矿用液压退锚车剖切机构优化设计

于进 张东海

摘要： 针对矿下作业环境复杂，CYT-1000/63/80Y 型矿用液压退锚车剖切机构泛用性小，且无法用于底部锚索炸裂的锁具剖切等问题，提出具有定位装置、足够行程的新型机构，同时对剖切机构进行结构优化，留出锚具底部空间，采用刃刀具和圆弧刀具组合的方式，在剖切的同时实现定位功能简化结构，增加剖切机构泛用性和剖切精度。通过理论计算和Ansys 有限元分析的方法对机构强度进行校核和验证。

关键词： 煤矿 结构设计 剪切退锚 有限元分析

中图分类号： TD353 文献标识码： A 文章编号： 1672-3791（2023）24-0112-04

根据《2018 煤炭行业发展年度报告》，2018 年全国原煤产量36.8 亿t［1］。中国作为一个煤炭资源丰富、煤炭消费总量大的国家，降低煤矿开采成本、提高开采效率、保障矿下工作人员施工安全具有重要意义［2］。

当前矿井内采用的退锚设备主要为千斤顶式矿用退锚机，如图1 所示。该设备通过加压顶起锚索的锚具与顶板，从而使锚索内部锚具与外套分离，实现退锚。

该类设备具有以下几个缺点［3-4］。

（1）可靠性低。千斤顶加压大小需要操作人员通过个人经验判断。锚索底部有时会炸裂散开，如图2所示，从而影响退锚千斤顶的安装。

（2）人工劳动强度大，对劳动力需求高。因为矿巷高度原因，在退锚时，工作人员需要通过梯子等设备，攀爬到矿巷顶部进行作业，一般需要多名人员配合作业。

（3）具有一定危险性。退锚过程中操作人员需要攀爬靠近锚索锚具安装千斤顶，如果发生意外，工作人员无法及时撤离就不能保证自身安全。

为提高作业效率与可靠性，保障操作人员工作安全，针对传统千斤顶式矿用退锚机的缺点，采用矿用退锚车，并在退锚车上安装剪切刀具来实现退锚。

1 矿用液压退锚车主要技术特点

CYT-1000/63/80Y 型矿用液压退锚车如图3 所示，采用液压履带式车身，需要操作人员远程遥控操作。通过剖切刀具纵向对半剖切锚索锚具或者锚杆螺母。车身上带有折叠伸缩臂，能将剖切机构送至指定位置，伸缩臂顶端带有旋转油缸能调整剖切刀具和随锚索锚具所在位置的角度，并通过定位机构保证剖切时刀刃始终处于正确位置。

矿用液压退锚车的主要技术特点具体如下。

（1）车身紧凑化设计，井下通过能力强。（2）剖切力大，最大剖切力达1 000 kN。（3）远程精确遥控，提高工作效率，降低人工劳动强度。（4）安全系数高。操作人员远离危险源，并且配有矿用车载式甲烷断电器。这种断电器具有瓦斯超限报警并自动切断电源的功能。（5）冷却喷雾功能。退锚车上带有喷嘴对剖切部位进行喷雾，实现冷却、降低局部瓦斯浓度、消除火花等功能。（6）多功能平台。模块化设计能实现锚索锚具剖切、锚杆螺母剖切、登高作业平台等模块的安装与拆除功能。

2 剖切机构优化设计

2.1 问题提出

原始剖切机构如图4所示，该机构利用液压油缸进行驱动，油缸推力最大为1 000 kN，剖切部位左右两面为剖切刀头。因为剖切时需要刀头精确定位到锚具中线，若偏差过大，则无法剖切开锚具并且刀头会因此损坏，所以背面装有定位活塞，而正面留出空间供剖切机构靠近锚索锚具。当机构靠近锚具之后，机构背面的定位油缸推动定位活塞，微调剖切机构位置，使得锚具中线对准刀头。而当锚索锚具如图2所示，锚索底部散开时，锚具无法套入剖切机构中，无法进行剖切作业。

针对该问题，对剖切机构进行结构优化，新机构需满足以下要求：（1）最大剖切力为1 000 kN；（2）有足够的剖切行程；（3）机构需装有定位装置，保证刀头能对准锚具中线；（4）机构需留出空间应对锚索底部散开的情况。

2.2 剖切机构优化方案

优化后的剖切机构如图5 所示，该机构同样为液压油缸驱动，主要由油缸、传动连杆、支撑轴横栏支架、滑动轴和一组刀头组成。滑动轴一端装有刀头，另一端装有球形铰链，铰链底面与传动连杆面接触。横栏支架上装有一对轴承来支撑滑动轴。轴承与滑动轴一端套有弹簧，用于使滑动轴不受外力时恢复原位［5］。

一组刀头中，一个为刃刀具，用于剖切锚具，另一个为圆弧刀具，用于定位锚具。当剖切机构靠近锚具时，先用圆弧刀具贴靠锚具进行定位，之后启动油缸进行剖切。

进行剖切时，油缸推动传动连杆绕着定位轴转动，连杆另一端推动滑动轴，带动刀头进刀进行剖切。退刀时，油缸收缩，连杆沿反方向转动，与滑动轴分离，弹簧自动释放推动滑动轴返回原位。

