断面煤巷高效掘进机关键螺栓联接设计

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摘 要：全断面煤巷高效掘进机为我国首台煤矿井下用巷道断面一次成型高效掘进机，为了满足煤矿井下复杂工况的工作要求，需要对某些关键部位的螺栓联接进行详细设计和校核。

关键词：全断面；接合面；螺栓联接

中图分类号：TD421 文献标识码：A

目前，国内首台全断面煤巷高效掘进机在我公司已研发试制完成，现正处于煤矿工业性试验阶段。QMJ4260全断面煤巷高效掘进机是一种综合掘进、采煤设备，集全断面切割、装运、行走、灭尘、支护、锚固多重功能于一体，实现巷道快速掘进。该机主要用于采煤准备巷道矩形断面的快速掘进，定位切割高度4.2m，切割宽度6m 。纵向工作坡度≤±5°。

其前端工作装置主要组成为：①三臂式可伸缩刀盘（对称各一）；②上截割滚筒装置；③下截割滚筒装置；④主截割减速机。

根据图1可知，两三臂式主刀盘与主减速机输出端通过方键及螺栓连接到一起；上截割滚筒装置与主减速机上面的铰耳通过销轴连接，再通过一对油缸两端连接上截割滚筒装置与主减速机，油缸动作可实现上滚筒举升和下落；下截割滚筒装置与主减速机下面的铰耳通过销轴连接，再通过一对油缸两端连接下截割滚筒装置与主减速机，油缸动作可实现下滚筒抬起和下降；主截割减速机再通过螺栓连接固定到本体车架上。通过上、下滚筒装置油缸的动作调节截割断面高度。

因整机的结构功能要求，整个前端工作装置工作时需满足整体上下浮动功能，所以整个前端工作装置需连接固定到本体车架上，本体车架与行走部由两支撑油缸连接，通过该油缸动作实现车架与整个工作装置整体上下浮动。前端工作装置各部分总重达95t， 再加上主刀盘及滚筒工作过程中形成的复杂载荷共同作用于主减速机与本体的接合面处，故前端工作装置与本体车架之间的固定螺栓组设计工作尤为重要。

进行螺栓组连接的设计时，应根据实际工况、载荷情况及结构尺寸要求来确定螺栓的布置方式、数量及连接接合面的几何形状，螺栓组连接接合面的几何形状应根据实际配合情况设计成尽量简单，易于加工，最好设计为轴对称的几何形状，如圆形、矩形、方形等。尽量使螺栓组形心与连接接合面形心重合，接合面设计为环状或条状，以便减少加工量、减小接合面不平的影响，可以增加连接刚度；螺栓的布置应使螺栓组受力合理，当布置受到力矩作用的螺栓组时，螺栓应远离接合面对称轴，使螺栓靠近接合面边缘，增加连接的可靠性；在满足连接要求的情况下，还应该尽量使同一组螺栓完全相同，各个螺栓设计的最小间距应满足普通或特殊的力矩扳手空间的要求，最大间距应按照连接用途及结构尺寸大小来确定。

在整体设计布置已定的情况下，综合考虑主减速机安装方式和车架结构空间的限制等要求，首先按照上述的螺栓组接合面结构设计原则将接合面形状及螺栓组布置为如图2所示样式。螺栓组在接合面上沿中轴线左右对称，左下和右下两处产生转矩T的位置为主减速机输出端位置。

对螺栓组连接受力进行分析并计算：

已知，前端工作装置总重95t；摩擦面螺栓组螺栓数量 Z=75；

两个主刀盘在单刀盘堵转情况下，输出转矩T=660000N・M；

螺栓组横向外载荷为Fw=950000N。

外载荷作用下受倾覆力矩M=9.5× 105×1.65=1567.5kN・M

（1）在外载荷Fw作用下，螺栓所需预紧力

式中：Ks-考虑摩擦因数的不稳定而引入的可靠性系数；

f-联接摩擦副的摩擦因数；

Z-螺栓组螺栓个数；

i-摩擦接合面数量。

（2）在转矩T作用下，螺栓所需预紧力

式中：ri-螺栓中心至摩擦面旋转中心的距离，根据图上测量求得所需预紧力F预=F0+F0=102917+ 46493=149410N

（3）在倾覆力矩M作用下，螺栓所受到最大轴向载荷

式中：Li-螺栓中心至摩擦面翻转力矩对称轴线的距离，根据图上测量求得。

螺栓受到总拉力：

式中：

为螺栓的相对刚度（采用金属垫片，其值取0.2）。

（4）确定螺栓直径

选择螺栓为10.9级高强合金螺栓，查得 [σs]=900MPa：在控制预紧力情况下，取安全系数S=3。

求得螺栓许用应力为：

求所需螺栓危险截面直径：

根据以上结果，故应选取螺栓公称直径d=36mm的螺栓较为合理（螺纹小径d1=31.67mm>29.86mm。

（5）校核螺栓所需预紧力是否合适

对合金钢螺F预≤0.6σS A1=0.6× 900MPa×787mm2=424980N

所需预紧力F预=149410N

根据已确定的螺栓公称直径，选取螺栓类型、长度、精度及相应的放松垫圈。

结语

因为此产品为国内首台创新型煤矿用全断面高效掘进机，在创新设计过程中需要进行反复核算，前端工作装置与本体架接合面经过螺栓连接后，经过了组装试运行及煤矿现场工业性试验的严酷考验，保证了接合面连接螺栓工作的可靠性。

参考文献

[1]成大先.机械设计手册（第五版）[M].北京：化学工业出版社 2007.11

[2]《重型机械标准》编写委员会、中国重型机械工业协会.重型机械标准[M].昆明：云南科技出版社，2007.