掘锚机锚杆部的设计优化及故障分析_金峰.pdf

煤矿机械Coal Mine MachineryVol.44 No.5May.2023第44卷第5期2023年5月doi:10.13436/j.mkjx.2023050531新型掘锚机概况掘锚护一体化技术是通过对传统悬臂式掘进机截割部的改进，改变原有掘锚机结构，将锚杆机布置在行走部上方，远离振动剧烈的截割部，通过双级伸缩平台实现超前锚护作业。该结构形式的掘锚机的布置形式是液压油箱泵站、电控箱等后移，采用本体加长、行走加长、一运加长设计，操作台设计安装在本体上，临时支护设计在截割部上，在两侧行走部上安装锚杆机，整机结构布置更加合理、稳定，使悬臂式掘进机升级为集掘进、锚固、支护于一体的新型掘锚机，可以实现掘进、支护、锚固、装载、运输连续作业，提高巷道掘进的施工效率。新型掘锚机如图1所示。图1新型掘锚机示意图掘进机和锚护装置分别拥有一套液压系统，其控制操作是独立进行的。为确保操作过程中的安全性，在掘进机和锚杆机操作过程中，通过切换阀块控制实现掘进机和锚杆机动作的互锁，保证锚杆机操作时掘进机操作台不能对掘进机进行任何动作控制。当锚护时，可以单独完成不同方位、不同角度的锚杆锚装作业，使掘进、锚杆支护实现机械一体化。在井下作业时，锚杆机的工作性能在掘进工作过程中占据着重要地位，当掘锚机完成一次进尺、切换锚护动作后，通过控制锚杆部的动作完成锚固作业。目前由于掘锚机的掘进效率和锚固效率不匹配，为了提升锚杆部结构性能、提高锚杆部作业效率，对锚杆部结构的升级改进迫在眉睫。2锚杆部结构组成锚杆部结构如图2所示。图2锚杆部结构示意图1.锚杆机2.翻转架3.摆动伸缩臂4.双级伸缩滑台（1）锚杆机整体安装在翻转架上，通过摆动油缸左右旋转、前后摆动实现锚杆机的对孔及锚固功能；锚杆机伸缩滑架顶紧巷道顶，链条带动马达向前推进；马达旋转，一次钻进深度1.7 m，可以接杆钻掘锚机锚杆部的设计优化及故障分析金峰，左夺，任哲锋（三一重型装备有限公司，沈阳110027）摘要：锚杆部是掘锚机的重要组成部件，其结构和性能上的优化能够直接提高煤矿开采效率。通过改进锚杆机马达组件的结构形式、增加锚杆机的夹头组件耐磨性、滑台组件的结构优化等，有效提升锚杆部上锚杆机的结构性能和使用功能。利用ANSYS软件对伸缩臂内筒故障进行有限元分析，确认故障由焊接不良造成，并提出相应改进措施。关键词：锚杆部；马达组件；改进；有限元分析中图分类号：TD421文献标志码：A文章编号：1003 0794（2023）05 0171 03Design Optimization and Fault Analysis of Bolt Part of Anchor DiggerJin Feng，Zuo Duo，Ren Zhefeng（Sany Heavy Equipment Co.,Ltd.,Shenyang 110027，China）Abstract:The bolt part is an important component of the anchor digger.The optimization of itsstructure and performance can directly improve the efficiency of coal mining.By improving thestructural form of the motor assembly of the bolt machine,increasing the wear resistance of the chuckassembly of the bolt machine,and optimizing the structure of the sliding table assembly,the structuralperformance and use function of the bolt machine on the bolt part were effectively improved.The finiteelement analysis of the inner cylinder fault of the telescopic boom was carried out by ANSYS software,the fault was confirmed to be caused by poor welding,and the corresponding improvement measures wereput forward.Key words:bolt part；motor assembly；improvement；finite element analysis123417110 m深的锚索孔。