新型礦用鉤頭的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

徐輝東，張宇菲，秦曉光，張魯魯，汪指南 ，武 杰(.中煤礦山建設(shè)集團(tuán)有限責(zé)任公司，安徽 合肥 00；.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)力學(xué)與建筑工程學(xué)院,北京 0008；.中煤第三建設(shè)集團(tuán)機(jī)電安裝工程有限責(zé)任公司，安徽 宿州 4000)

?

新型礦用鉤頭的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

徐輝東1，張宇菲2，秦曉光1，張魯魯3，汪指南3，武 杰3
(1.中煤礦山建設(shè)集團(tuán)有限責(zé)任公司，安徽 合肥 230022；2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)力學(xué)與建筑工程學(xué)院,北京 100083；3.中煤第三建設(shè)集團(tuán)機(jī)電安裝工程有限責(zé)任公司，安徽 宿州 234000)

文章主要介紹一種新型密封旋轉(zhuǎn)鉤頭。新型鉤頭采用吊鉤與緩轉(zhuǎn)體直接連接的結(jié)構(gòu)形式，可減少傳統(tǒng)鉤頭裝置的總高度與自重，密封性能得到提高。并且能很好的滿足6～8m3大容積吊桶的提升要求，可協(xié)同其他裝備，在大直徑超深立井施工中實(shí)現(xiàn)快速排矸、提高工作效率的目標(biāo)。文章主要從設(shè)計(jì)、計(jì)算及現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用等方面系統(tǒng)性的驗(yàn)證新型鉤頭的可靠性與實(shí)用性。

新型鉤頭；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；緩轉(zhuǎn)體；負(fù)荷試驗(yàn)；工程應(yīng)用

1 研究背景

大直徑深立井是我國(guó)礦井井筒施工的發(fā)展趨勢(shì)[1-3]。為實(shí)現(xiàn)快速排矸、提高施工效率，中煤三建集團(tuán)研制了8m3新型吊桶。隨之而來的問題是國(guó)內(nèi)現(xiàn)有的鉤頭(最大11t)不能滿足大容積吊桶的提升要求[4-5]。如果按照《鑿井圖冊(cè)》中的傳統(tǒng)鉤頭型式進(jìn)行設(shè)計(jì)，在增加鉤頭噸位的同時(shí)，其長(zhǎng)度也會(huì)增加，進(jìn)而導(dǎo)致鑿井井架高度的增加。此外，傳統(tǒng)鉤頭的零部件大多是外置的，施工時(shí)安全風(fēng)險(xiǎn)大。

針對(duì)上述問題，中煤三建集團(tuán)研發(fā)了一種新型密封旋轉(zhuǎn)鉤頭，外形尺寸小、鉤頭自重低、可提升載荷大。新型礦用鉤頭已取得由國(guó)家礦用產(chǎn)品安全標(biāo)志中心頒發(fā)的礦用產(chǎn)品安全標(biāo)志證書、MA標(biāo)識(shí)和專利證書[6]。

2 新型鉤頭的設(shè)計(jì)

2.1 新型鉤頭的設(shè)計(jì)依據(jù)

為滿足大直徑超深立井井筒快速施工的要求，新型鉤頭裝置應(yīng)以適合起落6～8m3吊桶及大型的鑿井設(shè)備為宜。由于6m3吊桶終端荷重為130336N，故需設(shè)計(jì)G13鉤頭以滿足使用要求，灌注端應(yīng)能容許更大的鋼絲繩直徑；8m3吊桶終端荷重為173715N，故需設(shè)計(jì)G18鉤頭以滿足使用要求，灌注端應(yīng)能容許更大的鋼絲繩直徑。

2.2 新型鉤頭的結(jié)構(gòu)形式

與傳統(tǒng)形式相比，新型鉤頭在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面采用吊鉤與緩轉(zhuǎn)器直接連接的形式。這種設(shè)計(jì)直接減少了裝置的連接部分，可有效降低鉤頭的整體高度，如圖1所示。新設(shè)計(jì)將旋轉(zhuǎn)部位的關(guān)鍵零件內(nèi)置，可提高裝置的安全系數(shù)。采用新材料35CrMo進(jìn)行加工制造，鉤頭自身重量得以減輕。

