可摘掛抱索器的改造及應用

楊栓栓

目前，大斗溝礦使用的RJY90/25/1800型索車，索車巷全長1 720 m，共計使用的可摘掛抱索器有208個，備品30個。礦上使用的索車是2005年安裝使用的，運行服務年限長，有些安全方面標準達不到國家煤安辦的規定，所以在2014我單位不斷對其進行改造，加裝了各種相關的保護，并在2017年對機頭部分進行了徹底更換；但座椅和抱索器一直使用可摘掛式結構。參照國家煤安辦GB50127-2007中7.1.3條第7款規定，抱索器的內、外抱卡應采用優質合金鋼，不得采用鑄造方法制造。而在大斗溝礦使用的過程中發現，有些產品依然采用整體鑄造，再進行后續的機加工處理，這樣處理過的抱索器外觀看起來更整潔，難以分辨抱索器是否采用鍛造工藝生產。為此，決定對抱索器進行改造處理，一來可以保證作業安全可靠，二來節省成本，改造方案確定采用分體式結構取代原結構，本文主要對改造后抱索器的結構設計、工作原理、應用情況等進行簡述。

1 改造前的可摘掛抱索器的工作原理

改造前的可摘掛抱索器又可以稱為整體式重力自鎖抱索器，簡單的可以分為底座，上、下卡片，定位銷幾部分，具體結構如圖1所示；它是在人和座椅的自身重力作用下，上、下卡片在鋼絲繩上形成作用力和反作用力，這對作用力和反作用力將抱索器同鋼絲繩緊緊的抱成一體，從而達到自鎖的目的。具體操作如圖2所示，下井人員拿上座椅，將卡口插入運行的鋼絲繩上，在重力作用下，底座旋轉90度，呈c字型上卡片會因重力作用掛在鋼絲繩上形成作用力，呈c字型的下卡片會在反作用力的作用下卡在鋼絲繩的下面，即在重力方向上，上、下卡片利用重力和鋼絲繩的張力同鋼絲繩抱緊從而達到自鎖的目的。

圖1 改造前的可摘掛抱索器

圖2 結構操作

2 可摘掛抱索改造的原因

改造前的可摘掛抱索是整體式結構，卡片是有弧度的上下內錯結構，不適宜采用機加工生產；生產廠家為節省成本基本上都采用鑄造工藝，而不會選擇鍛造工藝。模鍛抱索器屬于精鍛件，這對生產廠家的技術水平和生產設備的要求較高，每生產一批可摘掛抱索器都需要一整套模具（6個模具），模具本身的生產成本就很高；加之，鍛件本身毛坯成型后就很難進行脫模處理，生產廠家需要成熟的技術，因此生產廠家一般對生產量有嚴格的要求，單個生產任務普通都是1 000件起生產；另外，可摘掛抱索器卡片的邊緣應是光滑的，所以每個抱索器都需要進行切邊處理，整個過程不僅費時，還費生產成本。這樣以來，生產廠家一般都會選擇鑄造生產；或對卡片進行壓制，后焊接在主體底座上。這兩種工藝的生產成本都很低，生產出來的抱索器質量也一般，抱索器常因生產質量問題需進行更換。下面是我礦根據2016—2017年可摘掛抱索器易發生的故障及原因所列的一份統計（見表1）：

表1 故障原因統計

從可摘掛抱索器的故障發生率來看，主要是卡片斷裂和卡片邊緣磨損；故此次改造將不在采用傳統的一體式結構，而要把卡片獨立分開，改造成一種簡單的、維修方便的、節約成本的可拆卸式結構。

3 可摘掛抱索器的改造

改造后的可摘掛抱索器主要分為：基礎底座，上、下卡片，卡片定位銷等三部分，下面將從結構方面簡單的說明這三部分的作用。具體改造后的可摘掛抱索器的三維圖如圖3所示：

圖3 抱索器的三維圖

3.1 基礎底座

可摘掛抱索器的底座是主要的承力部件，基礎底座在材質選用、受力分析及結構尺寸方面的設計，直接關系到可摘掛抱索器整體的安全性、可靠性及使用壽命等。材料方面，可摘掛抱索器選擇煤礦上常用的優質合金鋼(20CrMnTi),或者選擇部分底座完好的舊抱索器底座（鍛造生產)，這樣可以很好地保證抱索器的強度、硬度、耐磨性。結構方面，此次改造中增加了支撐部位的高度25 mm（如圖4），這個高度是根據標準件螺栓（M12，L60）、螺母和底座高度決定的，通過增加支撐部分的高度可以增大螺栓的支撐面積，進一步加大了螺栓的使用壽命。基礎底座的選取煤礦常用的15 mm厚的鋼板，或選用完好的舊的12 mm厚抱索器底座。底座其它方面的結構尺寸如圖4所示，具體三維結構圖如圖5所示：

圖4 底座加工尺寸

圖5 底座三維結構

3.2 卡片

改造前的可摘掛抱索器常因卡片邊緣磨損、變形、斷裂而報廢，故卡片在抱索器中的作用地位很重要。此次改造中也主要針對卡片進行了深度地改造。

首先，材料方面依然選用優質合金鋼。因為卡片會和鋼絲繩接觸，在考慮材質方面，不單單需要考慮強度、硬度，更需要把材料的韌性、耐磨性考慮進來，綜合各方面因素，在材料方面依然選用礦上常見的20CrMnTi。

