座鉤式自動翻矸裝備的工藝設(shè)計

程平陽

（武漢星宇建設(shè)工程監(jiān)理有限公司，湖北武漢430070）

座鉤式自動翻矸裝備的工藝設(shè)計

程平陽

（武漢星宇建設(shè)工程監(jiān)理有限公司，湖北武漢430070）

運用設(shè)計的座鉤式自動翻矸工藝裝置，在巷道的掘進中的裝渣和出渣過程中，能夠改進裝運巖石的工作，實現(xiàn)了不借助外動力源的情況下，吊桶自動翻轉(zhuǎn)倒渣，提高其機械化水平，從而加快掘進速度，提高勞動效率和工藝施工水平，大大減輕在巷道、豎井施工中最繁重、最費工時的工序強度，節(jié)約了人工成本。

自動翻矸裝備；座鉤；出渣；排矸方式；吊桶；工藝設(shè)計

巷道的掘進中的裝渣和出渣是最繁重、最費工時的工序，約占掘進循環(huán)時間的40%~50%，是決定豎井施工速度的主要因素。因此應(yīng)不斷研究和改進裝運渣石（主要為巖石）的工作，提高其機械化水平，以便加快掘進速度，提高勞動效率。

掘進產(chǎn)生的巖石、粹渣一般經(jīng)過抓巖機，將其裝入吊桶，巖石經(jīng)吊桶提到翻矸臺上后，需要翻卸在溜矸槽內(nèi)或卸在井口矸石倉內(nèi)，以便用自卸汽車或者礦車運走。這就需要將吊桶自動翻矸，座鉤式自動翻矸裝置使用效果最好。運用設(shè)計的座鉤式自動翻矸工藝裝置，在巷道的掘進中的裝渣和出渣過程中，實現(xiàn)了不借助外動力源的情況下，吊桶自動翻轉(zhuǎn)倒渣，從而改進在巷道、豎井施工中裝運巖石這一最繁重、最費工時的工作，節(jié)約了人工成本。

1翻矸方式

座鉤式自動翻矸裝置（見圖1）是由底部帶中心圓孔的吊桶、座鉤、托梁及支架等組成。翻矸裝置通過支架固定在翻矸門上。

裝滿巖石的吊桶提到翻矸平臺后，關(guān)上翻矸門，吊桶下落，使鉤尖進入桶底中心孔內(nèi)。鉤尖處于提升中心線上，而托梁的轉(zhuǎn)軸中心偏離中心線200 mm.吊桶借偏心作用開始向前傾倒，直到鉤頭鉤住桶底中心孔邊緣鋼圈為止。翻矸后，上提吊桶，座鉤自行脫離，并借自重恢復(fù)到原來位置。

這種翻矸裝置具有結(jié)構(gòu)簡單，加工安裝容易，翻矸動作可靠，翻矸時間較短等優(yōu)點，現(xiàn)在已經(jīng)在不少礦井廣泛應(yīng)用。

2翻矸裝置的設(shè)計

2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

機械中所有轉(zhuǎn)動軸都要用軸承來支撐。軸安裝在軸承中的部分稱為軸頸。軸頸與軸承構(gòu)成轉(zhuǎn)動副。當(dāng)載荷垂直于軸頸的幾何軸線時稱為徑向軸頸和徑向軸承。

翻矸裝置是一個十字架鋼梁軸，因為滑動軸承具有較大的承載能力、抗振性好、壽命長、噪聲小、運轉(zhuǎn)平穩(wěn)等優(yōu)點，所以鋼梁軸的兩端制作成光滑的圓柱形軸，放入軸承座中的兩端部必須進行簡單的熱處理。軸頸與軸承被制作處間隙配合。它們之間通過人工滴注機油進行潤滑（見圖1）。

軸頸在吊桶自重力矩M的作用下（見圖1），在軸承中克服與軸承的摩擦力而滑動。摩擦力相對吊桶的偏心扭矩可以忽約不計。只要吊桶的垂直重心力G偏離軸承座向上的支撐力N的中心線而使吊桶偏心，圍繞軸承座中心軸線產(chǎn)生力矩M，從而使吊桶翻轉(zhuǎn)；吊桶的中心線偏離軸承軸線的距離越大，產(chǎn)生的力矩越大，吊桶就越容易翻轉(zhuǎn)，因為吊桶的底盤直徑一般為1 000 mm，半徑500 mm，吊桶底盤中心坐落在十字架軸的座鉤上，座鉤沿圖中的X軸伸出200 mm，足夠使吊桶產(chǎn)生偏心力，吊桶底盤的另外300 mm部分也容易坐落在十字架軸梁上。其受力分析圖如下圖1.

