礦用無極繩絞車總體方案設(shè)計

梁起龍

（大同煤礦集團永定莊煤業(yè)有限責任公司，山西　大同　037024）

引言

在礦山運輸場合，無極繩絞車作為是煤礦運輸?shù)闹饕o助設(shè)備。根據(jù)無極繩絞車煤礦運輸?shù)膬煞N不同應(yīng)用工況，提出無極繩絞車的總體設(shè)計方案。對無極繩絞車的傳動系統(tǒng)進行設(shè)計并對鋼絲繩進行計算選型，確定各傳動部分的參數(shù)。

1　無極繩絞車的組成部分

無極繩絞車由機械部分以及配套的電器、鋼絲繩、通訊系統(tǒng)等構(gòu)成[1-2]。其中，絞車機械部分主要由以下六個部分組成：

1）底座：由型材焊接成整體，在其上可以安裝電動機、行星差速器、磨擦輪變速離合閘、滾筒及常閉式液壓安全閘等各部件，并通過地腳螺栓將絞車與基礎(chǔ)固定。

2）電動機：采用防爆型電機，電動機輸出軸直聯(lián)行星差速器[3]。

3）行星差速器：通過一雙聯(lián)內(nèi)齒圈，圈內(nèi)安裝兩級行星輪系，以及兩套液壓塊式制動器進行變速。一套制動第一級行星輪架，另一套制動雙聯(lián)內(nèi)齒圈。當電動機空載起動時，兩塊式制動器全部打開，行星差速器空轉(zhuǎn)。載貨時能通過兩套液壓塊式制動器交互使用形成慢速、快速的轉(zhuǎn)換。

4）停機制動器：通過一套液壓塊式制動閘，制動二級行星輪架，可以在較小的制動力矩下實現(xiàn)絞車停車。上述三套制動器的支座安裝孔位對稱布置，以滿足不同的巷道對絞車的布置要求[4]。

5）末級傳動裝置：末級傳動裝置由一對錐齒輪、一對直齒輪及減速箱體組成，采用封閉結(jié)構(gòu)，以便于甩油潤滑。

6）滾筒部分：滾筒內(nèi)孔采用錐形內(nèi)孔，采用雙平鍵與減速器錐形輸出軸連接，便于滾筒拆裝[5]。

2　無極繩絞車布置方案

2.1　方案介紹

1）如圖1的排布方式，將電機、減速器和制動系統(tǒng)放置在滾筒的兩邊；

2）如圖2的排布方式，電機和制動系統(tǒng)放置在滾筒的兩邊，將減速器放置在滾筒的內(nèi)部；

3）如圖3的排布方式，將減速器、電機和制動系統(tǒng)都放在滾筒內(nèi)部；

4）如圖4的排布方式，將電機、減速器和制動系統(tǒng)都放置在滾筒的一側(cè)。

圖1　絞車布置方案一

圖2　絞車布置方案二

圖3　絞車布置方案三　

圖4　絞車布置方案四

2.2　方案的選擇

我們選擇的排布方案有兩種，一種是將行星齒輪減速器放置在滾筒內(nèi)部，這種排御方式的優(yōu)點是整體結(jié)構(gòu)的體積比較小，對稱性好，但是將減速器放置在內(nèi)部對安裝精度要求會高很多，對每個零件的加工工藝也要求比較高，如果機械出現(xiàn)故障維修非常不方便。

或者選擇將所有制動系統(tǒng)、行星齒輪減速器都放在滾筒內(nèi)部的排布方式，這種方式比上。種結(jié)構(gòu)還要緊湊，但是問題和上個方案一樣也是要求加工精度非常高，同時機構(gòu)的軸向尺寸非常的大，雖然整體機構(gòu)體積很小，可是布置不太方便。還有一個關(guān)鍵問題，就是制動器和電動機的散熱比較困難，無論維修還是調(diào)試都帶來了很大的不方便。