该结构将传动连杆的转动转变为滑动杆的平动，保证机构剖切时，两个刀头与锚具接触始终为线或者面接觸，减小刀头尖端受力不均带来的应力集中，使得刀头不易被损坏。横栏支架为中空结构，锚具底部的锚索长度一般在30 cm 以内，而中空结构保证当锚索底部散开时，锚具仍能套进剖切机构中。同时，剖切位置前后两面没有遮挡物，更方便了机构靠近锚具。

2.3 剖切机构定位轴强度理论计算

该机构对强度要求较高的部位有两个，一是刀头，二是固定传动连杆的定位轴。其中定位轴强度可以进行初步理论计算。

在剖切时，传动连杆的受力来源主要有3个。（1）油缸对连杆水平F2方向的推力F1，根据油缸参数，油缸最大为1 000 kN。（2）连杆推动滑动轴时的水平反作用力。（3）定位轴对连杆的支撑力F3，因油缸推力远大于连杆自身重力，所以忽略连杆重力，支撑力F3主要为保证连杆只转动，不平动的水平支撑力。定位轴到油缸的垂直高度为H1=220 mm，定位轴到滑动轴的垂直高度为H2=180 mm。

根据连杆力臂公式计算F2和F3。

F1H1 = F2H2 （1）

F3 = F1 + F2 （2）

上式得到：F2 = 1 233 kN，F3 = 2 233 kN。

定位轴与传动连杆的相互作用力约为2 233 kN。而定位轴可以视作为两端固定且中间悬空的圆柱梁，定位轴的直径为D= 60 mm，中间悬臂长度为l = 60 mm。载荷F3均匀分布在悬臂梁上，则圆柱梁的最大弯矩为

应力σmax = 790 MPa，取轴的安全系数为［S］ = 1.3，所选轴的表面屈服极限应大于σs = 1 027 MPa。轴在加工过程中，可以进行淬火处理以保证轴的表面硬度符合要求。

3 有限元分析結果

为进一步验证剖切机构强度，尤其是轴和刀具的强度，利用ANSYS 软件采用静态仿真的方式对剖切过程进行有限元分析［6］。材料选择如42CrMo、65Mn 在内的合金钢，因为加工过程中需要调质或者淬火处理提高硬度，所以根据德国标准DIN50150，将加工处理后的洛氏硬度对应的抗拉强度等参数带入Ansys 材料参数中。

通过给转动连杆与油缸连接处施加1 000 kN 左右的水平力来模拟剖切过程，应力分布云图如图6所示。

从图6（a）中可以得知，应力最大处位于传动连杆上方弯曲处［7］，最大应力达2 400 MPa；从图6（b）中可知，刀具组等效应力最大约为960 MPa；从图6（c）中可知，定位轴最大等效应力约为1 300 MPa。

根据德国标准DIN50150，当洛氏硬度达HRC53-58 时，抗拉强度约为1 900～2 500 MPa。仅从仿真结果来看，连杆部分的最大应力接近极限值。为保证结构强度，连杆结构还需进一步优化来降低应力分布。传动轴若需进一步减小最大应力，可以进一步加大传动轴直径来减小对加工工艺的需求。当刀具最大应力小于1 000 MPa 时，工件淬火处理后就能满足强度需求。

4 结语

本文针对CYT-1000/63/80Y 型矿用液压退锚车剖切机构泛用性小，无法用于底部锚索炸裂的锁具剖切等问题，对剖切机构进行结构优化，留出锚具底部空间，采用刃刀具和圆弧刀具组合的方式，在剖切的同时实现功能定位和结构简化，增加了剖切机构泛用性。通过理论计算和有限元分析的方式对机构强度进行验证。根据仿真结果，刀具与轴的强度满足要求，而传动连杆的结构还需进一步优化来减小应力集中。

参考文献

[1] 本刊记者. 改革发展取得新进展 煤炭供需实现基本平衡：2018 煤炭行业发展年度报告发布会在京召开[J]. 中国煤炭工业，2019（3）：8-9.

[2] 刘勇，马冰，段书武.现有锚索退锚装置的缺点及解决方法的设想[J].西部探矿工程，2015，27（11）：138-140.

[3] 崔计平.矿用水切割机在煤矿退锚中的应用[J].机械管理开发，2021，36（7）：139-140.

[4] 宋清生.矿用自解锁锚索锁具研究应用[J].煤矿现代化，2021（1）：147-149.

[5] 潘彬，曹晓峰，郑继平，等.基于ADAMS的调平机构优化[J]. 科技资讯，2023，21（14）：64-67.

[6] 魏涛，郭瑞豪，周洋.ZY6800/14/32 型液压支架的有限元分析[J]. 煤矿机械，2023，44（11）：84-87.

[7] 刘双，王翀.基于ANSYS下操作臂机构的力学分析[J].科技创新导报，2010（33）：102.