架空乘人裝置斷軸保護設計

王球龍

（湘煤立達礦山裝備股份有限公司，湖南株洲 412000）

0 引言

在礦山機械中，架空乘人裝置俗稱“猴車”，主要適用于垂直高度差超過50 m 的斜巷礦井及平巷礦井中，用來運送礦井相關作業人員。它由機頭（驅動裝置）、中間部分（托輪、吊架）、機尾（從動裝置）、鋼絲繩、電控系統等組成，工作原理是：驅動裝置采用電機或液壓系統帶動減速機及減速機上的驅動輪方式組成，鋼絲繩作為運輸牽引過程中的承載體，通過驅動裝置上的驅動輪、從動裝置上的尾輪以及沿線部分的吊架托輪組成閉環形式。由架空乘人裝置尾部的張緊機構對運輸鋼絲繩張緊，保證運輸鋼絲繩在運輸過程中的張力和撓度。乘坐人員坐在吊椅上，吊椅通過抱索器固定在運輸鋼絲繩上，隨著運輸鋼絲繩一起循環（往復）位移，到達相應下車點時，乘車人員自行下車，運輸鋼絲繩繼續運行，從而完成了運送行相關工作人員的運輸工作。因為架空乘人裝置具有運行安全可靠、運送效率高、操作簡單、便于維修、低能耗、綠色環保、乘坐人員上下車方便等特點，在煤礦、非煤礦井下的輔助運輸系統中得到了廣泛應用。

1 斷軸保護裝置的技術研究背景

架空乘人裝置作為一種普遍的礦井輔助運輸載人設備，其機頭機尾一般安裝于巷道支架上，形成架空式安裝，其驅動輪通過驅動軸帶動，一般井下環境比較惡劣，在差環境、大負荷、長時間的運行過程中，作為承受最大負載部件的驅動軸。在過去的設計結構中，驅動軸不僅承受沿著鋼絲方向的徑向拉力，還要承受帶動驅動輪轉動所需要的扭矩，另外還有運行過程中產生的沖擊載荷，以上三點不利因素，經過時間的積累，會造成驅動軸使用壽命的縮短，使驅動軸在疲勞受損過程中產生裂紋進而斷裂，最終會造成整個驅動輪隨著斷裂的驅動軸一起墜落，甚至造成乘坐人員傷亡的安全事故。為了防止安全事故的發現，需要一種穩定、可靠的安全保護裝置。目前傳統結構驅動軸與驅動輪通過各種平鍵/花鍵、鎖緊螺母等連接方式直接相連接，這種結構存在的問題：①驅動軸同時承受傳遞扭矩、徑向拉力、沖擊載荷，這些因素都嚴重影響了驅動軸的使用壽命，徑向拉力與沖擊載荷增加了驅動軸的使用負荷，在使用過程中容易產生裂紋、斷裂；②驅動軸更換不方便，當驅動軸產生裂紋或者斷裂，需要更換驅動軸時，必須先將驅動輪與驅動軸拆分開，再將驅動軸與減速器拆分開，并將新的驅動軸與減速器連接固定，最后將驅動輪起吊與驅動軸連接固定，更換過程相對繁瑣。

2 斷軸保護裝置設計原理

根據《煤礦安全規程》的要求，秉承高效安全、結構簡單實用的設計原則，進行結構設計，現提供一種扭力分離，驅動軸只起傳動扭矩作用的驅動裝置傳動結構，此結構能有效防止驅動輪在斷軸情況下墜落，從而起到斷軸保護的作用（圖1）。

圖1 架空乘人裝置斷軸保護示意

該架空乘人裝置的斷軸保護裝置，主要由驅動軸、機架、承載套壓板、承載套、驅動輪、驅動輪接盤、圓螺母、接盤蓋板組成。減速機輸出端為空心軸結構，驅動軸一端插入減速機輸出軸孔內，驅動軸另一端插入驅動接盤內，驅動接盤通過螺栓與驅動輪固定，驅動輪內裝有軸承，軸承內圈安裝在承載套上，承載套下端裝有一圓螺母，防止軸承及驅動輪掉出，承載套上端插入機架內，承載套采用螺栓與機架連接，承載套與驅動軸間隙4 mm。在以往的設計結構中，驅動軸同時承受扭矩及徑向拉力、驅動輪自重，在該結構中，驅動軸只起到傳遞減速機扭矩的作用，沿鋼絲繩方向的徑向拉力及驅動輪自重由承載套承載，是一種卸荷式連接結構。