两侧锚杆机分别单独控制，既可以采用遥控，也可以采用手动控制，互不影响，并通过双速液压控制系统控制锚杆机各个动作，从而提高了锚杆机对孔效率。（2）摆动伸缩臂由外筒、内筒及相关附件等组成，在主臂伸缩油缸的带动下，实现伸缩功能。伸缩臂上下、左右摆动由大臂举升油缸带动实现。锚杆机的左右旋转和前后摆动由螺旋摆动油缸带动实现。伸缩臂摆动从钻臂中心向外摆35，向内摆35；伸缩臂升降从水平位置向上升30，向下降45；伸缩臂伸缩伸缩行程1 000 mm。（3）双级伸缩滑台是联接伸缩臂与掘进机行走部的重要部件，主要由左、右滑台组件、滑台小车、驱动装置组成。左、右滑台组件由前左/右侧架体、后左/右侧架体、销、螺钉、联接板组成，用来支承滑台小车。滑台小车由负责导向和承载的滚轮、自润滑轴承、止退垫片组成。驱动装置由减速机安装板、回转减速机、回转座、传动齿轮组成。减速机采用带有回转功能的蜗轮蜗杆减速机的齿轮齿条带动滑台小车在左、右滑台组件实现23 m的前后运动。左、右滑台组件安装在左、右机架上，通过一级伸缩油缸实现2.12.5 m的前后滑动。3关键件结构设计改进（1）锚杆机夹头组件的结构改进锚杆机的设计应满足方便易损件更换、功能检测、接杆和卸杆的要求。锚杆机的马达组件拆装困难，其内部密封圈为易损件，损坏时无法检测，对马达组件中的轴承无保护措施，夹头磨损严重。在原锚杆机的夹头组件上钎焊耐磨合金豆，如图3所示。在夹头组件六方内侧布置一定规则数量的合金豆，通过夹持器夹杆时由原来的面摩擦改为点接触，减小了接触面积，增加了摩擦力，夹持效果更佳，且合金豆的耐磨性避免了夹头磨损而失去夹持功能。图3合金豆夹头组件1.夹头2.合金豆（2）锚杆机马达组件的结构改进锚杆机的马达组件由井下工作环境复杂、振动大、锚杆施工过程中的不合规操作导致其格莱圈损坏。格莱圈为易损件，需要经常更换，更换时先拆除上盖板，将主轴、密封座及轴承全部拆除，容易导致轴承及密封座损坏；密封圈损坏不及时更换也会导致水进入锚杆机马达里，乳化掘锚机液压油。改进设计了新结构形式的马达组件，如图4所示。将马达组件分成上下结构，主轴下部轴肩位置安装轴承，利用前端座的自身结构支撑密封套，在密封套上布置3层密封圈，且在下2层密封圈的中间位置设置水道和泄水孔，当中间密封圈损坏，锚杆机马达组件中的水会通过中间密封和水道由泄水孔流出；也可由泄水孔漏水来检测密封是否损坏。最下层密封的作用是防止水进入马达组件的轴承和下方摆线马达中，防止轴承和液压油乳化。图4锚杆机马达组件结构改进1.安装座2.滚动轴承3.泄水堵头4.前端座5.主轴6.盖板7.密封套8.安装套（3）一级滑台与滑台架体滚动摩擦设计在掘锚机锚杆部的滑台架体内布置右液压马达、回转减速机。在一级滑台上布置一定长度的齿条，液压系统驱动滑台架体中的液压马达，液压马达通过回转减速机下的齿轮与一级滑台上的齿条啮合，由齿轮齿条啮合的传动作用使滑台架体在一级滑台上移动，如图5所示。图5双级伸缩滑台结构改进1.一级滑台2.架体3.齿条4.自润滑磨块5.润滑接头6.小车7.蜗轮蜗杆减速器8.液压油缸为了确保锚杆部的伸出长度满足掘锚机的整机长度要求，并保证井下施工锚杆的工艺流程，一级滑台的长度约4.2 m，焊接时易出现变形。现将一级滑台设计成分体焊接形式，可以有效减少焊接变形。小车横向滚轮可以限制小车与一级滑台的左右间隙；小车的纵向滚轮可以限制小车与一级滑台的上下间隙，并且二者通过滚动降低相对移动时产生的摩擦，如图6所示。第44卷第5期Vol.44 No.5掘锚机锚杆部的设计优化及故障分析金峰，等12周边钎焊1234567812 3 4 5678DD-DD172第44卷第5期Vol.44 No.5掘锚机锚杆部的设计优化及故障分析金峰，等图6小车结构改进1.车体2.横向滚轮3.