煤矿用履带式巷道修复机工作机构的仿真分析_阚志涛_张幼振_邵俊杰

煤矿用履带式巷道修复机工作机构的工作过
程一般为先用破碎锤将巷道中底鼓部分进行破碎， ２ 工作机构的力学分析
然后铲斗插入破碎后的土石渣内，最 后 再 把 土 石 渣
扒入到刮板 运 输 装 置 上．前 半 过 程 以 挖 掘 为 主，主
对以铲斗挖掘为主的反 铲 工 作 机 构，当 铲 斗 油
要 由 铲 斗 油 缸 推 动 铲 斗 进 行．后 半 过 程 以 扒 渣 为 缸的作用力对斗杆和铲斗铰接点 的 力 臂 最 大 时，铲
作机构的受力如图２所示． ２．１ 各 油 缸 受 力 分 析
为了简便计 算，忽 略 工 作 机 构 自 重 和 土 重、液
切 削 阻 力 大 ，铲 斗 挖 掘 阻 力 的 切 向 分 力 ［７－８］
压系统和连杆机构的效率及工作油缸的背压．
｛ ［ ］｝ Ｆｗｔ＝Ｃ Ｒ １－ｃｏｓｃ（ｏφｓｈφ－ｈφ）
当铲斗油缸推动铲斗挖 掘 结 束 后，铲 斗 已 经 插
入渣内，铲斗挖掘过程基本结 束．下 一 步 就 是 扒 渣， 主 要 由 斗 杆 油 缸 进 行 ，此 时 的 阻 力 ［４－５］
Ｆ′ ＝ Ｆｃ ＋Ｆｄ ＋Ｆｓ ＋Ｆｖ
（２）
式中：Ｆｃ为 土 石 渣 的 黏 着 阻 力，Ｎ；Ｆｄ为 堆 积 起 的 土
烆 Ｆｗｔ，ｍａｘｃｏｓδ２
（６）
式中：Ｇ１ 为铲斗 重 量，Ｇ２ 为 斗 杆 及 破 碎 锤 总 重 量，
ＫＡＮＺｈｉｔａｏ，ＺＨＡＮＧ Ｙｏｕ－ｚｈｅｎ，ＳＨＡＯ Ｊｕｎ－ｊｉｅ
（ＣＣＴＥＧ Ｘｉ’ａｎ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｘｉ’ａｎ ７１００７７，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｗｏｒｋｉｎｇ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ｏｆ ｃｏｌｌｉｅｒｙ ｃｒａｗｌｅｒ ｒｏａｄｗａｙ ｒｅｐａｉｒ ｍａｃｈｉｎｅｓ ｉｓ ｅａｓｉｌｙ ｉｍｐａｃｔｅｄ ｄｕｒｉｎｇ ｗｏｒｋｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓ ｔｏ ｐｒｏｄｕｃｅ ｗｅａｋ ｐｏｓｉｔｉｏｎ ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｅｖｅｎ ｆｒａｃｔｕｒｅ．Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｌｏａｄｉｎｇ ａｎａｌｙｓｉｓ，ｔｈｅ ３Ｄ ｍｏｄｅｌｓ ｏｆ ｂｏｏｍ ａｎｄ ｂｕｃｋｅｔ ｒｏｄ ａｒｅ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ ｆｏｒ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ａｎａｌｙｓｉｓ ｖｉａ ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ｓｏｆｔｗａｒｅ．Ａｓ ｓｕｃｈ， ｉｔ ｉｓ ｆｏｕｎｄ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｍａｘｉｍｕｍ ｓｔｒｅｓｓ ａｎｄ ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ ｏｆ ｂｏｏｍ ａｒｅ ２９１．７３０ ＭＰａ ａｎｄ ０．２８９ ０００ ｍｍ， ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ，ｗｈｅｒｅａｓ ｔｈｅ ｍａｘｉｍｕｍ ｓｔｒｅｓｓ ａｎｄ ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ ｏｆ ｂｕｃｋｅｔ ｒｏｄ ａｒｅ １０２．６６０ ０００ ＭＰａ ａｎｄ ０．０９６ ２２１ ｍｍ，ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ．