一种新型悬臂式掘进机侧支承的设计

李洪亮

(三一重型装备有限公司， 辽宁 沈阳 110027)

0 引言

掘进机进行掘进作业时，经常出现机尾左右摆动的现象，发生此现象的原因是截割头上的截割反力相对重心的扭矩大于设备本身重力相对重心在地面上的扭矩[1]，增加侧支承后，强行将掘进机的转动中心从重心位置向后移动到后支承位置，改变了整机的受力状态，从而达到防止掘进机摆尾的目的。

1 扭矩计算

掘进机出现摆尾现象时掘进机基本处于水平截割的状态，截割臂水平进给是由回转油缸的运动实现的，在截割臂水平进给时，一个油缸伸长，另一个油缸缩短，如图1所示，2个油缸同时作用[2-3]。2个油缸提供的进给力矩与油缸力关系如公式(1)所示。

(1)

式中：Ma为油缸提供的总进给力矩，N·m；N1为有伸长趋势的油缸提供的推力，N；N2为有收缩趋势的油缸提供的拉力，N；a为回转中心到回转油缸前铰点距离，mm；b为伸长油缸的长度，mm；c为回转中心到回转油缸后铰点距离，mm；e为收缩油缸的长度，mm。

其中，伸展油缸的长度b与收缩油缸长度e的关系如公式(2)所示。

(2)

式中:M为回转台上2个油缸前铰点与回转中心连线的夹角，(°)；N为回转台上2个油缸后铰点与回转中心连线的夹角，(°)；

以某型号掘进机为例，将a=808 mm，c=1 908 mm，b和e的长度范围为1 485～2 014 mm，N1=582.3 kN，N2=366.7 kN，在Matlab中画出进给力矩曲线图，从图2上可以看出，随着回转油缸的伸缩，进给力矩不断变化，最大值为760 kN·m。姿态为截割臂摆到中间位置，截割头到回转中心的距离为4 700 mm，得到进给力为161.7 kN。当截割臂有俯仰角时，此力会变大，示例掘进机俯仰角变化小，因此不再考虑[4]。

图2 油缸长度与回转力矩曲线

2 侧支承结构

这里提出一种新的掘进机侧支承结构，不同于传统的油缸+套筒式侧支承，此侧支承为油缸+支承体式，此结构特点是简洁，易维护制造，不占用掘进机内部空间，具体结构见图3。其中侧面安装座安装于后支承部的侧面，顶部安装座安装于后支撑部顶部，过渡块是为保护油缸的，使油缸上只有轴向载荷。

侧支承结构安装于掘进机上后，动作油缸来实现支承体的摆动，安装后整机形态如图4、图5所示。

1-支承油缸; 2-支承体; 3-销轴; 4-侧面安装座;5-顶部安装座; 6-过渡块。

图4 侧支承开合示意图

图5 安装有侧支承的掘进机

3 侧支承力的计算

增加侧支承后，掘进机整机的受力状态发生改变，受力分析如图6所示[5]。

图6 侧支承受力分析简图

由图6可以得到公式(3)和(4)：

F1(L1+L2)+F2·L2=0

(3)

F1·L1+F3·L2=0

(4)

式中:L1为截割头中心距离整机重心的距离，mm；L2为后支承支承点距离重心距离，mm；F1为岩石对截割头的作用力，kN；F2为地面与履带间的附着力，kN；F3为岩石对侧支承的作用力，kN。

示例掘进机中，若L1=5 327 mm，L2=2 894 mm，F1=161.7 kN，则F2=459.3 kN，F3=297.6 kN，F2为地面与履带间的附着力，取0.7的附着系数，则整机需要不低于67 t(本文中提到的掘进机重70 t)，否则无法提供足够的附着力,导致整机侧移[6]。

由此，当F3=297.6 kN时，可以保证掘进机不再出现摆尾状态。可取油缸直径为140 mm，销轴直径80 mm。

4 强度校核

强度校核在ANSYS WORKBENCH环境下进行，首先将模型进行简化，由于模型左右结构类似，只对一侧进行校核，之后将销轴与销孔间的接触方式更改为frictionless[7-8]，将固定约束施加于侧面安装座和底面安装座的安装面上，并在支承体的支承面上施加300 kN的力，如图7所示。

图7 约束及载荷施加

分析并得到变形云图如图8所示，由应变云图可知，最大位移发生在支承体中间位置，位移量为3.92 mm，板厚为30 mm(可适当增厚)。

图8 变形云图

图9 应力云图

分析并得到应力云图如图9所示，由应力云图可知，整个结构的最大应力为267.51 MPa，Q345材料可满足使用要求。

5 结论

经过以上设计及校核过程，此侧支承结构可防止掘进机在掘进作业中的机尾摆动现象，且结构简单易于维护，具有一定的推广价值。