纵向滚轮4故障分析及改进措施某型号掘锚机锚杆部在使用过程中发生了摆动伸缩臂与翻转架联接处断裂故障，具体情况为摆动伸缩臂前端安装圆环脱落。使用于硬岩工况，岩石硬度为f=89，在锚杆部进行钎杆钻孔时出现故障。（1）ANSYS有限元分析摆动伸缩臂内筒长度1 526 mm、外径130 mm、内径90 mm。锚杆机最大推进力F1=30 kN，锚杆钻机与翻转架自身重力G=18 kN。当钎杆钻孔作业时，对联接座产生的作用反力F=F1+G摆动伸缩臂内筒材质27SiMn，其泊松比0.3、弹性模量206 GPa、密度7 850 kg/m3、屈服强度835 MPa；联接座材质Q345B，其泊松比0.3、弹性模量206 GPa、密度7 850 kg/m3、屈服强度345 MPa。模型采用自由网格划分，设置网格大小为20 mm，得到28 577个节点和17 761个单元。按伸缩臂内筒伸出到最远端、锚杆机钻孔作业时伸缩臂内筒承受最大负载工况进行加载，其受力简图如图7所示，对伸缩臂内筒施加F1、G，选择伸缩臂内筒后端与伸缩外筒联接环面进行全自由度约束，加载后计算结果如图8、图9所示。图7伸缩臂内筒受力简图由图8和图9可知，伸缩臂内筒在此加载条件下最大变形量为6.705 mm，位于伸缩臂内筒前端；最大应力为350.46 MPa，位于伸缩臂内筒与外筒联接处附近。伸缩臂内筒材料27SiMn的屈服强度为835 MPa，可得出伸缩臂内筒设计安全系数n=835/350.46=2.38，安全系数足够，排除设计参数原因。（2）改进措施在排除参数设计原因后，从故障现场伸缩臂内图8伸缩臂内筒变形云图图9伸缩臂内筒应力云图筒脱落处可以看出，脱落圆环与伸缩臂内筒焊缝整齐断开，焊缝金属与母材没有明显融合迹象，受热影响区变化不明显，形成的焊缝没有保证构件之间实现有效的冶金连接，故此焊缝失效、发生断裂。焊缝金属在焊接时需要经历融化、冷却凝固过程，建议在焊接前先将焊接母材进行预热，焊后进行时效处理，并进行探伤检测，确保焊接安全可靠。5结语本文对掘锚机锚杆部结构形式及升级改造进行了详细的介绍。对锚杆部双级伸缩滑台和摆动伸缩臂出现的问题进行汇总，通过对锚杆机夹头组件内侧钎焊合金豆来增加耐磨性；为了便于使用和维修，对锚杆机马达组件的结构形式进行了设计改进，将双级伸缩滑台中一级滑台与滑台架体由滑动摩擦改进成滚动摩擦。利用ANSYS软件，对伸缩臂内筒联接处断裂故障进行有限元分析，确认其故障原因为焊接质量问题，并提出改进措施。通过对锚杆部的设计改进和故障分析，大幅提升锚杆部机械结构性能，提高锚杆部作业效率，为未来掘锚机的研究和应用提供一些思路和参考。参考文献：1刘泽邦.掘锚机在煤矿快速掘进中的应用研究J.当代化工研究,2020(22):25-26.2鄂宇,李钦彬,王江平,等.掘锚护一体机的设计研究J.煤矿机械,2011,32(9):8-9.3刘尔烈.结构力学M.天津：天津大学出版社,1996.4陈祝年.焊接设计工程师手册M.北京：机械工业出版社,2002.5方洪渊.焊接结构学M.北京：机械工业出版社,2017.作者简介：金峰（1989-），辽宁沈阳人，工程师，本科，现主要从事煤矿掘锚护一体机研发工作，电子信箱：.责任编辑：刘宝胜收稿日期：20220918123A-AA AA巷道顶板锚杆钻机伸缩臂内筒F1+GF10.0000.3500.700（mm）0.1750.525A:Static StructuralTotal DeformationType:Total DeformationUnit:mmTime:10.006 705 4 Max0.005 960 30.005 215 30.004 470 30.003 725 20.002 980 20.002 235 10.001 490 10.000 745 040 Min0.0000.3500.700（mm）0.1750.525A:Static StructuralEquivalent StressType:Equivalent（von-Mises）StressUnit:PaTime:13.504 6e8 Max3.115 2e82.725 8e82.336 4e81.947 0e81.557 6e81.168 2e87.788 0e73.894 0e70.002 408 3 Min173