圖1 吊桶在十字架座鉤上受力圖

為了將吊桶放在圓軸上，圓軸的中間必須設(shè)計成矩形截面。圓軸與矩形截面軸結(jié)合處形成臺階。通過該臺階在軸承座上軸向定位。

十字架的另外一條梁的一端做成彎鉤，垂直伸出轉(zhuǎn)軸200 mm，使吊桶產(chǎn)生偏心。另一端的端部需要翹起，以阻止吊桶向該方向滑移。

吊桶的底部必須做成凹進的圓柱形狀，以便與十字架的向上的彎鉤配合，使吊桶借助自身重力，當(dāng)?shù)跬奥涞绞旨苌希趵K放松后，能夠自動翻轉(zhuǎn)，而不滑移。

2.2 吊桶的受力分析

一個物體上的作用力系，作用線都在同一平面內(nèi)，且匯交于一點，這種力系稱為平面匯交力系。如圖1所示，吊桶在十字架鋼梁軸的平面匯交力系的平衡條件是，作用力，再加上力矩的平衡

通過上面分析，吊桶的重量通過鋼絲繩吊著呈平衡狀態(tài)，當(dāng)?shù)跬奥湓谑旨茌S上時，如果沿X軸方向的吊桶的重力與十字架的支撐力N重合，吊桶底部受到轉(zhuǎn)軸垂直向上的作用力N，等于吊桶向下的于重心的重量G產(chǎn)生的作用力，這時吊桶處于靜止?fàn)顟B(tài)；一旦吊桶的重力沿Y軸偏離十字架軸的支撐力N，吊桶就以轉(zhuǎn)軸為原點，吊桶的重心作用力G就產(chǎn)生力矩M，而使吊桶翻轉(zhuǎn)。因為吊桶剛接觸轉(zhuǎn)軸時偏心距離最短，力臂最小，吊桶的重心作用力G對于轉(zhuǎn)軸翻矸時產(chǎn)生的力矩M也就最小。當(dāng)在該點最小力矩使吊桶能夠翻轉(zhuǎn)時，那么吊桶在其他位置產(chǎn)生的力矩就都能使吊桶翻轉(zhuǎn)。如圖1所示，鉤尖處于提升中心線上，而托梁的轉(zhuǎn)軸中心線偏離吊桶中心線200mm.

2.3 軸的材料選擇

翻矸軸承梁材料比較容易得到，一般選價格低廉容易加工的A3普通碳素鋼。為保證機械性能，應(yīng)該進行調(diào)質(zhì)或者正火處理。

常溫、靜載荷和一般工作條件下，A3普通碳素鋼的許用應(yīng)力σ=157 MPa（由常用材料的許應(yīng)力表查得）。A3屬于塑性材料。

2.4 軸的應(yīng)力計算

在靜載荷下，塑性材料的扭轉(zhuǎn)許用剪應(yīng)力τ和許用拉應(yīng)力σ之間存在著如下關(guān)系：τ=（0.5~0.6）σ.考慮到傳動軸受動載荷作用等因素的影響，其許用應(yīng)力一般比上述值低。

為了圓軸不發(fā)生破壞，其最大工作應(yīng)力不能超過材料的許用扭轉(zhuǎn)剪應(yīng)力τ.對于等直圓軸來說，最大剪應(yīng)力發(fā)生在最大扭矩截面的邊緣處，圓軸扭轉(zhuǎn)的強度條件為：

式中，Mn為圓軸截面上的扭矩，應(yīng)該取吊桶的重心到圓軸軸心線的垂直距離的最小值來計算。吊桶的尺寸由轉(zhuǎn)揚機轉(zhuǎn)筒軸的寬度決定。一般吊桶的直徑取1.8m.吊重為1.75×1.8 t.吊桶重心垂直線偏移圓軸軸心線200 mm.故可以計算吊桶對轉(zhuǎn)軸的力矩為：

Mn=2×103×200

其中抗扭矩截面模量Wn=πD3/16，D為圓軸直徑。

故所以旋轉(zhuǎn)圓軸直徑選擇為70mm.

2.5 剛度的校核

該軸的剛度

根據(jù)《機械設(shè)計手冊》查得，精度要求不高的傳動軸單位長度扭轉(zhuǎn)角的許用θ的值一般為1~2.5.（°/m）.

