悬臂式部分断面掘进机的稳定性

摘 要：悬臂式部分断面掘进机(以下简称掘进机)稳定性问题，涉及掘进机静、动态稳定性计算；截割头过载及机器振动对稳定性的影响；稳定性不足时设计必要的增加稳定性机构等。根据有关资料及国外一些掘进机设计、试验、使用情况，本文讨论了悬臂式部分断面掘进机的稳定性

关键词：掘进机；稳定性

中图分类号：TH225 文献标识码：A

1 掘进机行走时静态稳定性计算

掘进机在上坡、下坡、横向倾斜停留及行走时，其极限倾翻角α由下式确定(图1)

在掘进机发生倾翻之前，若履带板与巷道底板附着力不足，则可能导致机器下滑或靠帮。履带板与巷道底板的附着力为μMcosα，机器下滑力为与底板平行的重力分力为Msinα。当此二力平衡时，则确定了下滑的临界角α。即μ式中 μ-履带板与底板附着系数，一般取μ=1.0

M-掘进机重量(Kg)

为保证掘进机在坡道上停留及行走时的稳定性，由式(l)、(2)、(3)、(4)计算的极限倾翻角和下滑临界角均要大于机器设计的适应坡度。

2 掘进机截割时静态稳定性计算

掘进机截割头在截割煤、岩时的受力状态如图2所示。

当截割头向上截割时(图2-1)，极限倾翻力矩为P1S1，稳定条件则为：

MS2>P1 （5）

同理，向下截割时的稳定条件为

MS3> P1S4（6）

式中P1-垂直工作阻力，其大小与截割头牵引力相同，方向相反(Kg)

S1-履带前轮轴至截割头载荷中心最大距离(米)。(当截割头水平放置时)

S2-履带前轮轴至掘进机重心距离(米)

S3-履带后轮轴至掘进机重心距离(米)

S4-履带后轮轴至截割头载荷中心最大距离(米)。(当截割头水平放置时)

比较式(5)与(6)知：截割头向下截割时极限倾翻力矩之力臂S4较向上截割时为长，即S4>S1。为了使该两种工况的稳定性程度接近，在整机布置时应使机器重心居于履带中心稍偏前，即S3>S2。但为兼顾正常工作时部分履带不出现零比压，应使偏前之值小于六分之一轮轴中心距，即(S3-S2)

当截割头横向截割时(图2-2)，其横向稳定条件为：

Mx3>P2h2 （7）

式中P2-横向工作阻力(Kg)。其大小与横向牵引力相等，方向相反

h2-截割头最高位置时载荷中心离底板高度(米)

实际上，由于截割头载荷中心在纵向上与机器重心远离，且机器与底板附着力较小，当机器某一侧稍抬起时则出现水平横向摆动的不稳定状况。它虽不会导致机器倾翻，却使截割头产生让刀现象，造成横向进刀困难以至无法实现。

3 掘进机作业时动态稳定性计算

机器在一定坡度巷道中行走及截割过程中的稳定性，本质上是动态稳定性问题。但因其条件变化及受力状态较复杂，一般在静态稳定性计算的基础上，再考虑适当的安全系数较为适用。

由前式（1）、（2）、（3）计算而得的结果，当考虑安全系数后即得动态稳定条件：

ασ≥Kσ[α](8)

同理由前式(5)、(6)、(7)计算而得的稳定条件为：

式中ασ-按动态稳定性计算的极限倾翻角

[α]-机器设计的适应坡度

Kσ-考虑静、动载荷同时作用的安全系数

安全系数值的选择，与机器传动装置参数、载荷性质等因素有关。据苏联装载机的规范，可取1.5≤Kσ≤2.2，在设计新机器时可取Kσ=2。

4 截割头过载及机器振动时安全系数Kσ的估计

几种掘进机截割头实测功率值列于表1

在选择截割头电机容量时，由于有一定的试验及理论计算依据，因而实测过载系数一般不超过电机的过载能力。使用中虽存在瞬时功率峰值超过过载系数的现象，但因时间很短，不会导至机器倾翻，这也被实践所证实。因此，在截割头过载情况下，机器稳定性安全系数Kσ的上限取2.2是可靠的。

几种掘进机作业时实测振动参数列于表2。

由计算知：引起掘进机振动的惯性力对机器造成倾翻的影响不大。尽管如此，由于强烈振动对截齿以及电气、液压等元件的寿命有较大影晌，因此将减振列为增加掘进机稳定性范畴仍有其现实意义。

5 增加稳定性及其机构的设计

由前计算知，设计者为了使掘进机有较好的稳定性，在总体布置时应考虑各部件，在静、动状态下的平衡问题，使其重心居中且高度较低。此外，还需从截割参数、整机重量、机架及悬臂等主要构件刚性等方面控制其振动不至造成危害。但是，当受其它因素影响(如设计受力较大的半煤岩掘进机)并经验算其稳定性不足时，则应设计必要的增加稳定性机构。如：

5.1 配重平衡

掘进机后部加一较大的配重，保证作业稳定性及操纵的灵活性。但这并不是理想之法，且一般适用于轻型掘进机。

5.2 适当增加机架重量及刚性

它有利于降低重心、减小振动增加稳定性，但不可过量。易造成掘进机机架刚性及重量过大，稳定性足够，但搬运、装卸较难。

5.3 设计辅助支撑

在掘进机上加设支撑油缸，当工作时将油缸伸出支撑于巷道两帮或顶底上。这种装置对增加稳定性有一定效果。但存在以下缺点：操作较麻烦；机器灵活受到限制；影响人员及材料通行，支撑易振松失去作用等。由图2-1知：掘进机纵向稳定性计算中并未考虑作业时装煤铲板尖接地这一工况。但此工况实际中会出现，使机器防止向前倾翻的稳定性得到加强。

结论

综上所述：掘迸机稳定性问题与整机布置平衡；接地面积、机高等外形尺寸；机架、悬臂等主要构件重量及刚度；裁割机构形式、受力状态等参数；以及操作方式、截割用量等多种因素有关。要经过计算、综合平衡、采取措施，设计出截割硬度及效率较高、机重及外形尺寸适当、稳定性较好的掘进机。

参考文献

[1]闻邦椿.机械设计手册[M].机械工业出版社.2010.1.

[2]煤炭工业标准汇编[M].中国标准出版社.

[3]机械工程手册（第二版）..机械工业出版社.1997.2

[4]高等结构动力学[M].天津大学出版社.