坑道钻机滑移装置结构设计与强度分析

赵雪锋

【摘 要】本文针对普通钻机无法调节机身空间位置的缺点，设计了一种全新的滑移装置，该滑移装置固连在钻机的给进装置上。滑移装置通过两根平移油缸可以调节钻机机身的空间位置，从而减小钻机运输尺寸或实现跨皮带工作状态，也可以调整机身位置使夹持器远离孔口从而便于安装孔口装置。安装有滑移装置的钻机相对于普通钻机，具有结构紧凑、操作简单以及维修方便等优点。

【关键词】钻机；滑移装置；结构设计；强度分析

0 概述

全液压坑道钻机是保证煤矿安全生产的关键设备之一，主要用于煤矿井下瓦斯抽（排）放孔、地质勘探孔、防突卸压孔及其他工程孔[1-2]施工。全液压坑道钻机分为普通分体钻机和履带式坑道钻机。由于履带式坑道钻机具有操作简单可靠、搬迁方便、自动化程度高[3]等优点，成为近年的研究热点，其主要由履带车体、主机、电机泵组、油箱组件等部分组成。主机是钻机的执行机构，用于调节钻机的开孔高度和钻孔倾角。给进装置是主机的重要组成部分，主要由：动力头、机身、夹持器组成，如图1所示。

在普通分体钻机中，给进装置未配备滑移装置，其机身空间位置无法自动调节。当夹持器距离孔口较近，而又需要安装孔口装置时，必须人工搬离钻机，使夹持器远离孔口才可进行，故普通钻机调整机身空间位置时，费时费力。针对这一情况，本文为履带式坑道钻机专门设计了一种滑移装置，该滑移装置固连在钻机的给进装置上。配备滑移装置的给进装置如图1所示。该滑移装置具有以下优点：

（1）自动调整钻机给进装置的空间位置，减小钻机运输状态尺寸；

（2）使钻机实现跨皮带工作状态；

（3）自动调整钻机夹持器与孔口的位置，使夹持器远离孔口，便于安装孔口装置[4]；

（4）结构紧凑、自动化程度高、操作简单以及维修方便。

1 结构设计

图2所示为普通钻机所配备的机身，机身通过其下的两个抱瓦固定在机架上（机架略去）。此设计，结构简单，但机身位置不能自动调整。当需要跨皮带工作或者使夹持器远离孔口时，需人工搬移整个钻机，效率极其低下。

为解决普通钻机无法自动调整给进装置空间位置的缺点，本文为履带式坑道钻机设计了一种新型滑移装置，固连在机身上，如图3所示。该滑移装置由卡板、平移油缸、油缸座、机身挡板组成。通过该滑移装置，钻机可自动调整给进装置的空间位置，从而实现跨皮带工作或使夹持器远离孔口。

本文所指的履带式坑道钻机对最低开孔高度有硬性要求，在保证最低开孔高度的前提条件下，可适当增加给进装置的宽度。由此，平移油缸不能布置在给进装置下方，这样会使其最低开孔高度变高。故平移油缸应对称布置于给进装置两侧。为方便拆卸维修，平移油缸通过独立的油缸座用螺栓固连在机身上。在进行滑移装置结构设计时，也应综合考虑钻机胶管的使用问题。若将平移油缸缸筒固连在机身挡板上，将活塞杆固连在机身卡板上，当平移油缸动作时，连接在缸筒上的胶管会随机身的移动而运动，这既影响美观又会加剧胶管的磨损，减少了胶管的使用寿命。若将平移油缸缸筒固连在机身卡板上，而将活塞杆固连在机身挡板上，当平移油缸动作时，连接在缸筒上的胶管固定不动，这既保证钻机胶管整齐布置又减少了胶管的磨损。通过分析，第二个方案更具有合理性，故选用此结构。机身挡板可视作一个悬臂梁结构，其频繁承受平移油缸的作用力，机身挡板应保证在承受平移油缸最大作用力时不会发生永久变形。当机身挡板发生永久变形时，就会影响滑移装置功能的实现，故应对其进行强度分析。机身挡板作为滑移装置中最薄弱的环节，对其进行强度分析，可视为对滑移装置进行强度分析。当平移油缸达到最大行程时，机身挡板所承受的作用力最大，此时平移油缸工作压力为21MPa，机身挡板所承受最大作用力的计算公式为：

2 强度分析

对滑移装置进行强度分析时，考虑到使用有限元软件可将分析结果形象直观的表达出来，本文使用ANSYS对滑移装置进行强度分析。为便于分析，需将模型进行简化，将给进装置中无关紧要零件剔除后，将简化模型导入有限元软件。

在简化模型中，机架视为固定不动，对其施加固定约束；机身挡板受两个平移油缸的作用力，值为105kN，对其施加两个值为105kN的力。对简化模型进行网格划分，划分结果如图4所示。

网格划分完毕，对模型进行求解分析，应力图与位移图如图5、图6所示。

机身挡板材料为45钢，其屈服强度为345MPa，由图5、图6可看出，机身挡板所受最大应力为529MPa，大于45钢屈服强度；机身挡板最大变形为1.1mm，此变形为永久变形，并随时间逐渐变大，进而影响滑移装置功能的实现。因此，需要对滑移装置进行优化改进。从设计理念考虑，应优先考虑焊接筋板从而增加机身挡板的抗弯强度，而非增加机身挡板厚度。对滑移装置进行优化改进，增加筋板，并进行强度分析，其结果如图7、图8所示。

由图7可知，优化改进增加筋板后，机身挡板的抗弯强度明显增加，其最大应力约为263MPa，小于45钢的屈服强度。由图8可知，机身挡板最大变形量为0.3772mm，又因为机身挡板最大应力小于45钢屈服强度，故此变形为非永久变形。经过以上分析可知，在不增加机身挡板厚度的情况下，通过焊接筋板来提高滑移装置的强度是非常有效的。

3 结论

本文对钻机滑移装置进行了结构设计与强度分析，并对其进行了优化，得到如下结论：

（1）滑移装置使钻机能够自动调节给进装置的空间位置，使夹持器远离孔口便于安装孔口

装置，操作简单、维修方便；

（2）滑移装置的组成部分——机身挡板，初次设计不能满足滑移装置的强度要求，会发生永久变形，本文在不增加机身挡板厚度的情况下，通过增加筋板，明显提高了机身挡板的抗弯强度，使其满足使用要求。

【参考文献】

[1]李剑锋.综掘机载液压坑道钻机的研制与应用[J].凿岩机械气动工具，2011（3）：38-39.

[2]张武，郭卫，路正雄 坑道鉆机机架结构设计与分析[J].煤矿机械，2015，36（7）：205-207.

[3]蒲剑，陈航，肖玉清.煤矿用自动控制钻机的研制[J].煤炭技术，2015，34（5）：269-271.

[4]杨威.用于瓦斯抽放钻场的液压钻机牵引移动装置[J].工矿自动化，2015，41（4），：109-111.

[责任编辑：张涛]