礦用卡軌車氣動(dòng)壓繩梁的設(shè)計(jì)

王乃松，許延暉

（河北煤炭科學(xué)研究院有限公司，河北邢臺(tái) 054000）

1 概況

在處于復(fù)雜巷道條件下的無(wú)極繩牽引卡軌車的運(yùn)輸過(guò)程中，“坡底壓繩”已經(jīng)成為一個(gè)行業(yè)難題。當(dāng)前國(guó)內(nèi)礦區(qū)中所使用的無(wú)極繩絞車或者無(wú)極繩牽引卡軌車輔助運(yùn)輸設(shè)備，在巷道起伏點(diǎn)大多采用的是壓繩輪的結(jié)構(gòu)，其工作原理是將工作過(guò)程中飄起的鋼絲繩壓到輪體的內(nèi)側(cè)，從而令其保持與行進(jìn)軌道平行的狀態(tài)。但是在實(shí)際的使用過(guò)程中，這種結(jié)構(gòu)在坡度較小的巷道中效果相對(duì)明顯，隨著巷道的條件越來(lái)越復(fù)雜，起伏變坡工況下的壓繩問(wèn)題就會(huì)逐漸突顯出來(lái)，在起伏較大的地方，此時(shí)鋼絲繩受到的垂直方向的力更大一些，受到磨損較多的壓繩輪往往會(huì)出現(xiàn)壓不住鋼絲繩的情況，也就是跳繩現(xiàn)象，存在著鋼絲繩彈起傷人的安全隱患。

針對(duì)這一問(wèn)題，有些礦區(qū)采用在底板用定滑輪將鋼絲繩固定的方法，當(dāng)牽引車通過(guò)時(shí)手動(dòng)對(duì)壓繩滑輪進(jìn)行拆卸，待牽引車經(jīng)過(guò)后再安裝。但這樣的操作步驟即增加人工成本，又降低運(yùn)輸效率。通過(guò)查詢國(guó)外相關(guān)的網(wǎng)站，尚未發(fā)現(xiàn)有關(guān)于改善該方面的研究，因此本文在參考?xì)鈩?dòng)壓繩輪研究應(yīng)用的基礎(chǔ)上對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)，利用氣動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)一種氣動(dòng)壓繩梁的裝置，通過(guò)氣動(dòng)工作循環(huán)使得處于不同情況的巷道的壓繩效果都能夠安全穩(wěn)定的運(yùn)行，進(jìn)一步解放勞動(dòng)力，提高生產(chǎn)效率，減少事故發(fā)生率。

2 裝置設(shè)計(jì)及工作原理

氣動(dòng)壓繩梁裝置是由一套氣動(dòng)系統(tǒng)包括氣缸、控制閥、管路等，以及壓繩梁的機(jī)械結(jié)構(gòu)共同組成。其主要工作原理是利用巷道中的氣源為裝置內(nèi)的氣缸提供動(dòng)力，裝置后側(cè)的氣缸推動(dòng)壓繩梁將鋼絲繩壓住，此時(shí)裝置內(nèi)的另外一個(gè)氣缸推動(dòng)銷子將下壓的壓繩梁鎖住，待到卡軌車通過(guò)的時(shí)候，再利用氣動(dòng)解除鎖銷，進(jìn)而將壓繩梁通過(guò)氣缸的作用抬起，實(shí)現(xiàn)一個(gè)工作循環(huán)。

根據(jù)對(duì)于跳繩現(xiàn)象的研究還有不同巷道下存在的實(shí)際問(wèn)題的考察，該氣動(dòng)壓繩梁裝置的技術(shù)方案大致可以分為3 步：首先要設(shè)計(jì)出一套氣動(dòng)系統(tǒng)，該系統(tǒng)要能夠兼顧壓繩梁的起落還有插銷的插拔2個(gè)動(dòng)作，二者通過(guò)氣管連接實(shí)現(xiàn)聯(lián)動(dòng)，對(duì)裝置的氣動(dòng)原理進(jìn)行推導(dǎo)研究，分析其中氣源、各部分開關(guān)對(duì)系統(tǒng)的影響，再利用CAXA 軟件對(duì)該原理圖進(jìn)行繪制；其次是設(shè)計(jì)壓繩梁的機(jī)械裝置，包括壓繩梁上下梁體的設(shè)計(jì)、托繩輪的設(shè)計(jì)、插銷部分設(shè)計(jì)以及壓繩梁的連接固定裝置的設(shè)計(jì)等，利用CAXA3D 等繪圖軟件繪制出三維模型，進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真，該裝置要在有限的空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)可靠的內(nèi)繩壓繩功能和外繩導(dǎo)繩功能；最后設(shè)計(jì)出氣動(dòng)壓繩梁的布置方案，尤其對(duì)于特定巷道坡度特定牽引力下還需要確定出相應(yīng)的壓繩梁布置方案。