2.3 新型鉤頭的主要技術(shù)參數(shù)

技術(shù)參數(shù)如表1所示。

3 新型鉤頭的強(qiáng)度計(jì)算

以13t鉤頭裝置計(jì)算示例如下幾方面所示[7-8]。

3.1 鉤頭裝置的計(jì)算依據(jù)

額定載荷：13t=127400N

吊鉤材質(zhì)：35CrMo鍛件，強(qiáng)度極限σb=735MPa，屈服極限σs=540MPa。

緩轉(zhuǎn)器殼體：35號(hào)優(yōu)質(zhì)碳素鋼鍛件，強(qiáng)度極限σb=550MPa，屈服極限σs=295MPa。

圖1 新型鉤頭結(jié)構(gòu)圖

表1 新型鉤頭的技術(shù)參數(shù)表

型號(hào)允許載荷/t總高度L/mm吊鉤開口B/mm適用鋼繩直徑?/mm質(zhì)量/kg軸承型號(hào)適用吊桶/m3掛/座鉤式底卸式G11111347.5±1011040～43156294125.03.0G13131451.5±1011545～47210294136.04.0G15151601±1011550～53249294157.0G18181728±1012050～53289294168.0

3.2 吊鉤的計(jì)算

吊鉤幾何形狀如圖2所示。

圖2 吊鉤幾何形狀

1)危險(xiǎn)截面A-B的強(qiáng)度計(jì)算。

與A-B截面有關(guān)的幾何尺寸：b1=51.6mm；b2=100mm；h=125mm；d=112mm。

2)吊鉤柄強(qiáng)度計(jì)算。

吊鉤柄的幾何尺寸：d1=53mm。

3.3 緩轉(zhuǎn)器殼體的計(jì)算

緩轉(zhuǎn)器殼體幾何尺寸見圖3。

圖3 緩轉(zhuǎn)器殼體幾何形狀

1) 1-1截面強(qiáng)度計(jì)算。

d=230mm；d2=187.1mm。

1-1截面的平均拉應(yīng)力見下式。

=9.1MPa

2)耳柄強(qiáng)度計(jì)算。

相關(guān)幾何尺寸：R=80mm；t=93mm；d3=60mm。

以上為鉤頭裝置的主要部件吊鉤、緩轉(zhuǎn)器殼體經(jīng)計(jì)算，其安全系數(shù)符合《煤炭安全規(guī)程》的規(guī)定。其它零件經(jīng)計(jì)算，也符合要求。

4 鉤頭的負(fù)荷試驗(yàn)

加工完成的新型鉤頭如圖4所示，負(fù)荷實(shí)驗(yàn)裝置如圖5所示。鉤頭裝置組裝完成后首先進(jìn)行連接可靠性試驗(yàn)。在2倍額定負(fù)載荷下鉤頭裝置零件無變形和裂紋情況發(fā)生，即連接性能可靠。隨后進(jìn)行鉤頭裝置的靜負(fù)荷試驗(yàn)，在專用的試驗(yàn)設(shè)備上對(duì)鉤頭裝置進(jìn)行加載負(fù)荷直至鋼絲繩破斷，經(jīng)檢查鉤頭的連接裝置未損壞。符合產(chǎn)品的質(zhì)量要求。

本系列鉤頭裝置已取得由國(guó)家礦用產(chǎn)品安全標(biāo)志中心頒發(fā)的礦用產(chǎn)品安全標(biāo)志證書、MA標(biāo)識(shí)和專利證書。

圖4 鉤頭實(shí)物圖

圖5 鉤頭的負(fù)荷實(shí)驗(yàn)

5 工程應(yīng)用實(shí)例

兗州煤業(yè)鄂爾多斯能化有限公司的營(yíng)盤壕煤礦，主井井筒凈徑9.4m，井深849.5m。井筒設(shè)計(jì)最大掘進(jìn)斷面達(dá)到了145.2m2，荒徑13.6m，一次爆破作業(yè)掘進(jìn)矸石量大。如何增大排矸能力以加快施工速度成為本次施工的難點(diǎn)。

