矿用锚杆高效自动剪断装置的研制与应用

相吉安 程召汉 宋立勇

（山东兖州煤矿机械有限公司，山东 兖州 272100）

锚杆是煤矿的常用支护材料，用量非常大，但现在大多数企业对于锚杆的生产还是靠人工来完成的。传统的人工生产模式，劳动强度大，生产效率低，而且还存在一定的安全隐患。根据这一现状，山东兖州煤矿机械有限公司对锚杆的生产工艺进行了深入的研究，经过不断的探索和调研，不断的试验和总结，成功研制出了锚杆自动剪断装置，实现了锚杆剪断的机械化和自动化，并在实际生产中取得了显著的效果。

1 结构和工作原理

1.1 结构

如图1所示锚杆自动剪断装置主要包括传动装置2和3、自动定位装置6、自动翻料装置4三大部分组成。

1.2 工作原理

按下启动按钮，传动装置2和3开始动作，物料1（3根长12m的锚杆钢）在传动装置的带动下开始向前运动，通过导向槽8将3根锚杆钢分开并送入剪口7，到达定位挡板6，传动装置2和3停止运动，剪口7动作，将锚杆钢剪断，此时定位挡板6在气缸的带动下提起，传动装置3动作，带动剪好的锚杆向前运行，到达尾部挡板5时，翻料装置4开始反转，将剪好的锚杆翻入吊装架内。然后往复运动实现锚杆的自动化剪断。

图1 锚杆高效自动剪断装置示意图

2 锚杆高效自动剪断装置的特点

2.1 传动装置

传统的传动模式是把原料放在托辊上，然后人工向前拖拽，而且一次只能托动一根锚杆钢，费时又费力。

改进后，用电机带动托辊，用链轮将各个托辊连接起来使其一起转动，带动托辊上的原料向前运行。此种传动方式一次可以传送多根，快速高效，不需要人工。

2.2 定位装置和翻料装置

传统的定位挡板是固定的，不能移动的，锚杆剪断后需要人工将剪好的锚杆拿下来，有时剪断后锚杆卡的比较紧，一次拿不下来再去拿时就很容易被下一根传过来的锚杆伤到手，存在一定安全隐患。

改进后，定位挡板采用自动化控制，并且用翻杆来代替人手卸料，锚杆被剪断后挡板在气缸的带动下自动提起，锚杆从挡板的下方通过到达翻料装置由翻杆将锚杆翻到吊装架内。整个过程全部自动化控制，无需人工，快速安全。

2.3 剪口的控制

传统的方式是用脚踏开关控制剪口，剪一次就需要人工踩一下脚踏，这种方式一是比较费事，二是由于每天要生产上万根锚杆这样频繁地使用脚踏，脚踏开关上的弹簧很容易失效，造成剪口“连剪”，导致出现废品。

改进后，用气缸代替弹簧，一上一下简单快捷，并实现了剪口的自动化控制，快速安全。

3 翻料装置气缸承载力的计算

图2为翻料装置的最大受力位置，为了简化计算，将3根物料假设都放在m1位置，翻杆L0段、连杆和气缸的质量均忽略不计。

图2 翻料装置示意图

由力矩平衡条件得：

根据（1）、（2）、（3）式，可得出气缸的最大承载力F2：

式中：

F2-气缸承载力，N；

m1-锚杆质量，kg；

g-重力加速度，取g=9.8m/s2；

m2-翻杆质量，kg；

L1-锚杆力臂，m；

L2-翻杆力臂，m；

α-连杆与翻杆的夹角，（°）；

β-气缸与水平面的夹角，（°）。

4 链轮的设计

根据托辊承载力的大小，选择链条型号为滚子链08A-1-94 GB/T1243-2006，查《机械设计手册》第2卷表6.2-2得滚子链的参数节距P=15.875mm，滚子直径d1=10.16mm，查《机械设计手册》第2卷表6.2-7得链轮齿数z=25，链轮分度圆直径d：