基于以上的背景研究，對(duì)氣動(dòng)壓繩梁的整體進(jìn)行三維結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，如圖1 所示。當(dāng)卡軌車經(jīng)過(guò)時(shí)，操作人員打開手動(dòng)閥，氣壓被送入氣缸內(nèi)推動(dòng)滑桿使壓繩梁向下移動(dòng)，從而壓住鋼絲繩讓其與軌道保持平行，同時(shí)另一方面，氣動(dòng)系統(tǒng)也帶動(dòng)著另一邊推進(jìn)鎖銷，將銷子插進(jìn)壓好的壓繩梁的孔中，把壓繩梁鎖住；同理，卡軌車通過(guò)后，按動(dòng)按鈕帶動(dòng)氣動(dòng)系統(tǒng)向后拔出鎖銷，讓壓繩梁可以通過(guò)氣缸往上抬起回歸原位，完成一次工作循環(huán)。

圖1 氣動(dòng)壓繩梁總體設(shè)計(jì)Fig.1 Overall design drawing of pneumatic pressure rope beam

下面對(duì)于裝置內(nèi)部的氣動(dòng)系統(tǒng)及壓繩梁的機(jī)械結(jié)構(gòu)部分進(jìn)行設(shè)計(jì)分析。

3 氣動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

氣動(dòng)系統(tǒng)的工作本質(zhì)上就是一種能量變換的過(guò)程，相較于液壓系統(tǒng)，氣動(dòng)系統(tǒng)中的各部分原件的結(jié)構(gòu)要相對(duì)復(fù)雜，它的動(dòng)態(tài)特性從本質(zhì)上看可以理解為氣容充氣階段、慣性階段以及放氣階段等。其中各個(gè)階段通過(guò)氣動(dòng)元件所受力、壓力、位移、轉(zhuǎn)速等參數(shù)相互之間所產(chǎn)生的一定影響。考慮到巷道中應(yīng)用條件，設(shè)計(jì)一套氣動(dòng)系統(tǒng)幫助裝置循環(huán)，并且該系統(tǒng)需要兼顧鎖銷部分和壓繩梁的機(jī)械動(dòng)作。該系統(tǒng)的氣動(dòng)原理圖如圖2 所示。

圖2 氣動(dòng)原理Fig.2 Pneumatic schematic diagram

礦下巷道中存在的氣源可以用來(lái)驅(qū)動(dòng)機(jī)械裝置，實(shí)現(xiàn)特定的工作功能，合理利用巷道中的氣源不僅可以降低能源成本，還有助于環(huán)保和資源的可持續(xù)應(yīng)用。在該氣動(dòng)系統(tǒng)中，氣源作為動(dòng)力源推動(dòng)氣缸的運(yùn)動(dòng)，通過(guò)氣壓的變化驅(qū)動(dòng)氣缸內(nèi)部進(jìn)行活塞運(yùn)動(dòng)，從而推動(dòng)連接在氣缸上的活塞桿進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)其余部分。整個(gè)管道部分分布在外側(cè)連接氣動(dòng)壓繩梁和鎖銷兩個(gè)部分，其中控制鎖銷的部分設(shè)置有三通氣控閥，其開關(guān)控制總氣源能否進(jìn)入推動(dòng)或拔出鎖銷。

由氣動(dòng)原理圖可得，當(dāng)卡軌車經(jīng)過(guò)，需要系統(tǒng)運(yùn)作時(shí)，打開截止閥引進(jìn)氣源，二位五通手動(dòng)換向閥進(jìn)行手動(dòng)換向開始工作，此時(shí)，節(jié)流閥控制氣流流入的流量大小，機(jī)控?fù)Q向閥平時(shí)處于關(guān)閉狀態(tài)，只有在氣體流過(guò)時(shí)才打開，隨后壓力氣體進(jìn)入銷軸氣缸，活塞桿縮回，解除壓繩梁的鎖扣；同時(shí)，壓力氣體流進(jìn)橫梁氣缸中，推動(dòng)活塞桿向上，進(jìn)而帶動(dòng)壓繩梁的頂梁抬起，讓卡軌車可以正常通過(guò)。

