電鏟氣控折疊扶梯設計

于海旭 徐旭 張周愛 繆衛峰 智曉鋒

(神華寶日希勒能源有限公司 內蒙古呼倫貝爾 021025)

1 前言

電動正鏟挖掘機俗稱電鏟，廣泛應用于大中型露天采礦及土木、水利等工程領域。目前，我國自主研發電鏟的研究重點主要針對設備主體功能如提升、推壓、回轉、行走等，而在自動化、安全性、舒適性等人機工程學[1]等方面的設計相對欠缺較多。本文針對電鏟傳統手動升降扶梯操作費力、故障率高、安全性差等明顯缺陷，創新設計了電控氣動的自動扶梯，并成功應用在WK-10B、WK-12C型電鏟上。

2 傳統手動扶梯功能缺陷

2.1 基本結構

WK-10B電鏟原設計為直立式手動扶梯，扶梯由可移動滑梯及固定扶梯組成。滑梯坡角相對地面約75°，上端聯結穿過滑輪的繩索，并限制在垂直滑道內上下滑動。電鏟作業時，滑梯通過繩索配重掛起，頂端限位在滑道卡口上，卡口處裝有限位開關，控制電鏟主控制回路電流(DC 220V)的通、斷[2]；若有人員要上、下滑梯，需克服配重及滑道、滑輪摩擦力，用力向下拽拉繩索，方能滑梯放下。

2.2 缺陷

傳統手動扶梯因其結構及工作特征存在多方面缺陷。

1)安全性較差?；菁s75°的坡角過于陡峭，人員上下扶梯需面對機身，緊握扶手，容易踏空墜落。特別是滑梯與固定扶梯存在不同平面的立體交叉，人員經過兩個梯子連接處需轉身跨步，若搬運重物上下梯子則更加不便。

2)操作費時費力。由于梯子設在室外長時間受日曬雨淋，滑道及滑輪及繩索很容易被銹蝕，下拉滑梯需要克服較大的摩擦力，往往需要憑借個人整個體重，才能將滑梯拉下，有時甚至需要兩個人一起拽拉，操作十分費力。

3)故障率高。受滑梯長度及滑道行程限制，滑梯下端離地間隙較小，且向外側伸展，在作業過程中很容易被礦車或滑落的巖石碰撞而遭破壞。此種破壞不僅僅只是造成扶梯變形，更嚴重的是因碰撞沖擊極易造成滑梯上端的限位開關損壞，致使電鏟主控制回路斷開而停機，而且此種停機現場往往被誤認為是其它電路故障，而較難被排查出來。另外，向上回送滑梯時，滑梯因配重慣性，向上加速度滑行，并沖擊限位開關，同樣也會導致限位開關損壞。

3 氣控扶梯主要結構及工作原理

3.1 氣控扶梯機械結構

為解決傳統手動扶梯的諸多缺陷，本文設計了一種新型氣控折疊式扶梯。整個扶梯仍由兩部梯子組成，其中固定扶梯尺寸、位置基本保持不變；而活動主梯則采用氣缸來控制翻轉動作，摒棄了滑道、滑輪、繩索及配重等。兩部扶梯處于同一平面內銜接和交叉，當人員上下扶梯時，活動主梯向下翻轉，直至與固定扶梯呈同一直線狀態，如圖1(a)；當電鏟作業時，活動主梯向上翻轉，與固定扶梯呈折疊狀態，如圖1(b)所示。

3.2 氣控扶梯氣控系統設計

新型扶梯的關鍵性技術在于其氣控系統的計算與設計，扶梯氣控原理圖如圖2所示。壓縮空氣氣源直接取自電鏟自帶的3WC-0.8/12活塞式空壓機的儲氣罐，額定氣壓0.8MPa，最大風量12m3/min。二位三通電磁閥為常閉閥，工作電壓AC 220V。當電鏟作業收起梯子時，按下機械室門上的電源接通按鈕，電磁閥給電并接通壓縮空氣，壓縮空氣推動單向氣缸活塞向外伸展，使活動主梯翻轉折疊。相反，當人員要上下梯子時，按下電源開關，電磁閥失電并阻斷壓縮空氣，活動主梯憑借自重使氣缸活塞緩慢縮回，主梯自然伸展，與固定扶梯呈直線狀態。

圖1 原伸縮梯結構簡圖

圖2 新型扶梯氣控原理圖

根據理論力學[3]原理，兩個氣缸所需的支撐力，與主梯的重量分布及其與固定扶梯鉸接支點位置、氣缸聯結位置有關，結合電磁閥所供壓縮空氣的最小壓力，可計算出氣缸工作缸的最小內徑[4]。而氣缸活塞行程的計算，則與氣缸聯結位置及主梯最終折疊角度有關。

3.3 新型氣控扶梯的制作與組裝工藝

首先移除電鏟原立式扶梯及滑道、卷揚機構。為保證新型扶梯的末端不伸出電鏟尾部之外，須將電鏟水平走臺去除1000mm。固定扶梯用槽鋼與防滑花紋板焊接制成，上端及內側分別與電鏟水平走臺及回轉平臺焊接，底部用角鋼制成的三角框架支撐，以保證足夠的承載能力。

活動主梯與固定扶梯采用φ50mm的軸銷聯結，主梯下面兩側焊接20mm厚的固定板，用作氣缸的固定支撐。整個扶梯的臺階跨度可設計為300mm，踏板與側板焊接角度呈45°。

圖3 新型扶梯結構簡圖1-氣缸;2-扶梯

4 氣控扶梯明顯優勢

新型氣控扶梯的設計結合了電鏟本身的機械、電氣及氣控系統平臺，按照簡約、可靠和獨立的原則，力求使新型扶梯具備操控安全、快捷省力、性能可靠、成本低廉的優勢特點。

1)安全性明顯提高。活動主梯與地面角度由原來75°減緩為45°，且與固定扶梯無異形面交叉拐角，人員上下通行更加安全。

2)操作更加靈敏快捷。操作扶梯再無須用力拽拉繩索，僅需按下電源按鈕即可實現扶梯的下放和收回。況且不存在滑道及滑輪等的銹蝕問題，扶梯動作始終保持靈敏快捷。

3)故障率明顯降低。由于壓縮空氣本身具備緩沖及減震作用，由氣缸及電磁閥控制的扶梯動作平穩，不會產生硬沖擊而破壞限位開關而導致停機。電鏟作業時，主動扶梯末端向上翹起，且緊貼機身，不易遭礦車或巖石碰撞。

4)制造成本控制較低。扶梯機械焊接結構的制造成本與原來基本持平，而氣控部分無需另配空壓機，僅增加兩個氣缸、一個電磁閥及若干附屬氣控件。

5 結論

本文設計的新型氣控扶梯已在國內某礦山的WK-10B及WK-12C電鏟上應用兩年有余，改型扶梯相比于傳統扶梯的性能優勢十分明顯，受到電鏟操作、維護人員的一致好評。目前筆者正研發同類產品，并計劃推廣應用于其它電鏟機型，此項設計正符合工業產品所追逐的人機工程學方面的安全、便捷、舒適、可靠等功能要求，具備普遍推廣的實際意義。