中部槽机械抓手的结构设计与分析

胡成峰

摘 要：针对目前巷道铺设中部槽过程中，中部槽安装、起吊移动不便的问题，综合中部槽的运行工况、受力特点，研究设计中部槽机械抓手的结构；同时，利用有限元分析软件ANSYS对机械抓手的关键部件起吊端盖进行结构强度及刚度分析。结果表明机械抓手能够大幅提高中部槽起吊移动的速度，减少中部槽安装时间，提高铺设中部槽的效率，满足矿井高产高效的要求，具有重要的经济效益和社会效益；起吊端盖的结构强度及刚度满足安全使用要求。该设备的研究应用能够为快速铺设刮板输送机提供有利条件，推广前景广阔。

关键词：中部槽；结构设计；ANSYS；结构强度；结构刚度

中图分类号： P634.3+3 文献标识码： A 文章编号： 1673-1069（2016）21-177-2

0 引言

中部槽是刮板输送机的重要组成部分，主要用于承担物料荷载，具有体积大、重量重等特点。刮板输送机的中部槽组装时，一般先根据运输巷道的长度来确定所需中部槽的个数，然后通过设备吊装单个中部槽进行组装。目前，煤矿井下吊装中部槽大多通过钢丝绳捆绑中部槽进行吊运，此吊装方式不仅费时费力，而且存在一定的危险性。所以在设计中部槽机械抓手时，综合中部槽的结构特点、运行工况进行结构设计；同时，通过有限元软件ANSYS对机械抓手的重要结构零部件进行力学分析，保证中部槽机械抓手在特定工况下满足安全使用要求。

1 中部槽机械抓手结构设计

1.1 总体结构概述

1.主梁箱；2.端梁

1.液压缸；2.齿条组；3.齿轮组；4.自由端抓手；5.固定端抓手

如图1所示，中部槽机械抓手主要包括主梁箱、端梁，端梁通过焊接固定安装在主梁箱两端。主梁箱整体结构采用板材焊接成箱型截面的梁体，而箱型结构具有良好的抗弯抗扭性能[4]。主梁箱箱盖上设有吊耳，主要用于实现与起重机吊链的连接，进而通过机械抓手将中部槽吊运到适当位置。端梁的前、后端头形状设计成中部槽卡槽形状，有利于在吊运中部槽的过程中，端梁更好的卡在中部槽卡槽中。

1.2 主梁箱及端梁结构设计

主梁箱内部安装有液压缸、齿条组、齿轮组，液压缸为整个机械抓手的动力部件，通过齿条组、齿轮组的啮合传动，推动自由端抓手卡在中部槽卡槽中，进而实现抓手对中部槽的抓取动作。齿条组包括左齿条、右齿条、横梁，左齿条、右齿条分别焊接在横梁的两端；齿条组的横梁与液压缸活塞杆通过销轴连接。齿轮组有两对，分别安装在箱体底板的左、右两侧。

端梁包括固定端抓手、自由端抓手，固定端抓手和自由端抓手的端头在设计加工时，需根据中部槽卡槽的具体形状来进行相似设计，保证端头能正好卡在中部槽的卡槽中。固定端抓手内部设有滑槽，自由端抓手可在固定端抓手内部的滑槽面上沿滑槽长度方向上实现平移运动；所述自由端抓手一侧焊接有齿条，所述自由端抓手的齿条与齿轮组的齿轮互相啮合。

1.3 液压缸相关参数设计

油缸采用的是一级伸缩式油缸，在确定油缸内径时，仅需满足油缸推力要求即可。行走油缸的内径D为

式中：

F—活塞杆所受的最大负载，单位N；

Φ—为推移油缸杆径比。

由负载分析可知，油缸最大负载为F=158000N，带入相关数据可以求得D=43mm，圆整后取D=45mm。

根据油缸内径尺寸，经查机械设计手册得其他相关尺寸，如表1所示。

2 机械抓手关键部件的有限元分析

起吊端盖是整个机械抓手的主要承载单元，需要对起吊端盖进行强度校核，利用 SolidWorks建立起吊端盖几何模型，对其进行合理简化。模型建成后，将后连接件保存为*step的格式，并导入到ANSYS Workbench软件中，采用solid186单元类型，完成材料属性的设置，采用智能网格进行网格划分，单位大小设置为6.0mm，得到起吊端盖的三维有限元模型。

根据起吊端盖的实际工况及其受力情况，约束施加在起吊端盖四个下连接耳座上，且采用固定全约束。根据机械抓手起吊中部槽的重量以及抓手自身重量，共计2.4t，取安全系数为1.5，则最大起吊力为3.6t，起吊力作用在起吊端盖的上耳座，方向竖直向上，另外起吊端盖应考虑自身重力的影响[3]。将上述载荷施加到齿条组连接件上，再进行求解。

得知，最大应力值为245.43MPa，出现在起吊端盖四个下连接耳座上，根據强度分析结果，同时考虑起吊端盖具有良好的强度和刚度，材料选取而进行有限元分析时，加载的工作载荷为正常情况下1.5倍，所以后连接件的使用安全系数S为：

S=1.5×2.24=3.36

《煤矿安全规程》规定煤矿设备安全系数S不小于3，起吊端盖的安全系数是3.36，可以满足工程实际需要。

起吊端盖整体位移均匀，没有较大的变形，也不存在明显的突变变形，最大的变形为0.0158mm。所以起吊端盖强度满足要求，其设计合理可靠。

3 结束语

本文通过对中部槽机械抓手的设计研究，解决以往巷道铺设中部槽过程中，中部槽安装、起吊移动不便的问题，通过该研究设计，能够大幅提高中部槽起吊移动的速度，减少中部槽安装时间，提高铺设中部槽的效率，满足矿井高产高效的要求，具有重要的经济效益和社会效益；同时，利用有限元分析软件ANSYS对机械抓手的关键部件起吊端盖进行结构强度及刚度分析，结果表明起吊端盖的结构强度及刚度满足安全使用要求。该设备的研究应用能够为快速铺设刮板输送机提供有利条件，推广前景开阔。

参 考 文 献

[1] 姜翎燕.工作面刮板输送机技术现状与发展趋势[J].煤炭科学技术，2007.08-0102-05.

[2] 葛伟伟，张森，李媛媛，孙维丽.井下搬运机械手的设计与仿真研究[J].煤矿机械，2015.02-0047-03.

[3] 陈清华，袁力，徐曼曼.矿用防坠器的有限元分析与结构改进[J].煤矿机械，2015.01.106.

[4] 朱菊芬，初晓婷.变化截面复合材料箱型结构后屈曲性态分析[J].大连理工大学学报，2002，42（1）：36-41.