EBZ280型掘进机侧支撑作用分析

梁晓峰,郑志刚,李 馨

(北方交通重工集团掘进机研究所,辽宁沈阳 110142)

EBZ280型掘进机侧支撑作用分析

梁晓峰,郑志刚,李 馨

(北方交通重工集团掘进机研究所,辽宁沈阳 110142)

通过分析、计算得出掘进机“理想工作参数区域”,并由此进一步得出“扩展理想工作参数区域”,从而证明了侧支撑在掘进机上所起到的重要作用——使机身稳定性更好和提高掘进机的坡度作业能力。

侧支撑;理想工作区域;工作稳定性;额定工作角度

掘进机现已成为各大主力煤矿综掘不可缺少的生产设备。目前,掘进机正在向重型化、特型化、多功能化方向发展。

由于掘进机工作空间狭窄,环境恶劣,空气中充满煤尘和岩尘,而截割头在截割过程中产生的反作用力,又使得掘进机产生滑动、振动和噪音,降低掘进机截割的工作效率,减少掘进机的工作寿命以及危害操作者的身体健康。因此,需要掘进机生产企业生产出适合不同环境特点的特殊型掘进机,如:窄机身、矮机身、大坡度掘进机等。

本公司开发研制了 EBZ280型掘进机,能实现连续切割、装载、运输作业。该机适用于煤巷或半煤岩巷以及全岩的巷道掘进,也可在铁路、公路、水力工程等隧道中使用。该机除了包括能够提高掘进机工作时机身稳定性、使掘进机无纵向滑移并减少机体振动的后支撑装置外,还特别加入了侧支撑装置。侧支撑主要由一对液压滑动油缸及其外筒组成,分别安装于后支撑部的左右两侧。侧支撑将要承受掘进机掘进工作时所产生的侧向力,由于其额外的限制从而更好地克服了侧向力,进一步减少了掘进机的滑动和振动,因而该机可用于较大坡度的掘进工作。

本文将以 EBZ280型掘进机为例,运用“理想工作参数区域”的方法来分析和说明侧支撑的确能够增加掘进机工作时的机身稳定性以及提高掘进机的坡度作业能力。同时,运用此方法也可以为侧支撑的设计提供数据依据。

1 掘进机“理想工作参数区域”分析

在掘进机工作状态下有 5个重要参数,相互之间的关系如下:

式中,F4为掘进机的滑动力,kN;F3为截割头传递给机身的反作用力,kN;M为整机重量,t;f为等效摩擦系数;α为工作坡度,(°)。

由式 (1)可见:如果 F4≤0,则掘进机处于理想的工作状态,因而推导出掘进机理想工作的条件是:

1.1 计算摩擦系数最大值 fmax

根据近几年的相关研究,掘进机通常在大坡度的巷道工作,而最大的爬坡角度通常在 18°以内。结合式 (2),可以估算出掘进机静止时等效摩擦系数的最大值为:

1.2 计算截割头传递给机身的反作用力 F3

截割头传递给机身的反作用力 F3是相当重要的设计参数,但是由于其随着时间和工作状态的变化而变化,所以很难被测量和表示。为了简化问题,可以把 F3由一个估算值来替代:

式中,P为截割头额定截割功率,kW;r为截割头平均工作半径,mm;n为截割头额定转速,r/min。

对于 EBZ280型掘进机,F3=156kN。

1.3 确定掘进机的额定工作角度αm

式 (3)表明,整机重量M与截割头反作用力F3成正比,与工作坡度α有关。将 fmax=0.3以及F3=156kN代入式 (3),则额定工作角度αm与掘进机机重M的关系如表 1所示。

表1 额定工作角度αm与机重M的关系

1.4 掘进机理想工作参数区域 (α,f)和最小摩擦系数 fmin

在掘进机工作状态下的 5个参数中,有 2个参数——等效摩擦系数 f、工作坡度α,都随着工作环境的不同而发生变化。如上所述,掘进机正常工作条件是:

将 fmax=0.3以及 F3=156kN代入式 (2)中,可得:

