一種新型垂直重錘拉緊裝置防墜器的設計

劉志鵬 楊敏 李成立

摘要：指出了垂直重錘拉緊裝置在帶式輸送機中有著廣泛的應用，近年來隨著重錘高度不斷加高，為了防止重錘在緊急情況下下墜沖擊樓板，拉緊防墜裝置開始得到應用。對幾種重錘拉緊裝置防墜裝置進行了分析，并提出了一種新型重錘拉緊防墜裝置的設計方案。以供參考。

關鍵詞：帶式輸送機;垂直重錘拉緊;防墜

中圖分類號：TD528 文獻標識碼：A 文章編號：1674-9944（2019）22-0216-03

1 概述

拉緊裝置是保證帶式輸送機正常運轉必不可少的重要部件，中部重錘式拉緊裝置是結構簡單、應用最廣泛的拉緊裝置，近年來隨著帶式輸送機向著大帶寬、高帶速、大運量方向發展，許多重錘箱的質量往往有幾頓甚至十幾噸。懸掛高度一般為幾米高，甚至十幾米高。由于膠帶機高負荷運轉和一些意外因素，如金屬物卡阻膠帶，會造成膠帶的突然斷裂，重錘如布置在室內，此時將直接下落沖擊樓板或基礎，極有可能導致樓板塌陷，并威脅到現場人員的安全，造成不可挽回的損失，后果極其嚴重。因此重錘拉緊防墜裝置開始得到應用，本文試對幾種重錘拉緊裝置進行分析[1～5]，并設計一種新型重錘拉緊防墜裝置。

2 現有重錘拉緊裝置分析

目前筆者了解到的重錘緩沖裝置共兩種，一種是在重錘拉緊裝置下設置彈簧組，二是如文獻[1]中所記載的依靠橫拉鋼絲繩進行緩沖的柔性重錘緩沖裝置。根據能量守恒定理及胡克定理，重錘箱從一定高度下落到一個彈性體上，公式為：

式（1）中：m為重錘箱的質量;h為重錘箱到地面距離;x為緩沖距離;k為彈性系統的彈性系數。

當采用重錘拉緊裝置下設置彈簧組的緩沖方法時，重錘碰撞緩沖裝置，緩沖裝置產生對重錘的阻力使其減速，同時由于作用力和反作用力的原理，彈簧組亦對地面產生了作用力。公式為：

F=mv/t（2）

式（2）中：m為重錘箱的質量;二為重錘箱與重錘接觸的速度;t為接觸的時間。

此時，希望彈簧組對地面產生了作用力要盡量小，即F要盡量小而mv已經固定，唯一的辦法就是要加長接觸時間，即延長彈簧組的長度，在重錘較重，較高的時候彈簧要做的很長才有實際的效果。

文獻[1]中所記載的依靠橫拉鋼絲繩進行緩沖的柔性重錘緩沖裝置，當發生重錘箱下落事故時，重錘箱直接落到編成網狀的鋼絲繩網上，由于鋼絲繩的兩端固定在裝有扭簧的擺臂上，隨著重物的下落，鋼絲繩拉動兩側擺臂使其繞心軸轉動，擺臂牽引雙扭彈簧發生扭轉變形，從而吸收能量達到緩沖目的。其主要目的在于錘箱下落的大部分沖力轉換為橫向力。從而使得下方樓板不受沖擊。

鋼絲繩所受最大橫向沖擊力為：

F=kx（3）

其中k根據文獻一計算方法為：

式（4）中，D為彈簧中徑;x為扭轉彈簧的剛度;n為彈簧有效圈數;E為彈性材料的彈性模量;l₁、l₂為扭臂長度;d為材料直徑。

可見彈簧k值與E值成正比，但由于此種方式只能放下相對的兩組扭簧，扭簧的數量是有限的且扭簧的扭轉角相當于式（3）中的X值不會很大，在重錘較重，較高的時候扭簧的剛度要很大，目前用于扭簧的制作材料，似乎無法提供所需要的彈性模量，因此這種緩沖裝置在實際應用中有機體本身損壞的可能。

綜上所述，在重錘下落已經快到地面時再進行緩沖的辦法，由于重錘具有的能量很大，應當不是一種好方法。唯有在重錘發生意外的瞬間即完成對重錘的抱死，才具有更高的成功率，才能避免下層樓板被砸壞的危險。

