開槽機牽引鋼絲繩的選擇

王國慶

（天津市祥威傳動設備有限公司，天津 300380）

1 開槽機的用途和結構

開槽機是用于在煤層內掏槽的采煤機械，在炮采工作面煤壁上截割出截槽，增加自由面以提高爆破落煤的效果，應用于開采中硬和軟煤層，也可開采其它成層的礦產，但不能截割堅硬的夾石和硫鐵礦等。

在現代機械化采煤過程中，大規模的應用采煤機等機械設備落煤，機械效率很高，但是存在一個難以解決的問題，就是機械截割部分的截齒相互之間的距離是有限的，造成落煤塊度小，在產量一定時，降低了煤的價值，也降低了利潤。同時，在一些中小型的煤礦中，由于資金相對不足，大型的機械設備不能得到很好的應用，仍然采用人工落煤，生產效率也不高。開槽機就能一定程度地解決這些問題。首先用開槽機在采煤工作面底部開出一道深槽，然后在上方煤壁上打眼放炮，達到落煤塊度大、效率高的目的。

如圖1所示即為開槽機的主要構成簡圖，電動機兩端出軸，分別驅動截割部和牽引部。

2 開槽機牽引機構及鋼絲繩的纏繞方法

2.1 牽引機構簡述

開槽機的牽引是利用牽引鋼絲繩，這時，繩子的一端系在固定支柱上，另一端則繞在機器的卷筒上，這個卷筒是由主電動機經過牽引機構減速器而帶著轉動的，這個減速器跟繩筒合在一起被稱為牽引機構。

圖1 開槽機的構成

通常牽引機構可保證開槽機產生幾種速度，司機根據煤的堅硬性的不同而選擇一種牽引速度，這個牽引速度要使電動機的負荷剛好達到額定功率。但是由于開槽機上沒有控制電動機負荷的儀器，所以選擇牽引速度是由司機聽電動機發出來的聲音而決定的，這在很大程度上取決于司機的經驗。除了工作速度外，牽引機構還應保證有一個比工作速度大得多的調動速度。

經驗證明，把繩筒放在開槽機底部的垂直軸上是最為合適的。這時，卷筒直徑不應大于機器機殼的寬度，同時又要讓卷筒上容得下20～30m的鋼絲繩。

開槽機的工作牽引速度不高，一般都在1.4m/min以下。應用得最多的是很低的速度，大致為0.3～0.5m/min。因為繩筒直徑一般為520～580mm，那么繩筒的每分鐘轉速應該在0.165～0.860r/min之間。

而在某些情況下，還要更低一些。這樣，當電動機轉速n0=1480r/min時，牽引減速器的傳動比將為8970～1721之間。

由于我們還必須要保持減速器尺寸最小，所以如果用普通的齒輪來實現大的傳動比在實際上是不可能的，因為這樣就需要6～7對齒輪。因此，牽引機構減速器設計或者用行星輪傳動，或者利用某些機構傳動。

除了傳動機構以外，牽引部減速器在某種情況下還加上保護裝置，以防止鋼絲繩內可能因負荷過大打壞齒輪。這種保護裝置有摩擦離合器及彈簧牙嵌離合器。

2.2 鋼絲繩的纏繞方法

我們把鋼絲繩由直線位置變成曲線狀態時算作彎曲半次，鋼絲繩由曲線狀態又變成直線狀態，又由直線狀態回復到曲線狀態，我們就稱之為彎曲一次。在以后彎曲時，如果鋼絲繩彎曲方向與第一次彎曲方向相反這就認為在鋼絲繩的每一個反向彎曲上又加上了一次彎曲。由這一觀點出發，我們來比較兩種不同的鋼絲繩在卷筒上的纏繞方式，如圖2與圖3。

在圖2上我們得到：（1）鋼絲繩在滑輪上彎曲過去又反過來；（2）繞在繩筒上時彎曲；（3）繞在繩筒上的方向跟繞在滑輪上的彎曲方向相反。鋼絲繩受到2.5次彎曲。

在圖3上我們得到：（1）鋼絲繩在滑輪上彎曲過去并又反過來；（2）繞在卷筒上時彎曲。鋼絲繩受到1.5次彎曲。由于很多學者所做過的試驗證明，減少彎曲次數可以大大增加鋼絲繩的使用年限，因此，圖3中的鋼絲繩工作方式要比圖2中的方式要好得多。所以，應用圖3中的纏繞方式。

