B′點位置相對固定，隨著搖臂繞A點做圓周運動，C點為油缸護板與搖桿的鉸接點，繞D點做旋轉運動，D點為搖桿與機身的鉸接點，D點在機身上表面放置，由此形成一個以AB、CD為搖桿，BC為連桿，AD為機架的雙搖桿機構。根據實際防護需求，設計油缸護板長度為1 000 mm，BC鉸接點距離為900 mm，AB距離為搖臂固有長度1 196 mm，AD垂直距離為固定長度410 mm，AD水平距離需求出，BD、CD垂直距離均為674 mm，搖臂下降到極限位置時就是連桿機構ABCD一個極限工作狀態。

1—機身 2—搖桿 3—油缸護板 4—提升托架(搖臂) 5—提升油缸 6—擋矸護板 7—提升油缸活塞桿 8—搖臂固定鉸接座

搖臂提升到最高位置時油缸護板工作示意圖見圖4，這時由于提升油缸縮回，油缸護板大部分都隱藏于擋矸裝置下面，連桿系統ABCD成為另一個極限狀態，此時BD、CD垂直距離變為518 mm.

1—機身 2—搖桿 3—油缸護板 4—提升托架(搖臂) 5—提升油缸 6—擋矸護板 7—提升油缸活塞桿 8—搖臂固定鉸接座

2 連桿系統模型建立及解算

2.1 建立連桿系統模型

根據上述功能需求及已知尺寸，在CAXA電子圖板中建立連桿系統模型，見圖5. ABCD為搖臂下降到極限位置時的連桿模型，對應圖3狀態，AB1C1D為搖臂提升到極限位置時的連桿模型，對應圖4狀態，相當于搖桿AB長度、連桿BC長度以及位置具已確定，只要確定搖桿CD與機架AD鉸接點D點的位置，就能使該連桿系統確定，且D點必須在水平線上，該系統中AB為主動件。

圖5 連桿機構圖解法示意圖

2.2 利用圖解法解算模型

根據建立好的模型，用圖解法最簡潔快速[5]，連接CC1，然后做CC1的中垂線f，f與線h相交于一點，該點就是搖桿CD與機架AD鉸接點D點的位置。在CAXA電子圖板中測量出搖桿CD的長度為901 mm，機架AD的水平距離為992 mm，由此雙搖桿機構ABCD便確定下來。

3 油缸護板系統結構設計

因不同采煤機采高、機身、油缸尺寸、擋矸尺寸、煤層片幫大小等實際因素的不同，油缸護板的結構大小、形式、載荷(即油缸護板系統可抵抗大塊落煤撞擊的能力)的設計都會有所不同，直接影響護板的厚度，搖桿、連桿及其鉸接點的粗壯程度，以及材料的選取。其計算過程比較復雜，所以一般都參考經驗，采用空間允許下的大冗余設計來保證其可靠性，不在本論文研究范圍內，本案中油缸護板采用鋼板Q345-A材料,厚度25 mm，斷面為半圓形，方便溜煤，內弧面布置4個鉸接耳，分別用于與托架固定鉸接座和連桿鉸接。采用折彎加焊接鉸接耳座工藝制造，見圖6. 搖桿采用鋼板Q390-A，截面為矩形，截面積為1 800 mm2.

圖6 油缸護板結構示意圖

4 工作簡述

滾筒下降時，提升托架和搖臂連為一體，當采煤機滾筒需要下降時，機身上置的提升油缸活塞桿伸出，推動提升托架繞與機身的鉸接耳旋轉，提升托架帶動搖臂逆時針旋轉，搖臂帶動滾筒實現下降，與提升托架位置固定的托架固定鉸接座拉動從動件油缸護板向左移動，置于伸出的提升油缸活塞桿上方，保護活塞桿不被落煤砸壞，油缸護板末端置于擋矸護板下方，兩者無縫連接實現對油缸整體的防護。連桿、托架固定鉸接座各有兩個，分別置于油缸護板前后兩側，使油缸護板由4點支撐，增加了防護能力。

滾筒升高時，活塞桿縮回，帶動提升托架順時針旋轉，帶動搖臂和滾筒上升，此時托架固定鉸接座隨著提升托架向右旋轉，推動油缸護板向右運動。這個過程中，油缸護板始終位于活塞桿上方，對活塞桿全程防護，直至活塞桿整體縮回提升油缸后，則油缸護板置于提升油缸缸體上方，而擋矸護板位于油缸護板上方，互不干涉。

5 結 語

分析了連桿系統用在采煤機上置油缸保護的優越性，并根據采煤機實際安裝條件，通過圖解法得出了連桿系統在油缸保護方案中的可行性是存在的，拓展了機械裝備中裸露油缸的保護方法及其設計方式。目前，對于該系統載荷方面的計算尚需參考經驗值，或通過大冗余量設計保證其可靠性，將來如果能夠建立煤塊掉落在油缸護板上的沖擊模型，得出一套較簡單易用的載荷計算方法，就可以對該系統各零部件的結構設計進行優化，節省資源。