沒(méi)有卡軌車經(jīng)過(guò)的時(shí)候，關(guān)閉截止閥，氣源不再輸送氣體進(jìn)入系統(tǒng)內(nèi)部，2 個(gè)機(jī)控?fù)Q向閥保持關(guān)閉，橫梁氣缸的活塞退回原位，壓繩梁的頂梁被放下，重新壓住鋼絲繩；同時(shí)，銷軸氣缸內(nèi)沒(méi)有氣體支持，拉桿又把銷子推送進(jìn)頂梁相應(yīng)的插口處，鎖緊壓繩梁。在執(zhí)行壓繩梁抬起或落下的任務(wù)時(shí)，運(yùn)輸系統(tǒng)一直處于制動(dòng)狀態(tài)，確保卡軌車以及操作人員的安全。

4 壓繩梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

壓繩梁的操作方式為氣動(dòng)控制，且控制壓力在0.48 MPa 以上。使用時(shí)所有的動(dòng)作都是由1 名操作人員來(lái)控制1 個(gè)手動(dòng)閥，當(dāng)手動(dòng)閥打開時(shí)，鎖緊氣缸松開、翻轉(zhuǎn)氣缸推出，此時(shí)壓繩梁被打開并保持該狀態(tài)；當(dāng)手動(dòng)閥閉合時(shí)，翻轉(zhuǎn)氣缸退回，壓繩梁重新被壓回到位后鎖緊氣缸再次閉合鎖緊，該系統(tǒng)中2 個(gè)氣缸都是由行程閥控制順序來(lái)完成動(dòng)作，且該機(jī)械系統(tǒng)部分不需要用到電氣元件，壓繩梁需要能夠壓住鋼絲繩并且要在巷道中易于安裝。

4.1 頂梁的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

頂梁的兩側(cè)需要連接底梁和推動(dòng)壓繩梁的氣缸，因此在頂梁的頭尾處設(shè)計(jì)連接孔利用接頭進(jìn)行連接，并且根據(jù)尺寸來(lái)調(diào)節(jié)連接板的位置，需要用2 個(gè)加強(qiáng)板來(lái)與托繩輪進(jìn)行連接。鎖緊銷對(duì)應(yīng)的銷孔設(shè)計(jì)為長(zhǎng)孔，可以用于補(bǔ)償一部分因?yàn)閴豪K梁梁體形變而產(chǎn)生的位移誤差。另外在頂梁與氣缸連接的部分用行程閥擋板來(lái)限制氣缸推動(dòng)活塞的移動(dòng)范圍，從而控制頂梁部分的下壓和抬起范圍。頂梁設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)外形如圖3 所示。

京、津、冀地區(qū)是生態(tài)環(huán)境建設(shè)重點(diǎn)地區(qū)，區(qū)域的共同生態(tài)環(huán)境與未來(lái)的發(fā)展需求，必定會(huì)對(duì)森林具有更高的要求。從區(qū)域木質(zhì)資源到非木質(zhì)森林資源，從經(jīng)濟(jì)發(fā)展需求到生態(tài)旅游，位于京津周邊的保定市都具有較多的區(qū)位與資源優(yōu)勢(shì)，城市森林建設(shè)是立足現(xiàn)實(shí)、展望未來(lái)、促進(jìn)經(jīng)濟(jì)、改善生態(tài)的綠色希望工程。

圖3 頂梁設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)Fig.3 Roof beam design structure

頂梁的尾部連接氣缸，氣缸推動(dòng)頂梁進(jìn)行移動(dòng)。考慮到巷道空間有限，因此氣缸設(shè)計(jì)成豎直狀態(tài)，節(jié)省空間，安裝時(shí)在氣缸部分下部挖出適當(dāng)空間供活塞部分移動(dòng)即可。選取氣缸組件的缸徑125 mm、長(zhǎng)度350 mm。

氣缸推力計(jì)算公式是：

式中：F 為氣缸出力，N；A 為截面積，m2；P 為使用的壓力，Pa；f 為摩擦阻力，N。此處摩擦阻力f 忽略不計(jì)，通過(guò)計(jì)算可以得出，氣缸推動(dòng)活塞桿施加給梁的力F=23562 N。

根據(jù)杠桿平衡條件得知，要使杠桿保持平衡，需要作用在杠桿兩端（動(dòng)力點(diǎn)和阻力點(diǎn)） 的2 個(gè)力的大小跟它們的力臂的長(zhǎng)短成反比，即：