3 牽引鋼絲繩的選擇

3.1 鋼絲繩的結構及類型

鋼絲繩絲繩是由一定數量（一般為6根）的細鋼絲捻成繩股，再由股（一般為6股）捻制成繩，繩的中間夾有含油麻芯。制造鋼絲繩的鋼絲為優質碳素結構鋼，其抗拉強度為1400～2000MPa。在承受相同終端載荷的條件下，抗拉強度過高的鋼絲繩韌性差。抗拉強度大，鋼絲繩在承受相同的載荷下，繩徑可以小一些，但其彎曲疲勞性能差一些。鋼絲繩有光面和鍍鋅的兩種，后者可以防止銹蝕。由于鋼絲繩中股數和捻向的不同，以及股中鋼絲數目、鋼絲直徑、斷面形狀和排列方式的不同，鋼絲繩可以有許多不同的類型，因而性能不相同，使用條件也不一樣。

圖2

圖3

鋼絲繩的繩芯是由苧麻、線麻或馬尼拉麻等具有較大抗拉強度的纖維捻制而成，其作用是儲存繩油，以便減小鋼絲繩工作時內部鋼絲的相互磨損，并防止生銹和腐蝕，可增加儲油性，并起墊襯作用，減少繩股擠壓變形。

采煤機械用的牽引鋼絲繩構造比較簡單，且成本比較低。但是，繞在卷筒上時，鋼絲繩工作條件很惡劣，因為它不僅拉力很大，同時又要在直徑較小的滑輪上彎曲。

鋼絲繩有很多種，根據不同的特點有不同的分類方法：

（1）按鋼絲類型分類

鋼絲有光面和鍍鋅兩種類型，室內工作時通常使用光面鋼絲繩，露天和潮濕環境中使用鍍鋅鋼絲繩。鋼絲按韌性分為特號、Ⅰ號和Ⅱ號。特號鋼絲用于載人提升，Ⅰ號用于起重和牽引機械，Ⅱ號通常用于捆綁貨物等次要用途。

（2）按捻制方向分類

按鋼絲捻成股與股捻成繩的方向相同或相反，分為同向捻和交互捻鋼絲繩。同向捻鋼絲繩撓性好，使用壽命長，但容易自行扭轉和松散，通常用作牽引繩，在自由懸掛的提升、起重機械中不宜采用，只有在具有剛性軌道的提升機械（如電梯）中才使用。交互捻鋼絲繩不易自行松散，在起重機械中廣泛應用，但是撓性小、壽命較短。

按股捻成繩的方向，這兩種鋼絲繩又分為左旋和右旋兩種類型，一般多用右旋繩。

（3）按繩芯材料分類

按繩芯材料種類，鋼絲繩分為纖維芯（棉、麻芯）、石棉芯和鋼絲芯三種類型。纖維芯和石棉芯鋼絲繩撓性大、彈性好，但不能承受橫向壓力，區別是前者不耐高溫，后者耐高溫。鋼絲芯鋼絲繩強度高，能夠承受高溫和橫向壓力，但撓性較差。

通常使用纖維芯鋼絲繩，高溫、重載和多層卷繞的情況下使用鋼絲芯鋼絲繩。

（4）按鋼絲接觸狀態分類

按股中鋼絲與鋼絲的接觸狀態，鋼絲繩分為點接觸式、線接觸式和面接觸式。

點接觸鋼絲繩股中各層鋼絲直徑相同，捻距不同，形成點接觸，因而鋼絲接觸應力很高，容易磨損和斷裂，壽命較低，但制造容易而且價廉。

線接觸鋼絲繩股中各層鋼絲的捻距相等，直徑不同，外層粗鋼絲位于內層細鋼絲的溝縫里，形成線接觸，因而鋼絲接觸應力低，撓性好，結構緊密，壽命長，承載能力大，應優先選用。線接觸鋼絲繩有三種結構型式：粗細型（W型，也稱為瓦林吞型）、外粗型（X型，也稱為西魯型）和填充型（T型）。通常使用粗細型，外粗型適用于磨損較嚴重的場合。

面接觸鋼絲繩的鋼絲間為面接觸，耐磨損，能夠承受大的橫向壓力，通常用于索道的承載索。

（5）按股的斷面形狀分類

按照股的斷面形狀，鋼絲繩分為圓形股和異形股。圓形股制造方便，廣泛使用。異形股有三角形股、橢圓形股等，與卷筒或滑輪的接觸面大，強度高、耐磨損、壽命長，但是制造復雜。

