自動錨桿倉彈簧卡的設計及熱處理

張相超，高 蕾，王暉童

(兗州煤業(yè)股份有限公司 南屯煤礦，山東 濟寧 273500)

0 引言

隨著智能化浪潮在礦山領域的推廣，采掘機械的自動化智能化程度越來越高[1-3]。在井工巷道掘進領域，對全自動錨桿鉆車的關(guān)鍵機構(gòu)進行分析與設計研究，對降低設備的復雜性，提高智能設備的可靠性有著重要意義。本文介紹了一種用于某型全自動錨桿鉆車的自動錨桿倉[4]，詳細闡述了錨桿倉的關(guān)鍵部件U型彈簧卡組件的結(jié)構(gòu)設計及熱處理工藝。該U型彈簧卡組件可實現(xiàn)大容量錨桿快速固定及分離，將其應用到全自動錨桿支護系統(tǒng)中，可助力巷道支護作業(yè)的自動化。

1 自動錨桿倉結(jié)構(gòu)

自動錨桿倉一般集成于全自動錨桿鉆車整機系統(tǒng)中，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 自動錨桿倉結(jié)構(gòu)

自動錨桿倉由錨桿倉框架、輸送鏈條、限位機構(gòu)及相關(guān)的電液控制系統(tǒng)組成。輸送鏈條的外鏈節(jié)上帶有U型彈簧卡，可以將錨桿卡住。鏈條輸送系統(tǒng)采用單軸驅(qū)動上下兩組鏈輪同步運動，保持U型彈簧卡卡緊的錨桿直立運動，初始狀態(tài)時，通過人工先將錨桿安裝在輸送鏈條上，即由人力按壓錨桿至U型彈簧卡內(nèi)部。工作時，控制器發(fā)出指令1，令液壓馬達驅(qū)動輸送鏈條順時針轉(zhuǎn)動，鏈條帶動錨桿運動；當錨桿到達指定位置時，被限位機構(gòu)的限位塊卡住，使輸送鏈條不能自由運轉(zhuǎn)；液壓馬達憋壓，回路壓力升高，觸發(fā)錨桿到位的控制指令2；指令2驅(qū)動全自動錨桿鉆車的機械手取走錨桿，完成錨桿全自動支護功能；當錨桿被取走后，輸送鏈條的馬達壓力釋放，馬達繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，下一根錨桿在輸送鏈條的運動下到達機械手正前方時被限位機構(gòu)的楔形卡板阻擋。上述過程循環(huán)運轉(zhuǎn),直到倉內(nèi)錨桿用完。為錨桿倉補充錨桿時只需將錨桿塞進鏈條外鏈節(jié)的U型彈簧卡內(nèi)，逆時針撥動輸送鏈條，依次安裝每一根錨桿即可。限位機構(gòu)具有逆時針轉(zhuǎn)動放行、順時針轉(zhuǎn)動阻止的功能。

2 U型彈簧卡組件

自動錨桿倉的核心部件之一為輸送鏈條上的U型彈簧卡組件，由U型彈簧卡、橡膠輥、銷軸、限位塊和固定螺釘?shù)冉M成，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。多個U型彈簧卡組件通過螺釘固定在輸送鏈條上，其核心功能是實現(xiàn)錨桿的快速進入及分離。快速進入就要求該組件要有足夠的硬度及彈性，能把一根Φ22×2 200 mm的錨桿牢牢壓住的同時，還要求具有良好的彈性。快速分離就要求該組件在外力推送錨桿時能夠釋放錨桿。U型彈簧卡夾緊錨桿和釋放錨桿的過程中，要求變形量均在彈性范圍內(nèi)，不允許產(chǎn)生永久變形。這對彈簧卡的結(jié)構(gòu)設計和力學性能提出了很高的要求。

3 U型彈簧卡結(jié)構(gòu)設計

錨桿在外力F的作用下擠壓橡膠輥子，將外力F傳遞到U型彈簧卡的兩翼上，其受力分析如圖3所示。錨桿給橡膠輥的正壓力Ft可以分解為兩個分力，其中Ft1為令橡膠輥繞彈簧卡側(cè)翼根部逆時針旋轉(zhuǎn)的力，其力臂為L1；Ft2為令橡膠輥繞彈簧卡側(cè)翼根部順時針旋轉(zhuǎn)的力，其力臂為L2。為保證錨桿順利壓入，橡膠輥子間距D會變大，從而可以讓錨桿進入到其內(nèi)部。為此必須滿足：

Ft1·L1>Ft2·L2.