本設(shè)計所采用的方案為電動機、制動器和行星減速器都布置在滾筒的同一側(cè)，即采用方案四。我們在考慮絞車機構(gòu)的排布問題外，還要考慮其他的問題，如下：

1）由于減速箱需要傳遞的扭矩和轉(zhuǎn)速都很大，所以最好采用電動機到滾筒逐級降低傳動比的方式來選擇減速箱傳動比問題。

2）滾筒的直徑越小越好。原因是滾筒的直徑越大，滾筒需要的扭矩越大，而需要配合滾筒的機構(gòu)尺寸也會變大。除了提升高度非常大的環(huán)境要求外，一般都是盡量小的選取滾筒直徑。

3）越來越多的需要絞車完成多種器械的運輸，所以我們要對絞車設(shè)計部分組合式的滾筒，來應(yīng)對可能需要的快速換裝。

4）除了滾筒外，整個牽引設(shè)備的滑輪組對機構(gòu)的影響也比較大，滑輪組的倍率也不能去的太大。目前我們選取滑輪組的要求是繩索的受力不能大于50 kN。當小于50 kN時一般用的倍率是2。起升載荷小于等于250 kN時，倍率取3～6，載荷量更大時，倍率可取8以上。

5）絞車的制動器同樣非常關(guān)鍵，它直接決定了機構(gòu)可不可以安全的生產(chǎn)工作。所以制動器一般要求安裝在扭矩小的驅(qū)動軸上。

無極繩絞車傳動原理圖如圖5所示。

圖5　無極繩絞車的傳動系統(tǒng)

3　鋼絲繩的設(shè)計與選擇

根據(jù)無極繩絞車應(yīng)用現(xiàn)場的工況特點，設(shè)計的無極繩絞車應(yīng)滿足運輸長度2 500 m，最大坡度13°，運輸總重量20 t，無轉(zhuǎn)彎的要求，根據(jù)依據(jù)MT/T 988—2006《無極繩連續(xù)牽引車》標準規(guī)定，選用牽引鋼絲繩直徑為Φ24.5mm。

3.1　牽引力的計算

牽引力的計算公式為：

式中：F 為牽引力，kN；G 為所拉物的質(zhì)量，km/g；G0為梭車本身的質(zhì)量，km/g；α為巷道最大坡度，（°）；μ1為梭車滾輪摩擦阻力系數(shù)；μ2為鋼絲繩摩擦阻力系數(shù)；q為鋼絲繩每米單重；L為運輸線路的長度，m。

式中：F1為破斷力，N。當拉人時此比值要大于6.5。

以下面兩種常見工況驗算鋼絲繩的破斷力是否滿足需求。

3.2.1拉噴漿料車

拉噴漿料車按照4個車計算，最大坡度13°；一個料車料自重1 400 kg，車皮435 kg；梭車滾輪摩擦阻力系數(shù)μl取值0.02；鋼絲繩摩擦阻力系數(shù)μ2取值0.25；鋼絲繩的質(zhì)量取2.165 kg/m；運輸路線長度為2 500m。把以上數(shù)據(jù)帶式（1），得出鋼絲繩的牽引力F=45.01 kN（4 501 kgf），由于破斷力為 320 N（32×l03kgf），帶入式（2）得滿

3.2　鋼絲繩破斷力計算

依據(jù)MT/T 988—2006《無極繩連續(xù)牽引車》標準規(guī)定：足需求。

3.2.2拉支架車

拉支架車按照3個車計算，最大坡度取13°；最大牽引質(zhì)量取12 130 kg；大花車質(zhì)量取530 kg（自制加工的估計達800 kg）；梭車滾輪摩擦阻力系數(shù)μl取值0.02；鋼絲繩摩擦阻力系數(shù)μ2取值0.25；鋼絲繩的重量為2.165 kg/m；運輸路線長度取2 500m。把以上數(shù)據(jù)帶入式（1），得出鋼絲繩的牽引力F=72.84 kN（7 284 kgf），由于破斷力為 320 kN（32×103kgf），帶入式（2）得滿足需求。