不同斷面形狀的鋼絲繩，其主要特點歸納如下：

（a）圓形股鋼絲繩。易于用眼檢查斷絲，有相當大的撓性，制造簡單，價格低。但隨載荷變化有旋轉趨勢，且外部鋼絲易磨損。

（b）三角股鋼絲繩。易于用眼檢查斷絲，在相同條件下，比圓股繩強度大，壽命長；外部鋼絲比圓股耐磨。但隨載荷變化有旋轉趨勢，且撓性較圓股繩差。

（c）多層股鋼絲繩。旋轉性小，有相當大的撓性。但內部鋼絲不易檢查。

（d）密封、半密封鋼絲繩。不旋轉，外部鋼絲耐磨，抗腐蝕性好，在相同條件下強度最大，彈性變形小。但內部鋼絲不易檢查，撓性小，直徑大時斷面易變形，制造復雜，價格高。

（e）扁鋼絲繩。不旋轉，易于檢查，有很大的撓性。但易被磨損，手工生產效率低，價格高。

選擇鋼絲繩時，要根據使用條件和鋼絲繩的特點來考慮，基于本次設計的是井下小煤礦用的開槽機械，故所選的鋼絲繩的材料為優質碳素結構鋼，Ⅰ號鋼，類型是同向捻的線接觸式圓股鋼絲繩6W（19），繩芯為纖維芯。

式中，d-鋼絲繩最小直徑，mm；c-選擇系數，在機械設計手冊中可以查到；Fmax-鋼絲繩最大靜拉力，N。

由現場常用開槽機數據求得，鋼絲繩的最大靜拉力為：Fmax=Q=25989.6N

在機械設計手冊中可知，牽引鋼絲繩的最小安全系數不得小于4，故本人安全系數取5，而對應的鋼絲繩公稱抗拉強度為 1850MPa，c=0.096，帶入式（1）得：

即最小直徑為15.48mm，此處取16mm，查手冊可得到其它參數如下：導向滑輪的直徑90mm；鋼絲繩直徑16mm；鋼絲中心直徑1.2mm；鋼絲總斷面積107.74mm2；鋼絲繩公稱抗拉強度1700MPa；彈性模量E為200GPa。

即所選鋼絲繩為：鋼絲繩6W（19）-16-1700-Ⅰ-光-右同GB1102-74。

3.2 鋼絲繩的應力計算及鋼絲繩破斷拉力的計算

鋼絲繩的拉力是由拉繩子的力所引起的，它等于：σP=Q/F式中，F-鋼絲繩的全部鋼絲的斷面積。

為了要考慮繩內的彎曲應力，我們來看一下繩在卷筒上纏繞的情形。在纏繞時，鋼絲繩的鋼絲發生變形，其變形可由圖4求出。大家知道，繩內鋼絲扭成股，而股則捻成鋼絲繩。要精確地研究鋼絲的扭曲變形是很困難的，因此，我們只研究一根假想的鋼絲，這根鋼絲正位于鋼絲的中心線上，同時引進一個校正系數，以考慮鋼絲的扭曲。

圖4

把已選好的鋼絲繩的參數帶入可得：

所以鋼絲繩內的總應力小于鋼絲繩的許用應力（1700MPa）。故所設計的鋼絲繩符合強度要求。

另外，還要保證以下公式滿足［1］：F0≥FmaxS/φ式中，F0-鋼絲繩中全部鋼絲的破斷拉力總和，N；Fmax-鋼絲繩工作時的最大靜拉力，N；S-最小安全系數，查表可得；φ-鋼絲繩破斷拉力換算系數。

將本次設計的參數帶入，S＝5，Fmax=2652kg＝25989.6N，另根據機械設計手冊知此形式的φ=0.85，則得：FmaxS/φ=25989.6×5/0.85＝152880N。

查表可知，當鋼絲繩直徑為16mm，公稱抗拉強度為1700MPa時，鋼絲繩破斷拉力總和F0≥183000N，從以上計算的結果可知，所選鋼絲繩符合要求。

鋼絲繩的使用年限是不長的，大致是3～6個月。鋼絲繩的使用年限還決定于它在工作中彎曲的次數，有很多學者做過實驗證明，減少彎曲次數可以大幅度增加鋼絲繩的使用年限。

4 結語

開槽機牽引機構，一定要根據實際情況選擇適當規格的鋼絲繩，選擇合理的纏繞方法，并通過應力計算及破斷拉力計算驗證選擇鋼絲繩的可靠性，既不能選擇可靠性差的鋼絲繩，否則會給生產安全帶來隱患，也不能選擇過高的可靠性，造成大馬拉小車的資源浪費。

［1］潘英編，礦山提升機械設計［M］.徐州：中國礦業大學出版社，2000.

［2］采礦手冊編輯委員會.采礦手冊：第5卷）M］.北京：冶金工業出版社，1999.

［3］布.勒.達維道夫.煤炭工業機械：第一卷［M］.北京：煤炭工業出版社，1956.

［4］徐灝主.機械設計手冊［M］.北京：機械工業出版社，1995.