因此可知,掘进机理想工作的最小摩擦系数fmin=0.18。其理想工作参数区域如图 1所示。

图1 掘进机理想工作参数区域

当掘进机在理想工作参数区域内工作时,F4< 0,也就是掘进机的滑动力不存在,侧支撑除了起到支撑沿着油缸活塞杆方向的力之外,不承担其他的外力。如果实际工作中 2个参数 (α,f)所形成的交点在这个三角形区域之外,则掘进机的滑动力 F4将会产生并作用于侧支撑上,其交点离三角形区域越远则说明 F4越大。如果侧支撑能够足以支撑 F4,掘进机将不会滑动,否则将产生滑动,不能正常工作,与此同时侧支撑也有可能被损坏。

值得注意的是,掘进机的工作状态可能会由理想工作参数区域过渡到非理想工作参数区域,而操作者也许并不会觉察到这个变化 (假设摩擦系数 f突然降到原来的 1/3,或者工作坡度α变为原来的2倍),在这种情况下侧支撑被损坏的可能性将大大提高。为了保证不损坏侧支撑,F4值的确定应该作为侧支撑设计的一个很重要的考虑因素。

基于以上分析,并联系图 1以及式 (1),可以计算出 F4的最大值 F4max:

所以侧支撑所要承受的力为:

在沿着油缸活塞杆的方向:F4a=105kN

在垂直于油缸活塞杆的方向:F4v=60kN

2 侧支撑的作用分析

由上述分析可知,侧支撑对于抵消掘进机的滑动力 F4起到很大作用。如果掘进机无滑动则意味着侧支撑足以克服滑动力,抵消掘进机的滑动力F4意味着侧支撑比较牢固并能扩展理想工作参数区域的范围,即增加掘进机对地面的等效摩擦系数、提高掘进机的工作能力和坡度作业能力。

假设侧支撑抵消 60kN的力,代入式 (1):

15.6 +90sin7°-f·90cos7°=60(kN),则:

f=0.23

可见掘进机对地面等效摩擦系数将增加 0.05,扩展理想工作参数区域将会产生,如图 2所示。

图 2 应用侧支撑时产生扩展理想工作参数区域

由图 2可见,扩展理想工作参数区域是原理想工作参数区域的 1.42倍,即新区域比原区域增加了 42%。所以侧支撑的作用是显而易见的,也是不可缺少的。

3 结论

(1)首先提出了“理想工作参数区域”的概念,并以 EBZ280型掘进机的设计为例,经过计算、分析得出“扩展理想工作参数区域”,通过将这两个工作区域进行比较,证明了侧支撑的确能够提高掘进机的工作稳定性。同时,“理想工作参数区域”也可以作为在理论上评估掘进机工作能力的一个方法。

(2)由“扩展理想工作参数区域”还可以发现,EBZ280型掘进机中侧支撑的作用不仅是提高掘进机的工作稳定性,而且也增加了掘进机的工作范围,即提高了掘进机的坡度作业能力。

(3)对于 EBZ280型掘进机而言,侧支撑使其工作范围扩大了42%。

[1]煤炭工业部生产司开拓处.掘进机选型手册 [M].北京:煤炭工业出版社,1989.

[2]汪佑武 .采煤概论 [M].北京:煤炭工业出版社,2008.

[3]徐尔元 .悬臂式掘进机的技术引进和创新 [J].煤矿机电, 1994(2).

[责任编辑:邹正立]

Side Upholding Analysis of EBZ280 Entry-drivingMachine

L IANG Xiao-feng,ZHENG Zhi-gang,L IXin

(Entry-driving Research Institute,North Traffic Heavy Industry Group Co.,Ltd,Shenyang 110142,China)

This paper analyzed and calculated“idealworking parameter area”of entry-drivingmachine.It further obtained“extended idealworking parameter area”and proved the important role of side uphold in entry-drivingmachine-makingmachine more stable and improving its gradientworking ability.

side uphold;idealworking area;working stability;ratingworking resistance

TD421.5

A

1006-6225(2010)05-0069-02

2010-05-04

梁晓峰 (1980-),女,辽宁沈阳人,助理工程师,现从事掘进机的设计工作。