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[摘 要]针对现有矿山设备安装与回撤劳动量大、安全隐患多、工作效率低等现状，介绍了一种主要用于矿山设备安装与回撤的自移安装车的结构设计和工作原理，理论分析了该设备起吊机构伸缩臂的摆角，并运用ANSYS软件对主要部件行走机构底盘在载荷作用下应力和变形开展分析研究。通过现场工业性试验验证表明：起吊机构在伸缩臂竖直摆角达到45°、水平摆角达到180°时，设备底盘应力和应变满足设计要求，自移安装车运行安全平稳且能够完成所需动作及工作任务。
[关键词]矿山设备；自移安装车；结构设计；有限元分析
中图分类号：TD422.3 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）07-0145-01
0 引言
目前矿山刮板输送机的安装与回撤工作量比较大，尤其是中部槽的卸车、搬运和组装工作的劳动强度较大、安装速度很慢、工作效率很低、安全隐患较多[1]。针对此种情况，本文提出了一种用于刮板输送机安装与回撤的自移安装车。该设备与辅助绞车、乳化液泵站配套使用，主要用于完成刮板输送机的机头、机尾、中部槽、电机和减速器等设备的安装。论文开展自移安装车的结构设计，运用理论计算、有限元分析及工业性试验等方法进行分析研究，在理论和实践上解决了刮板机的安装与回撤问题。
1 设备结构
自移安装车主要由抓手机构、起吊机构、旋转机构、行走机构和液压系统组成，其中，起吊机构主要包括伸缩臂、液压缸、吊臂、吊链和吊钩等组成；旋转机构主要由旋转轴、轴承、导轨、齿条液压缸等组成；行走机构主要由制动闸、前连接体、底盘和迈步缸等组成。
自移安装车通过行走机构前后的两个制动闸和中间迈步缸相配合，实现整个设备在刮板机中部槽上迈步式自移行走。通过控制伸缩液压缸调节起吊机构伸缩臂的伸出位置，操作旋转机构使起吊机构旋转到合适位置，然后操作拉链液压缸使抓手机构下降到需要吊装位置，最后通过抓手机构的制动缸闸紧中部槽两内侧面 “抓紧”中部槽，升起吊臂，收缩吊链，调整起吊方向进行安放。
2 起吊机构伸缩臂摆角理论分析
2.1 伸缩臂竖直摆角理论分析[2、3]
起吊机构的运动简图如图1所示，其主要由升降液压缸1、活塞杆2、伸缩臂3和旋转轴座4等组成。当活塞杆2处于原始时，伸缩臂3处于位置a；当活塞杆2处于最大伸长状态时，伸缩臂3处于位置b。建立如图的直角坐标系，分析伸缩臂3的竖直摆角大小如下：
在三角形中，利用余弦定理得：
（1）
在三角形中，利用余弦定理得：
（2）
又知：， （3）
考虑到升降液压缸的力与速度之间的压力角不能过小，同时又受到物料起吊高度的要求，升降液压缸的行程选为500～800mm。根据设计得到尺寸参数，，，。
把上述数据带入式（1）、（2）、（3）可以计算得出为30.27°～57.68°，但考虑到液压缸行程选取为45.10°。
2.2 伸缩臂水平摆角理论分析
伸縮臂水平摆角的大小取决于旋转机构旋转角度的大小，而旋转机构采用齿条液压缸带动齿条、齿轮旋转来实现伸缩臂的水平摆动，其中齿条液压缸和齿条各有两个，因此齿轮的周长大于齿条长度的一半，伸缩臂的水平摆角理论可以达到180°。
3 行走机构底盘的有限元分析
行走机构底盘是安装车整机设备的主要受力承载件，其结构强度直接关系到安装车是否能够安全平稳起吊重物。结合底盘结构设计参数，利用SolidWorks建立底盘的几何模型导入到ANSYS-Workbench中，并选取Solid186单元对其进行网格划分形成有限元模型[4]。考虑到行走机构底盘下表面和中部槽面接触，底盘主要受到起吊重物、起吊机构和旋转机构的力的作用，故在底盘下表面施加X、Y、Z三个方向上的位移约束，在上表面施加垂直向下、大小为55.21KN的力。此外，由于底盘本身具有一定的重力，在ANSYS-Workbench中通过添加重力加速度就可将设备自身重量添加进来，本文重力加速度选取为9800mm/s2。