3 速差防墜器原理介紹

圖1所示的速差防墜器是利用物體下墜速度差進行自控，高掛低用。使用時將鋼絲繩上的鐵鉤掛人重物即可使用。正常使用時，安全鋼絲繩將隨重物自由伸縮。在器內機構作用下，處半緊張狀態，重物可自由上下運動不受限制。萬一發生意外墜落，安全繩拉出速度明顯加快，器內鎖止系統即自動鎖止。使安全繩拉出距離不超過0.2m，即完成了對重物的抱死。在下墜負荷解除即自動恢復工作。此種防墜器在下落瞬間即完成了對重物的抱死，使得承擔的垂直力小，且已經是成熟產品，廣泛應用于人員高空作業、電梯等的安全防護工作。

4 新型重錘拉緊防墜裝置設計簡述

圖2所示的新型重錘拉緊防墜裝置，包括固定底座100安裝在垂直重錘拉緊裝置上層樓面上。

件200是速差防墜器，在底座上一邊各有一個。其一端連接在底座上，其本身外殼亦與底座固結，其另一端即是引出的鋼絲繩件700（圖3）。速差防墜裝置內有棘輪，起到了超速抱死的功能。

件300是扭簧及其支座，圖3一端采用了兩個扭簧，一套系統上共4個扭簧，件600是一根穿過扭簧的鋼管，其存在的目的是保證一端的兩個扭簧動作同步。

當新型重錘拉緊防墜裝置不工作時，鋼絲繩500在兩側扭簧力的作用下保持水平同時兩根件500之間有一個固結的環件400，兩根件700鋼絲繩分別穿過件400連接到重錘上，在兩根件500作用下，鋼絲繩700上部亦保持水平。當膠帶發生斷裂，重錘開始下墜，速差防墜器內的棘輪抱死，鋼絲繩不再伸長，連接扭簧的鋼絲繩500開始承重，扭簧被壓縮，水平鋼絲繩變得有一個角度（圖4），由于角度較小，整個系統主要只受相互抵消的兩個水平力，對其接觸的樓板的垂直作用力小。完成了重錘意外下墜時的安全保護。

5 新型重錘拉緊防墜裝置簡略計算

以下試對設計的新型重錘拉緊防墜裝置進行簡略計算，以文獻[2]手冊中1400mm帶寬帶式輸送機所用最重為63kN力重錘為例，根據式（4）：

筆者設計的重錘拉緊防墜裝置每套重錘需要采用兩套，每套每邊3組鋼絲繩，合每個扭簧受5.25kN的重錘重及其產生的下墜沖擊。設速差防墜器在下墜200mm后進行了抱死，抱死后，重錘下拉鋼絲繩又產生了200mm位移，那么根據式（1）：

由以上計算可知在采用常規鋼材的情況下，采用10mm粗的材料制造扭簧，應用于帶寬為1400mm的帶式輸送機垂直重錘拉緊裝置上方，由文獻[2]可知重錘開孔寬度為總1950mm，即單邊寬度為975mm。重錘被抱死后又下拉鋼絲繩產生的200mm位移，夾角為11.6°，這是一般扭簧能扭轉的角度，而此時從能量守恒定律上來看，系統仍有較大的冗余量。

參考文獻：

[1]王旭東，董慧鑫，李成軍.柔性重錘緩沖裝置[J].起重運輸機械，2008（12）：22～23.

[2]機械工業部北京起重運輸機械研究所.DTⅡ型固定式帶式輸送機設計選用手冊[M].北京：冶金工業出版社，1994.

[3]張尊敬.DTⅡ（A）型帶式輸送機設計選用手冊[M].北京：冶金工業出版社，2003.

[4]宋偉鋼.散狀物料帶式輸送機設計[M].沈陽：東北大學出版社，2000.

[5]宋偉鋼.通用帶式輸送機設計[M].北京：機械工業出版社，2006.

[6]聞邦椿.機械設計手冊[M].北京：機械工業出版社，2004.

收稿日期：2019-10-30

作者簡介：劉志鵬（1990-），男，助理工程師，主要從事帶式輸送機設計相關工作。