其次，在結構設計方面，把單一的整體結構改為可拆解式結構，一旦哪個卡片出現過度磨損，便可單一地拆換卡片，不需要整體報廢。每一個卡片分別相應地做了焊接卡槽，用來插入橡膠，橡膠在卡片上不僅可以增大抱索力，而且還能延長卡片的壽命。為了避免因人為破壞而造成卡片的角度偏移，在每一個卡片上分別開了定位槽；當卡片安裝在底座上，底座上的定位銷會插入定位槽內，限制了卡片旋轉的自由度，起到了防偏移的目的。具體卡片的加工尺寸圖（上卡片）如圖6，下卡片的寬度在尺寸上大上卡片一倍，其它方向的加工尺寸和上卡片一致，具體卡片的三維結構圖如圖7所示：

圖6 上卡片加工尺寸

圖7 卡片三維結構

最后，在尺寸方面（如上圖），改造前的抱索器上、下卡片的寬度是一樣的，但通過杠桿原理可知：

注解：F上是上卡片在鋼絲繩上的作用力，L上是上卡片的作用力力臂，F下是下卡片在鋼絲繩上的反作用力，L下是下卡片的反作用力力臂，上、下卡片如圖3所示。

從整體三維結構圖可以看出，L上基本是整個底座的長度，而 L下基本是底座長度的一半，從上面的公式中可以發現，F下≈2F上，為了減少F下，可以把下卡片的寬度增大一倍，這樣不僅可以通過減少F下而減少鋼絲繩的變形，還能使卡片通過托繩輪時降低顛簸感。另外需要注意的一點，卡片在加工和安裝過程中，要注意卡片內橡膠所形成的圓要比鋼絲繩的直徑略大一點（1.1D鋼＜D圓＜1.3D鋼），D鋼、D圓如圖8所示：

圖8 抱索器結構

3.3 定位銷

改造后的可摘掛抱索器結構中多了兩個定位銷，這兩個定位銷的作用是限制卡片的旋轉自由度?？ㄆ趯嶋H工作中是不會發生旋轉的，從圖2可以看出，在重力的作用下，卡片同鋼絲繩呈自鎖狀態；但當人員坐完座椅，從鋼絲繩上摘下座椅往巷道邊或巷道邊的掛桿上放置時，若放置不到位，卡片會接觸其他物體，會處在一個受力狀態，一旦卡片受力，便會有繞螺栓旋轉的趨勢，為防止卡片旋轉設計了定位銷這樣的結構。因為座椅放置的狀態不同，卡片的受力大小也不同，若處于座椅整體的重量（9 Kg-11 Kg)都加裝在卡片上,定位銷所受到的剪切力最大為110 N，實際使用過程中定位銷的受力范圍（0 N-110 N)；所以在材料方面選擇方面很廣泛，此次選用20CrMnTi優質合金鋼。尺寸方面，需要注意它的直徑和高度。直徑的范圍可根據材料力學中的剪切力公式,(F為剪切力，S為橫截面積，σ為材料的屈服強度，其中20CrMnTi優質合金鋼的屈服強度取材料商提供的92 MPa）通過計算定位銷的直徑范圍為0-8 mm,本次改造中的定位銷直徑為8 mm。定位銷在高度方面必需要保證定位銷的高度要高于安裝后卡片高度，從圖4和圖6可知，安裝后卡片的高度為32 mm，為了便于加工和安裝，取定位銷的高度為40 mm.

4 可摘掛抱索器實際改造的效果

大斗溝煤業公司從2017年1月計劃加工生產，到2月份成功加工出生產了20個底座，40個卡片。通過組裝共生產了20個可摘掛抱索器樣品，通過3個月的試運行，成功運用在410巷道的索車上。在3個月試運行中，我單位進行了實驗跟蹤記錄，共更換橡膠47個，卡片16個，底座3個；而這三個月內在410巷道的索車上更換了改造前的抱索器67個，通過數據的對比結果，我們非常滿意此次的改造成績。具體改造后所帶來的實際效果如下：

（一）改造后的抱索器雖然不是整體結構，但操作起來非常方便。索車維修工在實踐操作中只要觀察抱索器的卡片磨損量是否超過規定的磨損量，一旦磨損嚴重時，不需要取下索頭，只需更換磨損嚴重的卡片即可，操作非常方便。

（二）改造前的抱索器一旦出現卡片的過度磨損，就必須整體更換抱索器，一個可摘掛抱索器的價格近百元。通過此次改造，配件材料都選用礦上常用的鋼材，具體加工由礦上機電科獨立完成，所投入的資金很少；在使用過程中，改造后的可摘掛抱索器運行很好，整體報廢率基本為零，生產出的報廢配件主要是橡膠和卡片，后期維修成本也很低。

5 結論

大斗溝礦從2017年1月試加工生產改造后的可摘掛抱索器，4月成功運用在410巷道索車；到目前為止，已經投入使用了一年的時間。通過這一年時間的成果運用，改造后的可摘掛抱索器成功的解決了成本問題、供貨問題、維修及操作問題；相比改造前的抱索器，改造后的抱索器使用壽命更高，因為改造可摘掛抱索器實現了抱索器由整體結構變為可拆解的結構，這樣能充分發揮好加工的每個配件的最大利用率，從而達到了維修方便，使用成本更低的實際效果。

[1]楊可楨，程光蘊，李仲生主表.機械設計基礎.北京：高等教育出版社，2006.

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