4　傳動系統(tǒng)的參數(shù)確定

4.1　絞車所需功率

在上述兩種工況下：牽引力為72.84 kN，取整數(shù)F1=80 kN時，滾筒以vl=1.0m/s的速度運行；牽引力為F2=45.01 kN，取整數(shù)F1=46 kN時，滾筒以v2=1.7 m/s的速度運行。

絞車所需最大功率為：

滾筒直徑D先選為1 200mm，則轉(zhuǎn)速為：

4.2　傳動效率的計算

根據(jù)表查得：彈性聯(lián)軸器的效率η1=0.995；圓柱滾子軸承的效率η2=0.98；圓錐滾子軸承的效率η3=0.98；深溝球軸承的效率η4=0.98；直齒圓錐齒輪的傳動效率η5=0.96；直齒圓柱齒輪的傳動效率η6=0.98；滾筒鋼絲繩纏繞效率η7=0.97。

由以上傳動效率計算整個系統(tǒng)的傳動效率η為：

4.3　功率的計算

根據(jù)以上所計算的傳動效率和工作機構(gòu)所需的功率來計算電機的輸出功率：

由功率選出電動機：

1）絞車工作于非工作面時，選用YB315L-6 110 kW電機。

2）絞車工作于非工作面時，選用（YBK2）315L-6 110 kW電機。

4.4　電動機功率的過載校驗

絞車過載能力校驗采用校驗轉(zhuǎn)矩的方法，啟動轉(zhuǎn)矩應(yīng)滿足：式中：Ts為基準負載持續(xù)時電動機的啟動轉(zhuǎn)矩，N/m；Ku為考慮電壓損失、最大轉(zhuǎn)矩和堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩的允許偏差，試驗載值和機構(gòu)加速度等因素影響系數(shù)，取2.0～2.2；v 為鋼絲繩的額定速度，m/s；n 為電動機額定轉(zhuǎn)速，1 480 r/min；η為絞車整機效率。

代入數(shù)據(jù)計算得：

顯然，Ts＞T額。

式中：P為電機的額定功率，110 kW。

4.5　傳動比的計算及分配

電動機的轉(zhuǎn)速n=1 480 r/min。由前面計算知工作機的轉(zhuǎn)速為：n1=16 r/min，n2=27 r/min。則傳動比為

根據(jù)各級傳動比計算各級的傳動參數(shù)，低速傳動時，傳動相關(guān)參數(shù)如下表1所示。

表1　低速傳動參數(shù)

根據(jù)以上計算過程也可以得出高速傳動時傳動的相關(guān)系數(shù)。

5　結(jié)語

隨著技術(shù)水平的提高，無極繩絞車逐漸向多功能化、數(shù)字化、設(shè)計制造現(xiàn)代化方向發(fā)展。大型計算機仿真軟件技術(shù)越來越成熟，虛擬樣機技術(shù)的使用也越來越寬泛，因此已經(jīng)能夠很方便地把這些技術(shù)應(yīng)用在新型無極繩絞車的設(shè)計中。

[1]馮晉濤.SQ-120型無極繩絞車牽引技術(shù)在礦井中的應(yīng)用[J].山東煤炭科技，2017（4）：81-83.

[2]李劍峰.無極繩絞車運輸?shù)墓に嚫倪M[J].煤礦機械，2010（3）：82-84.

[3]劉海平，李炳文，曲利.新型礦用無極繩絞車傳動系統(tǒng)設(shè)計[J].煤礦機械，2005（11）：21-24.

[4]閆吉領(lǐng).無極繩絞車在礦井生產(chǎn)中的應(yīng)用及改進措施[J].煤礦機械，2002（1）：88-89.

[5]趙建強.無極繩絞車在礦井生產(chǎn)中的應(yīng)用[J].山東煤炭科技，2015（7）：42-43.