齿顶圆直径da的计算：

齿根圆直径df：

5 系统能量分析

5.1 系统总动能Ek

（1）原料总动能E0

式中：

m-传动物料的总质量，kg；

v-物料的运动速度，m/s。

（2）托辊的转动惯量J1

式中：

m1-托辊圆管的质量，kg；

R1-托辊圆管的外径，m；

r1-托辊圆管的内径，m；

m2-托辊中心轴的质量，kg；

r2-托辊中心轴的半径，m。

（3）链轮的转动惯量J2

J2=mr2/2

式中：

m-链轮的质量，kg；

r-链轮的半径，m。

（4）主动皮带轮的转动惯量J3

式中：

m1-主动皮带轮的质量，kg；

m1' -凸缘部分的质量，kg；

r1-主动皮带轮的外径，m；

r1'-凸缘外径，m。

（5）从动皮带轮的转动惯量J4

计算方法与（4）主动皮带轮的计算方法相同。

（6）减速机的系统总动能E减速机

式中：

ω1、ω2、ω(3)-分别是电机、一级减速、二级减速的角速度，ω1:ω2:ω3=15:5:1；

J1' 、J2' 、J(3)' -分别是电机、一级减速、二级减速的转动惯量。

在新农村景观规划的过程中，应该积极遵循以人为本的理念，要为农村营造和谐的生存环境，展现出人和自然全面发展的模式。所以，在实际进行农村景观设计的过程中，要以自然为本，并尊重人们的生活习惯和文化。在设计的规程中要彰显出以人为本的原则。在农村发展的过程中，其经济来源主要是农业。在这样的情况下，设计人员在展现出以人为本思想的情况下，要让自身在实际环境中展现出一定的适应性，还应该引导外来人员在情感上形成共鸣[1]。这样，才会实现生态资源的和谐发展。最后，还应该把现代化景观设计和当地人们观念密切的结合在一起，其中也涵盖了村民的日常生活特色，形成温馨的新型农村景观结构，为新农村建设提供有力支持。

由（1）（2）（3）（4）（5）（6）得系统总动能Ek

式中：

ω0-托辊、链轮、从动皮带轮的旋转角速度，rad/s；

ω4-主动皮带轮的旋转角速度，rad/s。

5.2 系统摩擦损耗Ef

忽略电机和减速机的摩擦生热损耗，物料的摩擦能量损耗分析如下：

式中：

k-滚动摩擦系数，取k=0.01；

g-重力加速度，取g=9.8m/s2；

r'-摩擦半径，m；

t-摩擦时间，s。

6 创造性、创新性描述

本着提高劳动效率、降低劳动强度和多用设备少用人的指导思想，将原来传统的人工剪断模式，改为机械自动模式，实现了锚杆生产的自动传送、定位、剪断以及翻料等动作，使原来至少3个人才能完成的工作，现在仅需要1个人就可以轻松完成，大大降低了工人的劳动强度，提高了劳动效率，每年节约可人工成本10万多元，每天可增加产量7000多根，提高劳动效率3倍之多，经济效益非常显著，同时实现了安全生产。

7 推广应用范围以及改进措施

锚杆高效自动剪断装置，实现了锚杆剪断的自动化控制，并且结构简单，易于操作，节约人员，安全可靠，特别适用于锚杆批量生产的工矿企业。

改进措施：

（1）现在上料部分还是人工上料，将来改进方向把上料部分也改成自动上料。

（2）现在的自动控制是靠继电器来完成的，更换产品型号时需操作员根据工作手册来设置对应的控制程序，下一步现将会用PLC控制来代替继电器控制，更换产品时直接在控制面板上输入需要更换的产品型号即可，改进后会更直观，操作会更容易。

8 结语

锚杆高效自动剪断装置摆脱了多年来劳动强度大、生产效率低的人工剪断模式，使锚杆的生产实现了机械化和自动化，降低了劳动强度，提高了劳动效率，保证了安全生产。锚杆自动剪断装置在生产现场已成功使用，效益非常显著。锚杆自动剪断装置设计简单，制造容易，易于操作，具有很好的使用价值和推广价值。