完成上述工作，对底盘有限元模型进行求解，可以得到应力强度、底盘材料选择为Q550，其屈服强度为550MPa，安全系数为2，则Q550材料的许用强度为275MPa。底盘的最大应力为112.4MPa，小于Q550的许用强度275MPa，最大应力发生的底盘上表面的薄弱处。底盘的最大变形为1.0714mm，变形不大。
4 工业性试验
试验选取的刮板输送机的型号为SGZ800/800。该型刮板输送机的输送能力为1500t/h，装机功率为2×400kW，刮板链为中双链型式，链条规格为34×126-C，链条破断负荷≥1450kN，中部槽规格为1500mm×800mm×310mm[5]。刮板输送机的中部槽安装方式采用直线安装，不考虑转弯布置的情况。
5 结束语
1）论文理论分析了自移安装车的起吊机构伸缩臂的竖直和水平摆角，其中，竖直摆角能达到45.10°、水平摆角能达到180°，满足自移安装车起吊与回撤不同方位的要求。
2）有限元分析结果表明，行走机构底盘的最大应力为112.4MPa，小于Q550的许用强度275MPa，变形量不大，满足结构强度要求。
3）工业性试验结果表明，自移安装车各机构动作正常、运行平稳，起吊机构的伸缩臂竖直摆角能达到45度、水平摆角能达到180度，验证了理论分析的结果。
参考文献
[1] 李德军，张德林，袁进南.矿山工作面刮板输送机中部槽体拆装机的研究与应用[J].煤矿机械，2011（8）：128-130.
[2] 辛德忠，龚宪生，王清峰.基于负载自适应的煤矿用钻机卡盘动态夹紧理论[J].煤炭学报，2013（3）：498-503.
[3] 孙桓，陈作模，葛文杰.机械原理[M].北京：高等教育出版社.
[4] 任怀伟，王国法，范迅.基于有限元分析的支架箱型截面几何参数优化[J].煤炭学报，2010（4）：680-685.
[5] 阚文浩.刮板输送机刮板链故障分析与技术改进[J].煤矿机械，2013（2）：174-175.
作者简介
程晓亮（1982—）男，籍贯：内蒙古自治区通辽市人。本科，从事矿山机械专业设计研究工作。
[关键词]矿山设备；自移安装车；结构设计；有限元分析
中图分类号：TD422.3 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）07-0145-01
0 引言
目前矿山刮板输送机的安装与回撤工作量比较大，尤其是中部槽的卸车、搬运和组装工作的劳动强度较大、安装速度很慢、工作效率很低、安全隐患较多[1]。针对此种情况，本文提出了一种用于刮板输送机安装与回撤的自移安装车。该设备与辅助绞车、乳化液泵站配套使用，主要用于完成刮板输送机的机头、机尾、中部槽、电机和减速器等设备的安装。论文开展自移安装车的结构设计，运用理论计算、有限元分析及工业性试验等方法进行分析研究，在理论和实践上解决了刮板机的安装与回撤问题。
1 设备结构
自移安装车主要由抓手机构、起吊机构、旋转机构、行走机构和液压系统组成，其中，起吊机构主要包括伸缩臂、液压缸、吊臂、吊链和吊钩等组成；旋转机构主要由旋转轴、轴承、导轨、齿条液压缸等组成；行走机构主要由制动闸、前连接体、底盘和迈步缸等组成。
自移安装车通过行走机构前后的两个制动闸和中间迈步缸相配合，实现整个设备在刮板机中部槽上迈步式自移行走。通过控制伸缩液压缸调节起吊机构伸缩臂的伸出位置，操作旋转机构使起吊机构旋转到合适位置，然后操作拉链液压缸使抓手机构下降到需要吊装位置，最后通过抓手机构的制动缸闸紧中部槽两内侧面 “抓紧”中部槽，升起吊臂，收缩吊链，调整起吊方向进行安放。
2 起吊机构伸缩臂摆角理论分析
2.1 伸缩臂竖直摆角理论分析[2、3]
