雙臂錨桿鉆車自動卷纜裝置設計*

仇衛建

(中國煤炭科工集團 太原研究院有限公司,山西 太原 030006)

0 引言

雙臂錨索錨桿鉆車是履帶式全液壓兩臂錨桿鉆車，該鉆車靈活機動，可以從掘進機或連采機錯車進入空頂區域進行錨護作業，能夠實現斷面內頂板和側幫全部錨桿的支護作業，每個作業循環就需要鉆車與掘進機或連采機前進或后退錯車兩次，錯車期間需要有專人進行電纜的收放工作，長期的人員和設備交叉作業，人工勞動強度大，且存在較大的安全隱患。為此我們開發了一款車載自動卷電纜裝置，該裝置具有高度集成、體積小、安裝檢修方便，配備自動排纜裝置和滿纜保護裝置，具有自動收、放電纜和功能，實現了煤礦井下移動設備電纜的無人化管理，作業效率顯著提高。本文主要介紹了自動卷纜裝置的結構形式，以及設計過程。

1 總體布置

自動卷纜裝置主要由卷纜倉、卷纜滾筒、排纜裝置、滿纜保護裝置、電纜導向輥輪和卷纜馬達組成，如圖1所示。

卷纜裝置傳動圖見圖2。卷纜馬達經一級鏈輪減速，帶動卷纜滾筒卷纜。卷纜滾筒內裝集電環，經空心軸與移動設備上的配電系統接通，空心軸固定不動，卷筒借助軸承在空心軸上旋轉。電纜卷筒側面的小鏈輪經過二級傳動鏈條帶動排纜裝置的螺旋軸轉動，通過排纜器帶動電纜左右移動，實現自動排纜，卷纜馬達轉速的高低隨車速的變化而變化，從而實現電纜的自動收放[2]。電纜導輥是為了減小電纜的收放阻力。滿纜保護裝置的作用是防止電纜纏繞到要求層數，觸發急停按鈕，使整機停機。

圖1 總體布置

圖2 傳動圖

2 設計計算

2.1 電纜截面選擇

已知標定功率時，電纜截面面積可按式(1)計算。

(1)

式中：U為交流三相中兩主相之間電壓，U=380 V；μ為整個電纜長度兩端壓降，μ=0.5%Uv；P為輸出功率，P=37 kW；γ為導電率，銅芯取56 m/Ω·mm2；l為電纜長度，接線盒至電機的電纜長度，l按設計值150 m估算。

按式(1)推倒計算可知電纜截面面積A=13.7 mm2。選取電纜型號為UCP3×16+1×10的雙臂錨桿鉆車電纜。

2.2 電纜張力計算

雙臂錨桿鉆車的電纜懸垂與受力情況如圖3所示，以電纜與地面相切點為坐標原點，電纜懸垂部分為研究對象，則在托輥處電纜所受張力為T，懸掛部分電纜自重為G。

(2)

式中：ρ為電纜單位長度的重量，ρ=15.45 N/m；S為懸掛部分長度，m。

(3)

式中：x為托輥距地面的水平距離，x=1.04 m；h為托輥距地面的水平距離，h=0.64 m。

按式(2)與式(3)[1]推導計算電纜懸掛部分長度S=1.34 m,張力T=26 N。

圖3 張力簡圖

2.3 電纜容量

電纜滾筒上可能纏繞的電纜總長度L，即卷筒的最大容纜量為：

L=πmn(2R+nd)

(4)

m=B/d

(5)

n=(Rmax-R)/d

(6)

式中：m為每層電纜圈數；B為卷筒內部寬度，B=485 mm；n為電纜層數；R為卷筒半徑，R=240 mm；d為電纜外徑，d=34.4 mm；Rmax為卷筒纏繞電纜時的最大半徑，Rmax=425 mm。

按式(4)、式(5)、式(6)推導計算，L=158 m，滿足設計要求。

2.4 排纜裝置設計

排纜裝置結構如圖4所示，螺旋軸上帶有兩端閉合正反、雙向螺旋溝槽，螺旋溝槽內設置一個滑塊，當鏈輪帶動螺旋軸轉動時，帶動槽內滑塊左右移動，從而使電纜導向架與電纜在電纜滾筒上同步有序地整齊排列。

排纜裝置的設計原則是保證滑塊在螺旋軸上的移動速度恰好等于電纜在卷筒上的排纜速度。

(7)

式中：tb為螺旋軸的螺距，tb=35 mm；d為電纜的外徑，d=34.4 mm；nR為滾筒轉速，r/min；nb為螺旋軸轉速，r/min；Z2為螺旋軸鏈輪齒數；Z1為滾筒小鏈輪齒數，Z1=13；x為修正值。

圖4 總體布置

由于B/d=485/34.4=14.09，可知修正系數x=(14.09-14)×34.4÷14=0.22，帶入式(7)計算結果Z2=13.14，取整Z2=13齒。

排纜機構設計時還必須保證電纜排到滾筒邊緣最后一圈時，滑塊恰好反向移動，因此必須滿足滾筒內部寬度B與螺旋軸兩端槽中心的長度L相匹配。即L=B-d-x。

3 系統原理

如圖5所示為自動卷纜裝置系統的液壓原理圖，其主要元件有二位三通液控換向閥、二位四通液控換向閥、溢流閥a、溢流閥b、卷纜馬達、先導控制手柄、梭閥、油箱[3]。其工作過程為：雙臂錨桿鉆車前進時信號油源將二位三通液控換向閥切換至右側位置，切斷供油2，鉆車行走時依靠電纜張力將電纜從滾筒內拖出，溢流閥b可根據現場情況調整壓力值，調節電纜張力；鉆車后退時二位三通液控換向閥復位，信號油源將二位四通液控換向閥切換至右側位置，供油2驅動馬達旋轉帶動卷纜滾筒自動收縮電纜，調節供油2液流大小來實現與機器同步；手動收電纜時，操縱先導控制手柄，將二位四通液控換向閥切換至右側位置，供油2驅動馬達旋轉帶動卷纜滾筒自動收縮電纜；如果先導控制手柄誤操作的時候，系統壓力升高，溢流閥a開啟溢流，起到對系統保護的作用，前提是溢流閥a的設定壓力要大于溢流閥b的調定壓力。

1-二位三通液控換向閥;2-二位四通液控換向閥;3-溢流閥a;4-溢流閥b;5-卷纜馬達;6-先導控制手柄;7-梭閥;8-油箱。

4 結論

礦用集成式自動卷電纜裝置具體采用液壓傳動方式，具有同步性能好，利用液流大小來實現與機器同步，操作方便，收放時拉力可以調節，易于自控和維修等諸多優點，廣泛配套在兩臂錨桿鉆車上，應用在內蒙古、山東、山西和新疆等礦區，現場使用效果較好，鉆車行走自動放電纜，后退自動收電纜，實現了鉆車電纜的自動化和無人化管理，得到用戶一致好評。