Ａｃｃｏｒｄｉｎｇｌｙ，ｔｈｅ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ａｎｄ ｓｔｉｆｆｎｅｓｓ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ ａｒｅ ｓａｔｉｓｆｉｅｄ．Ｔｈｅｒｅｉｎ， ｔｈｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ ｄｅｓｉｇｎ ｒａｔｉｏｎａｌｅ ｉｓ ｖｅｒｉｆｉｅｄ ｔｏ ｐｒｏｖｉｄ ａ ｂａｓｉｓ ｆｏｒ ｆｕｒｔｈｅｒ ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ｏｎ ｗｏｒｋｉｎｇ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｒｏａｄｗａｙ；ｆｌｏｏｒ ｈｅａｖｅ；ｒｅｐａｉｒ ｍａｃｈｉｎｅ；ｗｏｒｋｉｎｇ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ；ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ａｎａｌｙｓｉｓ
动臂和斗杆进行了力学分析计算．利 用 三 维 建 模 软 为铲斗 平 均 宽 度，本 机 取 ０．４９８ ｍ；Ａ 为 切 削 角 变
件 ＵＧ 建 立 了 煤 矿 用 履 带 式 巷 道 修 复 机 工 作 机 构 化影响系数，取 Ａ＝１．３；Ｚ 为带的实体模型，并导入 有 限 元 分 析 软 件 ０．７５；Ｘ 为 斗 侧 壁 厚 度 影 响 系 数，Ｘ＝１＋０．０３ｓ，其
关 键 词 ：巷 道 ；底 鼓 ；修 复 机 ；工 作 机 构 ；仿 真 分 析 中 图 分 类 号 ：ＴＨ １１４ 文 献 标 志 码 ：Ａ 文 章 编 号 ：１６７２－５５８１（２０１４）０４－０３４６－０５
Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｎ ｗｏｒｋｉｎｇ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ｆｏｒ ｃｏｌｌｉｅｒｙ ｃｒａｗｌｅｒ ｒｏａｄｗａｙ ｒｅｐａｉｒ ｍａｃｈｉｎｅｓ
作 者 简 介 ：阚 志 涛 （１９８５－ ），男 ，硕 士 ．Ｅ－ｍａｉｌ：ｋａｎｚｈｉｔａｏ＠ｃｃｔｅｇｘｉａｎ．ｃｏｍ
第４期
阚 志 涛 ，等 ：煤 矿 用 履 带 式 巷 道 修 复 机 工 作 机 构 的 仿 真 分 析
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究提供了一定的参考，但缺少对工 作 机 构 的 工 况 分 式中：Ｃ 为土壤硬度 系 数，对 于 Ⅱ 级 土 宜 取 Ｃ＝５０； 析，以及对危 险 工 况 的 选 取 依 据，并 且 工 作 机 构 中 Ｒ 为铲斗与斗杆的铰接 点 到 斗 齿 尖 的 距 离，即 转 斗
通过对这两个过程进行 分 析，发 现 工 作 机 构 在
图 １ 工 作 机 构 结 构 示 意 图 Ｆｉｇ．１ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ ｔｈｅ ｗｏｒｋｉｎｇ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ
使用铲斗进行挖掘过程中受到的最大阻力大于扒 渣作业的阻力，因此选择工作机构 的 铲 斗 挖 掘 工 况 对动臂和斗杆进行受力分析计算．
目前，国内对煤矿巷道底 鼓 治 理 用 巷 道 修 复 机
