礦用運(yùn)輸絞車自動(dòng)排繩裝置的設(shè)計(jì)與研究

趙俊波

（潞安集團(tuán)司馬煤業(yè)有限公司，山西 長(zhǎng)治 047105）

礦用運(yùn)輸絞車是井下主要運(yùn)輸設(shè)備，絞車鋼絲繩排繩混亂，堆繩、咬繩時(shí)常發(fā)生，使得絞車沖擊大，對(duì)鋼絲繩產(chǎn)生塑性形變，容易發(fā)生斷繩事故。本文針對(duì)司馬煤礦1211工作面采用的SDJ-20絞車，對(duì)鋼絲繩運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行了分析，設(shè)計(jì)了絞車電磁離合式自動(dòng)排繩裝置，對(duì)其工作原理和組件選型進(jìn)行了分析，實(shí)現(xiàn)礦用絞車鋼絲繩的自動(dòng)排列。

1 滾筒鋼絲繩自動(dòng)排繩分析

1.1 鋼絲繩螺旋運(yùn)動(dòng)

鋼絲繩繞滾筒運(yùn)行過(guò)程中，滾筒寬度有限，使得鋼絲繩需要在滾筒纏繞多層，采用螺旋運(yùn)動(dòng)方式纏繞可使其均勻排列，這種排列方式要求鋼絲繩纏繞方向與滾筒存在一定角度，此傾角對(duì)于鋼絲繩排列情況影響較大。

1.2 滾筒鋼絲繩運(yùn)動(dòng)分析

根據(jù)絞車軌跡，滾筒上鋼絲繩為螺旋線形狀軌跡，將一段滾筒鋼絲繩展開后獲得螺旋三角形如圖1所示。鋼絲繩運(yùn)行過(guò)程中軸向分量和徑向分量符合此三角形規(guī)律。鋼絲繩徑向分量應(yīng)超過(guò)層摩擦張力、驅(qū)動(dòng)力和彎曲力總和。鋼絲繩工作時(shí)入繩角度會(huì)不穩(wěn)定，只有符合三角形規(guī)律時(shí)合力垂直母線，才能避免擠壓、堆繩情況的發(fā)生。所以可人工對(duì)鋼絲繩施加力矩，使鋼絲繩滿足三角形規(guī)律，每纏繞一圈后排繩裝置軸向平移一定距離維持排列的均勻程度。

圖1 鋼絲繩展開的螺旋線三角形

鋼絲繩運(yùn)動(dòng)過(guò)程中螺旋升角可通過(guò)公式計(jì)算，速度和張緊力滿足三角形規(guī)則，表達(dá)式如下：

式中：

d-鋼絲繩直徑；

Dn-滾筒纏繞半徑；

Vr-鋼絲繩速度徑向分量；

VL-鋼絲繩速度軸向分量；

Fr-鋼絲繩受張力的徑向分量；

FL-鋼絲繩受張力的軸向分量。

2 自動(dòng)排繩設(shè)計(jì)

機(jī)械式排繩裝置是利用專用機(jī)構(gòu)使鋼絲繩每繞一圈橫移一步，排滿后反向橫移。常用機(jī)械式排繩包括凸輪、絲杠和液壓排繩機(jī)構(gòu)。凸輪排繩機(jī)構(gòu)通過(guò)凸輪帶動(dòng)夾繩裝置往復(fù)運(yùn)動(dòng)，其成本較低，但磨損精度不容易控制，使得排繩效果降低；絲杠排繩機(jī)構(gòu)利用雙向絲杠實(shí)現(xiàn)排繩，排繩效果好，但對(duì)組件加工精度要求高；液壓排繩機(jī)構(gòu)是控制比例閥開度來(lái)實(shí)現(xiàn)鋼絲繩排列，系統(tǒng)體積大，應(yīng)用不便。三種傳統(tǒng)排繩裝置結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

基于傳統(tǒng)排繩機(jī)構(gòu)的缺點(diǎn)，本文提出了新型電磁離合器式排繩機(jī)構(gòu)，綜合機(jī)械電氣等優(yōu)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)排繩控制。將夾繩機(jī)構(gòu)與鋼絲繩卷筒水平，鋼絲經(jīng)過(guò)夾繩機(jī)構(gòu)后纏入滾筒，拉緊了鋼絲繩從而減小了鋼絲繩上摩損。通過(guò)控制齒輪機(jī)構(gòu)傳動(dòng)比來(lái)保證鋼絲繩橫移距離，電磁離合器用于控制左右換向。

