后置式掘錨機整機的方案設計與研究

林敏 姜朝輝

摘要：本文論述了后置式掘錨機總體設計的機型設計。掘錨機主要是從掘進機功能基礎上研發新的一體性功能，本研究主要探討在掘進機設計基礎上掘錨系統的性能參數、結構設計及動力、傳動、執行、操作、輔助等影響因素，并給出參數設計計算過程及驗核情況，以供參考。

關鍵詞：后置式掘錨一體機；技術參數：整體布置；系統性能

DOI：10.12433/zgkjtz.20240405

掘錨機集截割、臨時支護、錨桿錨索鉆孔安裝、迎頭鉆探等多功能于一體。當前，礦下工作人員的人身安全成為重中之重。掘錨護聯合一體機將成為快速掘進施工的重要設備設施。掘錨機的總體方案設計對整機性能具有指導性的作用和目的指向性作用，調整、構建及協調各總成、系統、各部件之間的連接，統一目標并達成匹配關系，繼而獲得整體的經濟性及安全性。

一、選型

選定掘錨機機型主要參考搭載的掘進機的型式和驅動方式。首先，應滿足設計任務書關于主要功能、尺寸、機構需求。其次，使用可靠、安全的型式和結構，滿足用戶（或上級）的需求，符合國標、行標，減少設計方案的不足。

掘錨護聯合一體機組（以下簡稱掘錨機）的總體設計，通常是在掘進機的截割部位增加錨鉆護功能，增加臨時支護及錨鉆系統。

錨護作業與截割作業配置有功能切換及自動閉鎖功能，由截割轉換至錨護作業時，自動閉鎖截割電機且液壓油路由掘進狀態自動切換至錨護狀態，實現雙保護。掘錨機截割完成后，炮頭落地，一次可進行兩排錨桿、錨索作業。錨護作業時，截割部應保證始終落地，不能另行移動；配置有兩部煤礦用機載錨桿鉆機，兩部錨桿鉆機分別布置于左、右行走部上側，截割時錨桿鉆機退回至回轉臺后側，錨桿鉆機縱移機構行程＞5200mm，錨護時可位于炮頭前方1m處施工錨桿錨索孔，達到一次施工兩排錨桿、錨索的效果。

后置式掘錨護一體機對掘進機自身的結構改變較大，主要包括：根據采購合同及技術協議等，選擇功率、選擇各部件結構樣式、功能的選取；掘錨機主要技術性能參數（包括不限于外形參數、質量參數、行進速度、生產能力等）；整機關鍵參數核算，并繪制液壓原理圖、電氣系統原理圖等；設備關鍵性能參數的校核，驗核各部適配性及整機協調性。

二、確定整機主要技術參數

掘錨機整機技術參數選定可參考掘進機，主要包括尺寸與重量參數、運動參數和動力參數等。

（一）外形尺寸

整機的長、寬、高的大小直接與轉彎半徑有關。整機的高度直接關系到重心位置、機器的動靜態穩定性。而且如果機器過高，則無法通過巷道，會影響使用范圍。外形尺寸是客戶選機的關鍵性尺寸。

（二）重量參數

整機重量對于掘進設備是重要的參數。機身重量太輕，截割頭擺動截割時，機身會因為傳遞截割反作用力發生橫向擺尾振動現象，導致機身穩定性變差，甚至造成機身結構疲勞開裂，產生額外復雜的變化載荷，影響截割效率。如果太重，接地比壓過高，也將對使用場地底板的要求變高，從而增加使用難度，造成適用性不強，同時機動性差，不易拆解和維修。整機重量估算公式為：

T=（0.25－0.4）N （1）

其中，N為截割機構功率kW。

接地比壓是設備重量與接觸地面的比值，是單位底板面積允許的應力。不同的巷道底板允許使用的接地比壓如表3所示。

（三）截割參數

截割頭的切割速度與實際切割煤巖的硬度有很大關系，對于煤巖硬度的指標用普氏系數量化表述，符號是f，不同硬度下推薦的切割速度值如表4所示，但在礦山生產中往往根據地質實際情況和經濟速率進行調整。