工程選用新型G18t鉤頭外加8m3新型矸石吊桶提升矸石，下放物料、人員。通過主井掘砌工程的應(yīng)用，系統(tǒng)性的驗(yàn)證了新型密封旋轉(zhuǎn)鉤頭的可靠性與實(shí)用性。加快了施工速度，取得了井筒綜合月進(jìn)尺超百米的好成績(jī)，獲得了較大的經(jīng)濟(jì)收益，新型鉤頭的應(yīng)用為同類工程施工提供了寶貴的經(jīng)驗(yàn)借鑒。

6 小結(jié)

中煤三建集團(tuán)首次研制出的新型密封旋轉(zhuǎn)鉤頭裝置(G13～G25t)，減少了鉤頭裝置的總高度，提高了密封性能，可很好的滿足6～8m3大容積吊桶荷載的提升要求。并且加工鉤頭時(shí)編制了加工工藝標(biāo)準(zhǔn)和圖冊(cè)，定型為系列產(chǎn)品。

此種新型鉤頭已在營(yíng)盤壕煤礦的主井井筒、馬脊梁副井、張集東風(fēng)井，顧橋煤礦中央?yún)^(qū)進(jìn)風(fēng)井等工程中得到應(yīng)用。在工程實(shí)踐中驗(yàn)證了鉤頭的可靠性與實(shí)用性，值得進(jìn)一步推廣應(yīng)用。

[1] 孔令夷.國(guó)產(chǎn)煤礦機(jī)械發(fā)展?fàn)顩r與趨勢(shì)研究[J].煤礦機(jī)械,2011(03):13-15.

[2] 劉巖.我國(guó)煤礦機(jī)械發(fā)展現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)[J].價(jià)值工程,2013(4):28-29.

[3] 胡敬東,連向東.我國(guó)煤炭科技發(fā)展現(xiàn)狀及展望 [J].煤炭科學(xué)技術(shù)，2005(1):21-24.

[4] 孫偉昌,張書屏.斜井提升鉤頭斷裂原因分析[J].煤礦機(jī)械,1998(6):36-38.

[5] 袁文伯.關(guān)于鑿井提升鉤頭及連接裝置的安全系數(shù)和鉤頭系列問題[J].煤炭科學(xué)技術(shù),1980(11):21-23，61.

[6] 張魯魯,汪指南,溫富成，等.新型礦用鉤頭裝置[P].中國(guó)專利:0285802.2,2013.10.23.

[7] 劉鴻文.材料力學(xué)[M].第五版.高等教育出版社,2011.

[8] 袁文伯,呂家立.鉤頭超過彈性后的兩個(gè)階段承載能力——屈服承載能力和極限承載能力[J].中國(guó)礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),1979(3):110-121.

The design and application of new mine hook

XU Hui-dong1，ZHANG Yu-fei2,QIN Xiao-guang1，ZHANG Lu-lu3，WANG Zhi-nan3，Wu Jie3

(1.China Coal No.3 Construction(Group) Co.，Ltd.，Hefei 230022,China；2.School of Mechanics and Civil Engineering，China University of Mining and Technology(Beijing)，Beijing 100083,China；3.Electrical Installation Engineering of China Coal No.3 Construction Co.，Ltd.，Suzhou 234000，China)

The article describes a new seal rotating hook.In the new structure，rotary is directly connecting with the hook.Compared with conventional hook，the new hook not only reduces the height and overall weight，but also the sealability is improved.It can well meet the 6～8m3bucket lifting large volume requirements.Conjunction with other equipment，the new hook achieve rapid discharge refuse in large diameter ultra-deep shaft construction successfully，and improve work efficiency.This article verifies the reliability and practicality of new hook in the aspects of design，calculation and on-site application systematically.

new hook；structural design；rotary；load test；engineering applications

2014-06-03

張宇菲(1990-),女,研究生。E-mail：kuangdazyf@126.com；楊立云(1983-),男,河北邢臺(tái)人,博士,講師。

TD538

A

1004-4051(2015)09-0134-03