圖2 U型彈簧卡組件結(jié)構(gòu) 圖3 U型彈簧卡的受力分析

根據(jù)經(jīng)驗[5，6]，為避免彎曲加工時產(chǎn)生較大的應力，U型彈簧卡的彎曲半徑至少是板厚的5倍，甚至更多。為減少熱處理變形，提高成品質(zhì)量及可靠性，U型彈簧卡鈑金成型后(如圖4所示)進行450 ℃的退火去應力處理。

圖4 U型彈簧卡

4 U型彈簧卡材質(zhì)的選擇原則

U型彈簧卡要求彈性應變能大，也就是要求材料的彈性極限、屈服極限和屈強比要高，選用不同的彈簧材料和熱處理工藝對這些性能影響很大[7]。

可用的彈性材料種類繁多，如碳素彈簧鋼、低合金彈簧鋼及高強度彈簧鋼等，還有具有特殊性能的彈簧材料，如不銹耐酸彈簧鋼、耐熱彈簧鋼及合金(鎳基、鈦基及鈷基合金、高彈性高導電的銅基合金)，以及非金屬彈性材料，如橡膠、塑料、陶瓷及流體等。

考慮到U型彈簧卡使用量較大且工作環(huán)境比較惡劣，從提高可靠性及降低成本的角度出發(fā)，可以采用彈簧薄鋼板用來制造，有碳素鋼、低合金鋼及高合金鋼。由于狀態(tài)不同，彈簧鋼板可分為兩類，即退火鋼帶(硬度<200HV)和冷軋鋼帶。本次設計經(jīng)過彈力估算，選用厚度為2 mm的冷軋薄鋼板，材料為65Mn，供貨狀態(tài)一般為冷軋后經(jīng)再結(jié)晶退火，技術(shù)要求符合標準YB208。

5 彈簧卡的熱處理

彈簧卡失效的原因比較復雜，除了與設計、成形加工質(zhì)量、安裝和使用是否正確等有關(guān)外，選用的彈簧材料和熱處理是影響彈簧卡質(zhì)量的關(guān)鍵因素。

65Mn薄彈簧卡熱處理的目的在于充分發(fā)揮材料的潛力，使之達到或接近最佳的力學性能，從而保證彈簧卡在使用狀態(tài)下長期可靠工作。經(jīng)過實際使用及故障反饋后發(fā)現(xiàn)，U型彈簧卡的失效方式一般為氧化及表面脫碳導致的彈力不足。經(jīng)過金相分析后發(fā)現(xiàn)原因在于熱處理工藝使用的是普通空氣爐：首先工件在空氣爐830 ℃保溫30 min，其次空冷30 min，控制工件溫度在350 ℃左右;淬火后將工件用丙酮清洗干凈，再進行回火，回火90 min，控制溫度在400 ℃。由于工件很薄，淬火轉(zhuǎn)移時要迅速，過慢的話，將導致相變不徹底，硬度不夠。

文獻[8]介紹了一種更優(yōu)的熱處理工藝，采用真空爐來進行熱處理，熱處理工藝保持不變。為防止淬火加熱過程中U型彈簧卡氧化、脫碳，可將工件埋入小顆粒的碳粉中。相比于普通空氣爐，真空淬火的變形更小，輕微的變形可以通過夾具裝夾回火來加以矯正。

U型彈簧卡的彈性靠淬火來保證，由于結(jié)構(gòu)缺口尺寸變化較大，且存在打孔，淬火過程中材料急速降溫將會產(chǎn)生很大的應力集中[9]，截面變化越大的部位和越靠近孔的周圍應力集中現(xiàn)象越嚴重，從而使這些部位成為最易產(chǎn)生損壞的薄弱環(huán)節(jié)，為此，對U型彈簧卡結(jié)構(gòu)進行了改進。U型彈簧卡應力集中部位及改進后的結(jié)構(gòu)展開圖如圖5所示。

圖5 U型彈簧卡應力集中及改進結(jié)構(gòu)展開圖

U型彈簧卡是采用螺栓固定到輸送鏈條上的，當螺栓未緊牢固時，開孔處不僅存在應力集中，還承受松螺栓產(chǎn)生的交變載荷，更易產(chǎn)生損壞。因此，為了提高彈簧卡壽命，要求將固定部分緊牢固。

6 結(jié)語

介紹了某型全自動錨桿鉆車自動錨桿倉的工作原理，并詳細闡述了錨桿倉的關(guān)鍵部件U型彈簧卡組件的功能。該U型彈簧卡組件的使用降低了設備的復雜性，實現(xiàn)了大容量錨桿的快速固定及分離，將其應用到全自動錨桿支護系統(tǒng)中，可實現(xiàn)巷道支護作業(yè)的自動化。

隨后從選材、結(jié)構(gòu)設計及熱處理工藝等多維角度介紹了U型彈簧卡的結(jié)構(gòu)設計，從根本上保證了產(chǎn)品的質(zhì)量及可靠性，對其他礦山智能設備關(guān)鍵元部件的結(jié)構(gòu)設計有一定的借鑒作用。