故該軸的剛度在1~2.5.（°/m）之間，能夠滿足設(shè)計要求。

2.6 軸的尺寸確定

為了將吊桶放在圓軸上，圓軸的中間必須設(shè)計成矩形截面。對于兩端自由的矩形桿來說，截面的翹曲不受限制，相鄰截面的翹曲程度相同，它們的間距和縱向直線長度并未變化。因此截面上沒有正應(yīng)力，只有剪應(yīng)力，這種扭轉(zhuǎn)稱為自由扭轉(zhuǎn)。其最大剪應(yīng)力發(fā)生在長邊中點處，其值為τmax=Mn/ahb2

矩形截面尺寸h=100mm，b=50 mm，從《材料力學(xué)》矩形截面桿扭轉(zhuǎn)時的系數(shù)表中查得a=0.246.

H，b越大，τmax越小，故矩形截面尺寸h=100 mm，b=50 mm滿足強度條件。

3吊桶的定位分析

吊桶隨吊繩落在在十字架平臺的座鉤上，通過自身重力與十字架平臺接觸產(chǎn)生的摩擦力及座鉤的定位作用，而與十字架平臺組成一個整體。吊桶的垂直中心線偏離十字架轉(zhuǎn)軸中心線200 mm，導(dǎo)致吊桶沿十字架轉(zhuǎn)軸軸線翻轉(zhuǎn)。

為了保證吊桶能夠自由正確翻轉(zhuǎn)，就必須限制吊桶的自由度。應(yīng)用“六點定位規(guī)則”來分析吊桶定位，把吊桶和十字架梁組成的結(jié)合體視為不產(chǎn)生變形的剛體，同時將其視為幾何要素及幾何關(guān)系（即不存在任何誤差）幾何體，其實際存在的誤差或可能產(chǎn)生的變形已經(jīng)在工件設(shè)計時考慮。分析如下：

吊桶其受力方向如圖2所示。

圖2 吊桶在座鉤上的定位分析圖

十字架的軸承座及軸臺—限制X向轉(zhuǎn)動自由度，Z移動自由度；十字架軸及座鉤—限制X向移動自由度；吊桶和十字架的結(jié)合之間的摩擦力，加上軸承座的支撐力，以及座鉤的定位作用—限制Y向移動和轉(zhuǎn)動自由度。這樣，吊桶隨十字架轉(zhuǎn)軸在沿Z轉(zhuǎn)動自由度方向，作翻矸運動，其他方向的自由度都被限制，從而滿足將礦渣倒入溜槽的工藝要求。該裝置的實際應(yīng)用如圖3所示。

圖3 該裝置的實際應(yīng)用圖

4結(jié)束語

巷道的掘進的裝渣和出渣是最繁重、最費工時的工序，是決定豎井施工速度的主要因素。本文設(shè)計了座鉤式自動翻矸工藝裝備。該座鉤式自動翻矸工藝裝備的結(jié)構(gòu)設(shè)計，簡單、明了、適用。它在不憑借外力作用條件下，通過自身的重量實現(xiàn)了翻矸，很好的解決了這個單調(diào)繁重的問題。

[1]李慶壽.機床夾具設(shè)計[M].北京：機械工業(yè)出版社，1982：12-13.

[2]電機工程手冊編輯委員會.機械工程手冊[M].北京：機械工業(yè)出版社，1997.

[3]潘震蒼.機械原理[M].北京：高等教育出版社，1989：76.

[4]金家楨.材料力學(xué)[M].北京：高等教育出版社，1989：24-26，93，99，102.

[5]趙興東.井巷工程[M].北京：冶金工業(yè)出版社，2012：243.

A Hook Type Automatic Equipmentof Coaland Gangue Process Design

CHEN Ping-yang
（Staryu Construction Engineering Supervision Co.，Ltd.Wuhan Hubei430070，China）

Using a hook type automatic turning device design process waste slag in the roadway，installed in tunneling and slag process，can improve the loading rock work，achieved without the aid of external power supply under the condition of automatic reversing slag bucket，raise the level of the machinery,thus speeding up the tunneling speed，improve work efficiency and the level of construction technology，greatly reduce the roadway and shaft construction in themost onerous,strength is themost time-consuming process，saving labor costs.

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TD262

A

1672-545X（2016）12-0090-03

2016-09-07

程平陽（1968-），男，湖北鄂州人，本科，機械高級工程師，全國注冊監(jiān)理工程師，總監(jiān)理工程師，研究方向：機械工藝制造。