工 作 机 构 的 研 究 较 少，但 对 与 其 结 构 类 似 的 挖 掘 机、隧道挖装 机 工 作 机 构 的 研 究 较 多．周 宏 兵 等［４］ 在对液压挖掘机工作装置受力分 析 的 基 础 上，编 程 求解 挖 掘 范 围 内 各 铰 点 受 力，并 在 有 限 元 软 件 ＡＮＳＹＳ中对构件 进 行 了 多 工 况 静 强 度 分 析．栗 园 园等 对 ［５］ 危险工况下 Ｓｃｈａｅｆｆ公 司 某 型 隧 道 挖 装 机 工作装 置 进 行 了 力 学 分 析，并 以 Ｐｒｏ／Ｅ 和 ＡＮＳＹＳ 软件为平台对工作装置各结构进 行 了 结 构 分 析．李 璇等 在 ［６］ 对扒 渣 机 挖 掘 装 置 的 极 端 情 况 进 行 受 力 分析的基础上，应用有限元分析软 件 对 挖 掘 装 置 进 行仿真分析，进而完成了对挖掘装 置 结 构 的 优 化 和 改进．这些都为煤矿用履带式修复 机 工 作 机 构 的 研
近年来随着我国煤矿开采强度和深度的增加， 深井、高地应 力、松 软 破 碎 煤 岩 条 件 下 的 开 采 和 支 护问题与日俱增，剧烈的矿山压力 导 致 破 碎 岩 层 条 件 下 的 巷 道 变 形 严 重，其 中 巷 道 底 鼓 问 题 尤 为 突 出［１－３］．煤矿用履带式 巷 道 修 复 机 是 一 种 集 破 、装、 运为一体的新型设备，它利用破碎 锤 破 碎 底 鼓 巷 道 并利用工作机构及刮板运输装置实现对破碎底鼓 的 快 速 装 运，从 而 大 大 提 高 了 底 鼓 治 理 的 施 工 效 率．但在巷道 修 复 机 工 作 的 过 程 中，工 作 机 构 容 易 受 到 较 大 的 冲 击 力，使 薄 弱 部 位 产 生 变 形 甚 至 断 裂 ，严 重 地 影 响 了 生 产 安 全 ．
摘要：在工作过程中，煤矿用履带式巷 道 修 复 机 工 作 机 构 容 易 受 到 较 大 的 冲 击 力 ，使 薄 弱 部 位 产 生 变 形 甚 至 断 裂．对修复机工作机构在挖掘工况下进行受力分析，建立煤矿用履带式巷道修复机的动臂和斗杆 的 三 维 模 型，并 利用有限元分析软件进行仿真分析．结果表明：煤矿用履带式巷道修复机动臂的最大应 力 为 ２９１．７３０ ＭＰａ，最 大 位移为０．２８９ ０００ ｍｍ，斗 杆 的 最 大 应 力 为 １０２．６６０ ０００ ＭＰａ，最 大 位 移 为０．０９６ ２２１ ｍｍ，均 满 足 强 度 和 刚 度 要 求 ，验 证 了 结 构 设 计 的 合 理 性 ．
中对其进行应力及应变分析，从而 验 证 煤 矿 用 履 带 中ｓ为 侧 壁 厚 度，本 机 取 １ｃｍ；Ｄ 为 切 削 刃 挤 压 土
式巷道修复机工作机构结构设计的合理性．
１ 煤矿用履带式巷道修复机工况分析
壤的力，根据 斗 容 量 大 小，Ｄ＝１０ ０００～１７ ０００ Ｎ， 当斗容量＜０．２５ｍ３时，Ｄ 取１０ ０００Ｎ．
到连杆 ＨＫ 的 作 用 力 臂．代 入 数 据，得 到 Ｆ１ ＝９２．
６５ｋＮ．
２．２ 各 铰 接 点 受 力 计 算 （１）取 铲 斗 和 斗 杆、破 碎 锤 整 体 为 研 究 对 象，
根 据 力 的 平 衡 条 件 ，可 知
烄ＦＪｘ ＝ Ｆ２ｃｏｓδ４ －Ｆｗｔ，ｍａｘｓｉｎδ２ －Ｆｗｎ，ｍａｘｓｉｎδ１ 烅ＦＪｙ －Ｆ２ｓｉｎδ４ －Ｇ１ －Ｇ２ ＋Ｆｗｎ，ｍａｘｃｏｓδ１ ＝
第 １２ 卷 第 ４ 期 ２０１４ 年 ８ 月
中 国 工 程 机 械 学 报 ＣＨＩＮＥＳＥ ＪＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＣＯＮＳＴＲＵＣＴＩＯＮ ＭＡＣＨＩＮＥＲＹ
Ｖｏｌ．１２ Ｎｏ．４ Ａｕｇ．２０１４
煤矿用履带式巷道修复机工作机构的仿真分析
阚志涛，张幼振，邵俊杰
（中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西 西安 ７１００７７）
主，主要由斗 杆 油 缸 推 动 斗 杆 进 行，实 现 把 土 石 渣 斗得到的最 大 挖 掘 力 近 似 等 于 铲 斗 的 最 大 挖 掘 阻
扒到刮板运输装置的入口 处．两 个 过 程 工 作 机 构 受 力 ，此 ［９－１３］ 时 动 臂 下 放 到 最 低 位 置，巷 道 修 复 机 工
到的阻力不 同，当 铲 斗 挖 掘 时，土 壤 切 削 阻 力 与 切 削深度基本 上 成 正 比．一 般 来 说，由 于 前 半 过 程 的 切削角不利，导致前半过程切削阻 力 比 后 半 过 程 的
由式（１）可知，当φ＝φｈ时，可 得 到 切 向 最 大 挖 掘阻力