電氣控制部分包括圖中所示編碼器、猴車原有的速度保護、斷路開關組成，編碼器通過短軸、安裝架、螺栓與驅動軸、減速機連接，控制器分別通過數據線與編碼器、斷路開關、速度保護連接。

綜上所述，本斷軸保護中，驅動輪通過軸承與圓螺母固定在承載套上，通過卸荷的方式，當驅動軸斷軸或者無驅動軸時，驅動輪始終通過承載套始終與機架連接，不會因為脫落而造成意外事故的發生。另外，當斷軸發生時，編碼器有速度檢測值，速度保護裝置檢測的速度為零，則發出斷軸信號，通過PLC 控制系統發出指令關掉斷路開關，停止整臺猴車的運行。

3 受力分析及承載套校核計算公式

3.1 牽引鋼絲繩張力計算

（1）牽引鋼絲繩最小張力的計算方法如下：

式中 Smin——最小張力點張力，N

C——鋼絲繩撓度系數，取C=1000

q0——預選牽引鋼絲繩每米質量，kg/m

g——重力加速度，取g=9.8 m/s2

（2）當下方側無人乘坐，而上升側滿員時，線路運行阻力，為制動運行狀態，即圖2 中S1、S2為最大值。此時：

式中 Q1——乘人平均人體重量，kg，取Q1=75

Q2——單把吊椅重量，kg，取Q2=75

Q3——每位乘人平均負重，kg，取Q3=75

λ1——設定的乘坐間距值，m

α——巷道的平均坡度，°

L——巷道長度，m

ω——牽引鋼絲繩運行阻力系數

本文中，Q1、Q2和Q3取值為75 kg，動力運行時取ω=0.015～0.02。

圖2 架空乘人裝置驅、尾輪張力方向示意

3.2 承載套的彎矩強度校核

承載套只受驅動輪重力和驅動輪切向力產生的彎矩負荷，軸向重力可忽略。承載套彎矩最大處斷面尺寸為Φ200×163 mm，受力點到支點（力臂）長度346 mm（圖3）。

校核計算：

式中 τn——計算彎矩剪應力，MPa

Tn——空心管所受彎矩，N·mm

Wn——空心管的抗彎截面模數，mm3

P——驅動輪最大切向力，N

l——驅動輪切向力至空心管支點距離（力臂），mm

d1——空心管外經，mm

d2——空心管外經，mm

［τn］——許用彎矩剪應力，取［τn］=240 MPa

3.3 承載套撓度校核

計算撓度值校核承載套彈性形變后軸與承載套的配合間隙的變化（圖4）。

軸的直徑設計為155，承載套與軸的設計配合間隙為ζ=（163-155）/2=4 mm。

承載套受力后的撓度fA計算：

式中 fA——承載套空心鋼管受力后的彈性變形位移量，m

P——驅動輪最大切向力，N

l——驅動輪切向力至空心管支點距離（力臂），mm

d1——空心管外經，mm

d2——空心管外經，mm

I——空心管慣性矩，mm4

E——鋼材彈性模量，Pa，E=2.06e11Pa；

由上述公式可以看出，承載套的彎矩強度和撓度的校核，跟安裝架空乘人裝置的巷道坡度、長度、選用的鋼絲繩直徑大小有關聯，校核時，先按圖4、圖5 中承載套的尺寸、安裝位置尺寸進行校核，如果不能滿足校核要求，再對承載套尺寸、安裝位置尺寸進行設計、校核，直到設計出滿足架空乘人裝置安裝巷道要求的承載套，實現斷軸保護功能。

4 結束語

該斷軸保護裝置技術，改變了以往設計中驅動軸同時承受驅動輪轉動所需的大扭矩及沿鋼絲繩方向的徑向拉力、驅動輪自重的結構，通過承載套，實現對驅動軸的卸荷，使驅動軸在整個裝置中只起到傳遞減速機扭矩的作用，使驅動輪在沒有安裝驅動軸的情況下，也能與機架連接。該裝置結構緊湊、安裝空間小、運行穩定，更換驅動軸時，只需拆卸接盤蓋板、驅動接盤，維修方便，承載套的存在，也實現了對旋轉的驅動軸護罩功能，防止外來物件轉入驅動裝置，減少了對架空乘人裝置的損壞和人員的受傷因素。該技術為國內首創，總體性能指標居國內同類產品領先地位。

圖3 承載套彎矩

圖4 承載套擾度