（四）動力參數

掘錨機由電機驅動，按作用分為油泵電機和截割電機，油泵電機為液壓系統提供動力，截割電機為截割部提供動力。

掘進機在工作時，截割頭部需要推進力和擺動（水平方向和垂直方向）力。擺動力由試驗得出公式：

P擺=（1－1.34）Tn/R （2）

式中，P擺為截割頭上的平均截割力；

R為截割頭圓錐段平均半徑；

Tn為截割頭上的額定扭矩。

推進力由行走馬達提供，但需要核算，確保牽引力必須小于行走部與底板的摩擦力，否則履帶打滑。

推進力由試驗推出公式：

P推=（1.8－2.5）P擺 （3）

三、掘錨機主機各部件結構

掘錨機集成了截割、裝載、運輸、臨時支護、鉆錨、鉆探等功能，整機基于懸臂掘進機結構，設計錨桿鉆機，由液壓驅動，錨鉆系統布置在本體架的兩側、行走部的上方。掘錨機在掘進時，鉆錨系統收縮在本體兩側，高度低于回轉臺，不影響切割左右橫擺。頂板進行支護時，鉆錨系統通過兩級滑移結構，使懸臂伸縮至截割頭前側進行錨護作業。機載臨時支護裝置支撐防護強度設計高，同時油缸支撐力可達30000N，調整油缸采用雙回轉缸結構進行角度調整，適用于各種不同截面巷道。

將機身左側的操縱臺挪到本體蓋板上面，左后側電控箱后移，騰出的左側履帶上方的空間安放左側錨桿鉆機的滑移軌道及支架連桿機構。將機身右側的油箱和泵站由前后布置改為上下錯位布置并后移，騰出的右側履帶上方的空間安放右側錨桿鉆機的滑移軌道及支架連桿機構。在機身上方兩側布置矩形風筒，將巷道回風引到電控箱上方的圓形風筒，與上方的除塵風機連接，同時機身高增加500mm左右。每部錨桿鉆機由兩臺垂直布置的旋轉油缸帶動實現左右旋轉和前后旋轉，配合連桿機構的旋轉、升降和伸縮動作以及每側滑移軌道的二級伸縮行程，實現迎頭任意位置的錨桿、錨索施工作業。割窯時，兩側滑移機構向后收回，連桿機構收回并攏，錨桿鉆機擺到水平位置放置于回轉臺兩側附近。目前，該條巷道的頂部錨桿及錨索和側幫上部的錨桿及錨索施工全部由機載錨桿鉆機完成，只有側幫下部的錨桿施工需人工手持鉆機完成。

由于機身的長寬高尺寸都有增加，所以該型掘錨機適合較大巷道斷面的施工。

（一）截割部結構

截割機構動力由防爆交流電動機供給，主要有臂架、減速箱、懸臂、截割頭等構件。截割上下擺動活動依靠臂架與回轉臺鉸接，油缸推動構件繞鉸接點相對轉動實現，截割左右擺動依靠回轉臺與本體機架安裝支撐軸承進行相對旋轉運動。

（二）裝運機構結構

裝運機構一般由鏟板部和第一運輸機組成，既可以采用液壓馬達分別驅動的方式，也可用電動機驅動。鏟板部上貨機構可以選擇耙爪式和星輪式，二者根據使用要求進行選擇。與第一運輸機部采用液壓聯動，星輪采用液壓馬達直接驅動。鏟板一般有20°的傾角。升降與本體使用銷軸進行鉸接，上下均可范圍轉動。第一運輸機部分貫穿本體，前端同時與本體部和鏟板部連接孔鉸接，后部向上伸出，由后支撐部支撐第一運輸機尾部。

（三）主體機構

主體機構包括本體部、行走部及后支撐部。掘錨機總體設計要將本體部加長，可采用分體式本體，同時調整本體部與行走部履帶架的安裝位置。掘錨機的行走機構一般采用掘進機同系列履帶式，與掘進機不同的是，掘錨機的行走部需要加長，滿足鉆錨安裝需求。行走部為掘錨機提供前進的動力，確保掘錨機的行走穩定性和安全性。行走減速機選用知名品牌的適合型號；行走部外側增加鉆錨固定座，建議采用支重輪加滑動摩擦式混合式結構。相比于掘進機后支撐，掘錨機的后支撐加長設計，以滿足電控箱、液壓泵站的安裝需求。

（四）電氣系統主要技術參數的確定

電氣系統包括動力、智能反饋部分及控制部分。電氣系統必須符合MT/T661－2011《煤礦井下用電器設備通過技術條件》、MT/T682－1997《后置式掘錨機電控設備系列與參數》等標準中的有關規定和要求。回路中所有的電器元件應滿足使用需求。

