礦用調度絞車的優化設計

戶建亮

（山西晉能控股集團太原煤氣化東河煤礦，山西 臨汾 041200）

引言

礦用絞車是在采礦過程中通過卷筒上的鋼絲繩來牽引材料的，又名卷揚機，在實際的采礦過程中發揮著至關重要的作用。根據絞車在采礦過程中的不同角色，可以大致分為提升絞車、鑿井絞車、調度絞車等絞車類型。其中，調度絞車是用來將重物運上山的，并可以輔助其他裝備進行工作?，F如今，絞車存在零件多、成本高、安裝難、制動效果差、噪音大等較多問題?；谝陨蠁栴}分析，本文對JD-1型調度絞車進行優化設計，從絞車電動機、執行、傳動、制動系統等角度進行設計。

1 調度絞車運行原理

目前，中國調度絞車（下文中直接稱為絞車）的特點及運行環境參數如表1 所示。

表1 絞車工作特點及運行參數

絞車在實際的煤礦工程中主要存在三種狀態，分別問工作狀態、下放置狀態、制動狀態。其中工作狀態和下方狀態制動閘均處于松閘狀態，但是下方狀態的工作閘也處于釋放狀態，制動狀態的制動閘是抱緊狀態。本文所研究的絞車結構如圖1 所示。

圖1 絞車結構圖

本文設計的JD-1型調度絞車的外層鋼絲的最大靜張力為10 kN；鋼絲繩的速度為1 m/s；絞車的容繩量為400 m，總減速比為41。

2 調度絞車電動機的選型

對于電動機的傳動效率，電動機各個部位的傳動效率不一樣，其中彈性聯軸器的效率為0.995，滾動軸承的效率為0.99，卷筒的效率為0.975，傳動的總效率約為0.886。根據電動機效率可以求得卷筒功率為Pw=Fwv=10×1=10 kW，進而可以求得PG=Pw/η=10÷0.886=11.286 kW。故基于礦場安全生產的考慮，本文選用型電動機，其功率為11.4 kW，轉速為1 470（r/min），額定電壓為380 V 或660 V。

3 調度絞車執行系統的設計

執行系統的設計主要包括卷筒和鋼絲繩的設計，二者均對絞車的安全工作運行起到了極為重要的作用[1]。對于鋼絲繩的選型，中國的礦井中主要采用兩種型號，分別為1 570 N/mm2和1 770 N/mm2[2]。且根據相關規定，對于安全系數，一條繩子纏繞式的鋼絲繩應該高于6.5。根據公式鋼絲繩整繩最小斷拉力為鋼絲繩的最大靜拉力于其安全系數之積，帶入相應數值可以求得鋼絲繩的斷拉力應大于65 kN。因此鋼絲繩公稱直徑選擇為11 mm，其允許的偏差為不大于+50%，鋼絲繩最小的斷拉力為78.4 kN，公稱抗拉強度為1 678 MPa，綜上數據分析，可得鋼絲繩單位長度的質量約為45.7 kg/100 m。

對于卷筒的設計，卷筒的基礎參數如表2 所示。

表2 卷筒基礎參數表

根據卷筒名義直徑的計算數值為鋼絲繩直徑乘以22.4，可求得卷筒的卷繞直徑為246.4 mm，若考慮到繩子在多層纏繞時的不均勻分布，可以適當地增加卷筒的長度，帶入數據可以得到卷筒的長度為307 mm。根據卷筒長度、安全系數、繩槽節距以及鋼絲繩直徑求得每層鋼絲繩的圈數為25，進而求得鋼絲繩的最大纏繞直徑為532 mm，最后根據鋼絲繩的牽引速度和最大纏繞直徑可以求得卷筒的轉速為36 r/min。

4 調度絞車傳動系統的設計

本文所設計的傳動結構為一級定軸輪系和行星輪系所組成的復合輪系傳動形式，結構圖如圖2 所示。

圖2 傳動結構形式

根據原始數據[3]，可以結合電動機的轉速，得到總的傳動比為41，根據相應的分配原則可以得到高速的定軸輪系傳動比為4.5，低級的定軸輪系的傳動比為9.1。

根據各軸的轉速、轉矩、功率可以求出軸的運動參數：對于轉速方面，高速軸的轉速為1 511 r/min；傳動主軸的轉速為330.87 r/min；行星輪軸為36.12 r/min；制動軸為39.78 r/min，對于功率方面，高速軸的功率為10.98 kW；傳動主軸的功率為10.34 kW；行星輪軸功率為9.65 kW；制動軸功率為10.12 kW，對于轉矩方面，高速軸的轉矩為72.98 N·m；傳動主軸的轉矩為320.43 N·m；行星輪軸的轉矩為2 629.45 N·m；制動軸的轉矩為2 399.65 N·m。

對于定軸輪系的設計本文結合絞車的工況以低速重載為主的特性，選用7 級精度的圓柱齒輪傳動[4]，同時，為了使得傳動機構的順暢運行，小齒輪齒數應當大于17。

對于行星輪系的設計，本文的傳動形式采用NGW型輪系結構，選用42CrMo 作為內齒圈的調質材料。根據相應的公式和參數計算處配齒數為19，此配齒數復合傳動比條件、裝配條件、鄰接條件和同心條件。再根據接觸強度計算a-c的傳動中心距以及模數。各齒輪的基本參數和尺寸如表3 所示。

5 調度絞車制動系統的設計

眾所周知，制動系統是保證絞車安全工作的前提和重要保障，若絞車的制動系統出現問題，則在煤礦煤礦的日常生產中可能會出現重大問題，比如可能損壞機器，一旦發生嚴重事故無法快速應急反應，損壞貨物，造成不必要的經濟損失。因此絞車制動系統的設計及其關鍵。本文所研究的制動系統是由制動器和操作桿等環節組成的，當制動手柄被施加以壓力，制動力即傳遞到活塞，制動液隨即就可以被推入到油管之中，進而進入到增壓缸中，由于制動液的進入，管路制動液的壓力很快增大，制動液經過輪缸的作用，可以使得摩擦塊做相應的運動，進而完成制動系統的功能。制動系統如圖3 所示。

圖3 制動系統示意圖

對于制動器的設計，現有的盤式制動器主要由摩擦塊、制動鉗等固定在輪轂上的結構所組成。制動器可以按照驅動的動力源分別問電力、液體壓強、氣體壓強分為電力液壓驅動、氣壓驅動以及液壓驅動。如果按照制動的動作分類，可分為浮動和固定兩類。

浮動盤制動器是摩擦塊由于受到液壓的作用進而給制動盤一個液壓作用力，此時制動鉗體會帶動摩擦塊移動進而對制動盤產生壓力的作用。因此制動盤的選型至關重要。本文設計的制動盤的相關參數如表4 所示。

表4 制動盤相關參數表

對于復位彈簧的選型，由于在實際工程應用中需要使得制動系統在松開閘之后可以自動地回到初始位置上，所以需要將復位彈簧安裝于制動主缸內部。由于碟形彈簧的剛度大，而且對于震動的緩沖吸收能力較強，故本文使用碟形彈簧作為復位彈簧。本文所設計的彈簧的相關參數如表5 所示。

表5 碟形彈簧相關參數 mm

6 結論

本文所設計的三大部分是絞車中最核心的三大部分，執行、傳動、制動系統的優化設計可以大大提高絞車運行的安全性和工作的適應度，可極大地提高實際工程的效率。