起吊机构的运动简图如图1所示，其主要由升降液压缸1、活塞杆2、伸缩臂3和旋转轴座4等组成。当活塞杆2处于原始时，伸缩臂3处于位置a；当活塞杆2处于最大伸长状态时，伸缩臂3处于位置b。建立如图的直角坐标系，分析伸缩臂3的竖直摆角大小如下：
在三角形中，利用余弦定理得：
（1）
在三角形中，利用余弦定理得：
（2）
又知：， （3）
考虑到升降液压缸的力与速度之间的压力角不能过小，同时又受到物料起吊高度的要求，升降液压缸的行程选为500～800mm。根据设计得到尺寸参数，，，。
把上述数据带入式（1）、（2）、（3）可以计算得出为30.27°～57.68°，但考虑到液压缸行程选取为45.10°。
2.2 伸缩臂水平摆角理论分析
伸縮臂水平摆角的大小取决于旋转机构旋转角度的大小，而旋转机构采用齿条液压缸带动齿条、齿轮旋转来实现伸缩臂的水平摆动，其中齿条液压缸和齿条各有两个，因此齿轮的周长大于齿条长度的一半，伸缩臂的水平摆角理论可以达到180°。
3 行走机构底盘的有限元分析
行走机构底盘是安装车整机设备的主要受力承载件，其结构强度直接关系到安装车是否能够安全平稳起吊重物。结合底盘结构设计参数，利用SolidWorks建立底盘的几何模型导入到ANSYS-Workbench中，并选取Solid186单元对其进行网格划分形成有限元模型[4]。考虑到行走机构底盘下表面和中部槽面接触，底盘主要受到起吊重物、起吊机构和旋转机构的力的作用，故在底盘下表面施加X、Y、Z三个方向上的位移约束，在上表面施加垂直向下、大小为55.21KN的力。此外，由于底盘本身具有一定的重力，在ANSYS-Workbench中通过添加重力加速度就可将设备自身重量添加进来，本文重力加速度选取为9800mm/s2。
完成上述工作，对底盘有限元模型进行求解，可以得到应力强度、底盘材料选择为Q550，其屈服强度为550MPa，安全系数为2，则Q550材料的许用强度为275MPa。底盘的最大应力为112.4MPa，小于Q550的许用强度275MPa，最大应力发生的底盘上表面的薄弱处。底盘的最大变形为1.0714mm，变形不大。
4 工业性试验
试验选取的刮板输送机的型号为SGZ800/800。该型刮板输送机的输送能力为1500t/h，装机功率为2×400kW，刮板链为中双链型式，链条规格为34×126-C，链条破断负荷≥1450kN，中部槽规格为1500mm×800mm×310mm[5]。刮板输送机的中部槽安装方式采用直线安装，不考虑转弯布置的情况。
5 结束语
1）论文理论分析了自移安装车的起吊机构伸缩臂的竖直和水平摆角，其中，竖直摆角能达到45.10°、水平摆角能达到180°，满足自移安装车起吊与回撤不同方位的要求。
2）有限元分析结果表明，行走机构底盘的最大应力为112.4MPa，小于Q550的许用强度275MPa，变形量不大，满足结构强度要求。
3）工业性试验结果表明，自移安装车各机构动作正常、运行平稳，起吊机构的伸缩臂竖直摆角能达到45度、水平摆角能达到180度，验证了理论分析的结果。
参考文献
[1] 李德军，张德林，袁进南.矿山工作面刮板输送机中部槽体拆装机的研究与应用[J].煤矿机械，2011（8）：128-130.
[2] 辛德忠，龚宪生，王清峰.基于负载自适应的煤矿用钻机卡盘动态夹紧理论[J].煤炭学报，2013（3）：498-503.
[3] 孙桓，陈作模，葛文杰.机械原理[M].北京：高等教育出版社.
[4] 任怀伟，王国法，范迅.基于有限元分析的支架箱型截面几何参数优化[J].煤炭学报，2010（4）：680-685.
[5] 阚文浩.刮板输送机刮板链故障分析与技术改进[J].煤矿机械，2013（2）：174-175.
作者简介
程晓亮（1982—）男，籍贯：内蒙古自治区通辽市人。本科，从事矿山机械专业设计研究工作。