一种掘进机抱紧装置和伸缩机构的设计

邵 飞

（山西焦煤集团有限责任公司屯兰矿， 山西 太原 030206）

1 项目概况

传统的煤矿用掘进机伸缩式切割机构作业时，伸缩滑动副之间存在间隙。煤矿井下的工作环境特别恶劣，冲击震动大，污染严重。随着机器使用时间的累积，伸缩滑动副之间的摩擦面在一定的时间内就会磨损严重，间隙加大，切割机构作业时冲击和震动随之加剧，从而可能会造成切割机构框架和传动部件受损。冲击传至机身，进而造成液压元件、电气元件早期失效。

针对这一问题设计了一种掘进机抱紧装置和伸缩机构，能在掘进机的切割机构作业时消除伸缩滑动副之间的间隙，提高切割机构的刚性，降低切割时的振动冲击，减少磨损，提升切割机构的可靠性和寿命[1]。

2 掘进机抱紧装置的设计

设计了一种掘进机抱紧装置，结构如图1 所示，主要包括闸片、闸片座、活塞缸螺纹联接件四部分。闸片座的主体和闸片均为圆筒形结构，闸片同轴固定在闸片座的主体上。闸片的内表面为圆柱面，闸片的前部外表面为前小后大的外圆锥面。

图1 掘进机抱紧装置结构示意图

闸片座的主体的外周与多个活塞缸的缸杆或缸筒固定连接，多个活塞缸沿圆周方向间隔分布，且其缸杆的伸缩方向均沿着闸片的轴向，也是前后方向。活塞缸的结构示意图如图2 所示。

图2 活塞缸的结构示意图

闸片座的主体的内径应大于所述闸片的内径，闸片的材料优选采用高强度弹簧钢。缸杆相对缸筒伸缩时，闸片座带动所述闸片前后往复移动，所述闸片靠前和靠后两个位置分别对应所述抱紧装置处于抱紧和松开两种状态。活塞缸优选为沿圆周均匀分布，这样对所述闸片座和闸片的推拉作用力在圆周方向上更均匀，以确保闸片沿轴向平移而不至于歪斜和扭曲。活塞缸有两个，互成180°布置。

闸片座可以由两片中部呈圆弧形、两端带耳座的闸片座单元拼接组成，耳座沿中部的圆弧形的径向向外延伸，两个闸片座单元之间两个耳座贴合，并通过螺纹联接件固定，闸片座的主体的外周通过所述耳座与所述活塞缸的缸杆或缸筒固定连接。

从图2 可知活塞缸优选采用单作用活塞缸，其有杆腔内置有碟形弹簧。碟形弹簧套在缸杆上。流体介质通过接头进入无杆腔，推动缸杆外伸。当流体介质通过接头回油时，有杆腔内的碟形弹簧回弹，使缸杆缩回。设计的活塞缸采用液压缸，出力大且平稳。

闸片的后部可以设有外圆柱面，外圆锥面与外圆柱面前后邻接，闸片的后部固定嵌装在所述闸片座中，安装状态下所述外圆柱面的前部优选外露于所述闸片座的前方。外圆柱面的外径通常等于所述外圆锥面的最大直径。

装置中闸片的后部具体可以是外圆柱面上还优选设有一圈径向外凸的环台，所述闸片座的主体的内孔壁上对应设有一圈环槽，所述环台径向嵌入所述环槽中，以此实现所述闸片与闸片座的主体的固定连接。所述环槽对闸片可以起到很好的径向和轴向双方向的限位作用。拆卸时，至少先拆下一个所述闸片座单元，再取出闸片。

闸片上沿整个圆周均匀设有多个前缺口和多个后缺口，所述前缺口和后缺口均为沿所述闸片的轴向延伸的窄缝结构，其长度大于所述闸片的轴向尺寸的一半，所述前缺口的唯一开口在所述闸片的前边缘，所述后缺口的唯一开口在所述闸片的后边缘，所述前缺口和后缺口一一间隔排列，组成S 型缺口。利用S 型缺口的变形，当抱紧装置处于抱紧状态时，所述闸片的前部与内外相邻其他零件之间可以楔得更紧，因此可以使抱紧更可靠。