2.1 自動(dòng)排繩原理

此自動(dòng)排繩裝置組件包括夾繩器、絲杠、導(dǎo)軌、電磁離合器和減速器等，其工作原理如圖3所示。夾繩裝置裝在絲杠上，轉(zhuǎn)動(dòng)絲杠依靠電磁離合器連接減速齒輪，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)與滾筒齒輪的連接，絲杠兩端設(shè)計(jì)限位開關(guān)。滾筒轉(zhuǎn)動(dòng)后，齒輪負(fù)責(zé)傳遞轉(zhuǎn)矩，左右電磁離合器負(fù)責(zé)接通給絲杠，假如左側(cè)離合器結(jié)合右側(cè)分離，那么左側(cè)轉(zhuǎn)矩傳給絲杠使絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)，夾繩機(jī)構(gòu)向右水平移動(dòng)，到達(dá)右側(cè)后限位開關(guān)結(jié)合右側(cè)離合器并分離左側(cè)離合器，實(shí)現(xiàn)夾繩裝置的反向平移。

夾緊裝置的水平換向是依靠電磁離合器得、失電實(shí)現(xiàn)，換向原理如圖4所示。限位開關(guān)4被按下，K2觸點(diǎn)閉合，使得電磁離合器5結(jié)合，螺桿連接齒輪轉(zhuǎn)矩，排繩滑輪右移，到達(dá)右端后觸發(fā)限位板3，使換向?qū)U2向右移動(dòng)，限位開關(guān)K1觸點(diǎn)結(jié)合，4開關(guān)被抽出，K2分離，斷開電磁離合器5，接通電磁離合器9，螺桿實(shí)現(xiàn)反轉(zhuǎn)，使排繩裝置返回左端，由此完成了換向。

圖3 自動(dòng)排繩裝置工作原理

2.2 排繩系統(tǒng)部件選型

（1）電磁離合器選型

電磁離合器選型應(yīng)計(jì)算動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩、負(fù)載轉(zhuǎn)矩，動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩可根據(jù)其加速和減速的時(shí)間以及制動(dòng)部分轉(zhuǎn)動(dòng)慣量來(lái)確定，計(jì)算公式為：

式中：

t-機(jī)械連接時(shí)間；

t1-轉(zhuǎn)矩增大的時(shí)間；

J-制動(dòng)部分轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；

n-旋轉(zhuǎn)體轉(zhuǎn)速。

負(fù)載轉(zhuǎn)矩是從動(dòng)側(cè)轉(zhuǎn)矩，通過(guò)測(cè)量計(jì)算求得，可用旋轉(zhuǎn)力與力臂乘積計(jì)算出。額定轉(zhuǎn)矩的計(jì)算應(yīng)考慮安全系數(shù)，一般安全系數(shù)大于2。通過(guò)計(jì)算絲杠與夾繩機(jī)構(gòu)摩擦力、鋼絲繩壓力，根據(jù)電磁離合器額定轉(zhuǎn)矩，最終本文選取DLY0-16/16A牙嵌式離合器。

圖4 夾繩裝置換向原理

（2）限位開關(guān)選型

根據(jù)本文研究的絞車工作環(huán)境及要求，選取AL-DB206BD00型保持型重載限位開關(guān)，可實(shí)現(xiàn)體積小、可靠度高、耐沖擊等性能要求。

綜合選型后將此自動(dòng)排繩裝置進(jìn)行試驗(yàn)對(duì)比，通過(guò)實(shí)地應(yīng)用，結(jié)果顯示此排繩裝置能夠整齊將鋼絲繩排列，亂繩現(xiàn)象明顯降低，保護(hù)了鋼絲繩的使用。

3 結(jié)論

本文針對(duì)傳統(tǒng)礦用運(yùn)輸絞車工作過(guò)程中鋼絲繩容易出現(xiàn)堆繩、混亂等問(wèn)題，對(duì)滾筒運(yùn)行過(guò)程進(jìn)行了分析，設(shè)計(jì)完成了新型自動(dòng)排繩裝置，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用表明自動(dòng)排繩裝置解決了運(yùn)輸絞車排繩亂、堆繩、咬繩問(wèn)題，降低了鋼絲繩的損失率，提高了礦井運(yùn)輸安全程度，提高了煤礦生產(chǎn)可靠水平。