（五）液壓系統

液壓系統包括工作油路系統、控制油路系統和反饋油路系統。工作油路液壓系統是由執行元件（油缸、馬達）、比例閥、油箱、泵以及相互聯接的油管和接頭等組成。控制油路是由先導操作手柄控制換向閥啟閉油路，進而控制油缸伸縮、馬達旋轉。反饋油路是通過設置在各油路的壓力表分別檢測各回路油壓狀況，比例泵存在實時內部壓力反饋控制流量的功能。

后置式掘錨機采用操作臺布置于回轉臺上部的設計，掘錨機司機可以觀察左右兩幫截割情況。整機結構緊湊，空間利用率高。將操作臺布置于回轉臺的上部，增加支護操作閥以固定位置。

（六）其他輔助系統

1.水系統

水系統分內、外噴霧。一路直接通往文丘里噴嘴，噴出作為外噴霧。另一路經過濾器、減壓閥再冷卻截割電機后分為二路：一路進入油箱冷卻器冷卻液壓油后灑水座噴出；另一水路經過加壓泵增壓后，由截割頭截齒座下側內噴出水霧，冷卻截齒及滅塵。

2.臨時支護系統

支護裝置主要由中心架體、懸臂機構、反轉油缸、升降油缸、調整油缸等組成。掘錨機液壓泵站供油，懸臂帶動頂架向上抬升，控制油缸調整中心架支護頂板，開始進行錨固作業。完成支護后，控制油缸并使中心架落在掘錨機蓋板上，循環進行下一次支護、錨固作業。

四、確定錨鉆系統結構及主要參數

錨桿鉆機安裝在行走部，比普通掘錨機更容易平衡，增強機體穩定性。為增強設備穩定性，移動錨座下側安裝可伸縮裝置，方便折疊收納，在工作時，穩定機體結構。行走部加重，使整個掘錨機的重心合理。

兩套鉆錨系統，分別布置于左、右行走部上側，主要結構包括底板、縱移滑軌、縱移滑臺、懸臂機構、錨桿鉆機、翻轉座、控制系統等。機載錨桿鉆機工作時可通過縱移滑軌及滑座前伸，實現在截割部前方施工頂部及幫部的錨桿。該鉆錨系統配置的液壓鉆箱，額定可達到轉速500r/min，扭矩350N·m。前部可施工于巷道上部、側幫部、前方錨桿錨索、探測卸壓孔，最大施工孔徑可達Ф150mm，深度20m。幫部最低孔可施工距底板高度600mm水平孔，可滿足不同方位鉆孔需求。每部錨桿鉆機均布置有兩個作業平臺，且作業平臺可跟隨錨桿鉆機進行移動，便于作業人員就近施工錨桿；前部鉆機縮回長度選1.3m，鉆機行程1.4m。回轉油缸定位座與懸臂內臂鉸接，并通過油缸實現懸臂上下擺動。

左右鉆臂對稱分布在機組的左右兩側，分別有連接底座裝置、二級滑座裝置、懸臂裝置、移動平臺和打釬裝置等部分，主要作用于各方位打孔：需要支護時，油缸推動滑座，將錨鉆系統伸縮至欲打錨桿位置，懸臂裝置通過油缸定位頂幫及迎頭。回轉鉆馬達是進行錨桿錨索支護作業的核心構件，提供鉆孔時所需的扭矩。馬達設在懸臂一段完成鉆孔工作及緊固錨桿、錨索工作，機載錨桿鉆機可左右旋轉0～180?作業，前后方向可旋轉0～180?作業。

五、設備關鍵性能參數的校核計算及系統總圖

在掘進機總體方案及設計完成后，整機的各主要參數己基本確定，對整機進行設備關鍵性能參數的校核，參數校核合格，則進行細化設計及出圖；不通過，則重新進行總體設計：第一，計算掘錨機整機動、靜態穩定性；第二，計算液壓各部件傳動系統排量、流量和電控系統的功率；第三，調整液壓原理圖、電控原理圖；第四，校核計算多級齒輪。

六、結語

綜上所述，本文論述的掘錨機方案設計及總體研究仍以傳統掘進機的設計為基礎，在力學、設計、計算機等現代化手段和方式尋找更優性能，實現最終的設計目標。在以后的工作中，生產制造商應多積累各類數據，方便后期維護、升級，同時廣泛吸收和借鑒國內外優秀的設計理念、結構優化產品性能，促使產品具有更高的市場適應性、可靠性、安全性以及市場占有率。

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作者簡介：林敏（1984），女，黑龍江省佳木斯市人，中級工程師，學士學位，主要研究方向為煤礦機械設計與研究。