前缺口和后缺口各自的尽头的边缘最好为圆滑曲线过渡，且曲率半径最好大于窄缝宽度的一半，既有助于增加闸片的变形量，又能避免或减少闸片变形时应力集中[2]。

3 掘进机伸缩机构的设计

掘进机伸缩机构结构示意图如图3 所示，包括固定臂、伸缩臂和前述的抱紧装置，伸缩臂在固定臂内与固定臂直线滑动配合。

图3 掘进机伸缩机构结构示意图

固定臂的靠近轴心的部分设有一处轴向中断，与该轴向中断相对应的远离轴心的部分仍然保持为前后连续的整体。轴向中断处露出一段伸缩臂。所述抱紧装置安装在该轴向中断处并套在所述伸缩臂上。固定臂紧邻中断处的前部内孔设置为外大内小的内圆锥面，其锥度等于所述闸片的前部外圆锥面的锥度。通过将所述闸片的前部楔入所述固定臂紧邻中断处的前部内孔，消除伸缩臂与固定臂之间的间隙，使固定臂和伸缩臂之间无相对运动，即实现了“抱紧”。采用抱紧装置可以明显提高掘进机伸缩机构的刚性，降低切割时的振动冲击，减少磨损，提升掘进机伸缩机构的可靠性和寿命。活塞缸的缸筒或缸杆安装在固定臂上。

对于活塞缸的缸杆与所述闸片座固定连接的情况，活塞缸的缸筒则安装在固定臂上。

在伸缩机构要做伸缩动作前，先让抱紧装置的活塞缸的无杆腔进油，活塞和缸杆带动闸片座和闸片向后移动，从而解锁抱紧装置的锥形的闸片，使固定臂与伸缩臂之间恢复间隙，确保伸缩动作顺利进行。当伸缩机构伸缩动作停止后、切割机构准备作业前，使抱紧装置的活塞缸的无杆腔回油，通过活塞缸有杆腔内的碟形弹簧推动闸片座和闸片向前移动，闸片向前抱紧所述伸缩臂，消除固定臂和伸缩臂之间的滑动副间隙，保持准刚性，有效降低切割时的振动冲击，提升切割机构的工作可靠性和使用寿命。

通过S 型缺口的变形，所述闸片的外圆锥面与固定臂的内圆锥面可以楔得更紧，闸片可以更加紧密地抱紧伸缩臂。外圆锥面与内圆锥面的锥度设计还符合自锁条件。

通过设置抱紧装置，作业时固定臂与伸缩臂之间保持相对静止，因此可以减少固定臂内孔壁上固定的耐磨套的磨损，提高伸缩机构的使用寿命。

4 设计优点的分析

4.1 抱紧装置的优点

设计的抱紧装置通过在伸缩机构的固定臂与伸缩臂之间的轴向往复移动，实现了在消除伸缩滑动副间隙和恢复伸缩滑动副间隙之间的切换。当工作臂作业时，用抱紧装置消除伸缩滑动副间隙，可以显著提高切割机构的刚性，有效降低切割时的振动冲击，提升切割机构的工作可靠性和使用寿命，并进一步降低震动工况下对传动部及整机液压、电控系统等的负面影响。由于消除伸缩滑动副间隙时，切割机构固定臂和伸缩臂之间保持相对静止，可以有效减少固定臂和伸缩臂之间的耐磨套的磨损，提高耐磨套乃至整个切割机构的使用寿命。

4.2 伸缩机构的优点

掘进机伸缩机构当伸缩臂被抱紧时，由于自锁设计，在抱紧装置不主动松开的情况下，抱紧状态可以不受振动冲击影响一直有效，抱紧可靠[3]。

5 结语

本文设计的一种煤矿用掘进机伸缩式切割机构的抱紧装置及采用该装置的掘进机伸缩机构，其抱紧装置的闸片座的主体和闸片均为圆筒形结构，闸片同轴固定在闸片座的主体上，闸片的内表面为圆柱面，前部外表面为前小后大的外圆锥面，位于闸片座的前方，闸片座的主体的外周与多个活塞缸的缸杆或缸筒固定连接，缸杆的伸缩方向均沿着闸片的轴向。其掘进机伸缩机构的伸缩臂在固定臂内与固定臂直线滑动配合，抱紧装置套在伸缩臂上，并位于固定臂的后方，固定臂的后端部的内孔设置为外大内小的内圆锥面，活塞缸的缸筒或缸杆相对固定臂固定安装。该设计能消除伸缩滑动副之间的间隙，提高切割机构的刚性，降低切割时的振动冲击，减少磨损。