由設(shè)計(jì)的頂梁的尺寸大小可知，頂梁部分的阻力臂L阻=149.1 cm，氣缸作用力的動(dòng)力臂L動(dòng)=10.3 cm，已知?jiǎng)恿Υ笮〖碏動(dòng)=F=23562 N，由此可以推算出氣缸的力作用在頂梁上的力的大小為1627.690 N。考慮到鋼絲繩行進(jìn)過(guò)程中對(duì)梁的磨損導(dǎo)致的形變，需要在頂梁中安裝2 塊加強(qiáng)板，用以加強(qiáng)頂梁的整體強(qiáng)度，同時(shí)針對(duì)頂梁的選材選定較為堅(jiān)固的材料，保證頂梁的最大形變量不超過(guò)20 mm 即可。

4.2 氣動(dòng)底梁的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

底梁部分是氣動(dòng)壓繩梁結(jié)構(gòu)組成的基礎(chǔ)部分，負(fù)責(zé)銜接氣動(dòng)系統(tǒng)和壓繩梁的機(jī)械結(jié)構(gòu)，底梁的頭部與礦下支護(hù)的部分進(jìn)行連接，用以在巷道中固定裝置，如圖4（a） 所示；右側(cè)圖4（b） 則負(fù)責(zé)連接氣缸。氣動(dòng)底梁采用的是分體式的結(jié)構(gòu)，便于在礦下進(jìn)行安裝。將主體分為左右2 個(gè)部分，并通過(guò)連接鋼板進(jìn)行連接，在安裝時(shí)在軌道下挖出一些安裝空間讓2 個(gè)組成部分可以分別經(jīng)過(guò)卡軌車運(yùn)行軌道的下方，用以把左右兩部分進(jìn)行連接，再用螺母在兩部分之間固定鋼板，裝置整體由鉆地銷插進(jìn)銷孔進(jìn)行固定，從而完成安裝。

圖4 氣動(dòng)底梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)Fig.4 Pneumatic bottom beam structure design

4.3 托繩輪的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

壓繩梁將經(jīng)過(guò)回繩導(dǎo)輪的鋼絲繩壓在下面的時(shí)候，鋼絲繩在梁下仍會(huì)保持移動(dòng)狀態(tài)，此時(shí)就可能造成梁體本身和鋼絲繩的磨損，甚至導(dǎo)致鋼絲繩斷裂等嚴(yán)重事故。因此在頂梁鋼絲繩經(jīng)過(guò)的位置設(shè)計(jì)安裝托繩輪，讓飄繩經(jīng)過(guò)的時(shí)候托繩輪也會(huì)跟隨繩子的移動(dòng)而旋轉(zhuǎn)，并且不會(huì)阻礙鋼絲繩的移動(dòng)，如圖5 所示。

圖5 托繩輪的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)Fig.5 Structure design of rope wheel

頂梁的托繩輪部分要求可以將固定卡軌車的鋼絲繩壓住并與軌道保持平行，所以對(duì)于過(guò)繩處的托繩輪的軸承強(qiáng)度也有一定要求。對(duì)其受力進(jìn)行分析如下：

壓繩梁受力計(jì)算：

式中：B 為飄繩下壓的高度，m；S 為飄繩兩端點(diǎn)的距離，m；F1為壓繩梁受力，kN；F 為鋼絲繩的靜張力，取絞車最大牽引力的0.8 倍，kN。

絞車運(yùn)行的過(guò)程中牽引的飄繩下壓給到壓繩梁上的力F1與飄繩本身的兩端點(diǎn)距離S、下壓高度B成反比，即所受到的最大牽引力作用下的力相同的情況下，飄繩的兩端距離S 越長(zhǎng)或是下壓高度B越大，則壓繩梁所受到的壓力F1就會(huì)越小。以巷道中常見礦下卡軌車為例，其最大牽引力為90 kN，則鋼絲繩的靜張力F 為70 kN，飄繩下壓高度B=1 m，飄繩兩端點(diǎn)的距離S=10 m。代入式（3）算得托繩輪部分受力F1為18.04 kN。因此在選取托繩輪軸材質(zhì)時(shí)，考慮其強(qiáng)度選用最低能夠承受住計(jì)算所得的部分受力的材料，保證裝置的可用性。

5 結(jié)論

（1） 通過(guò)闡述氣動(dòng)壓繩梁裝置的設(shè)計(jì)思路，建立該裝置各個(gè)結(jié)構(gòu)的二維、三維模型，介紹氣動(dòng)系統(tǒng)的組成以及頂梁、氣動(dòng)底梁、托繩輪等壓繩梁的各個(gè)主要零部件的設(shè)計(jì)過(guò)程，在此基礎(chǔ)上對(duì)于各部分的運(yùn)行原理進(jìn)行剖析證明該裝置的可行性。

（2） 氣動(dòng)壓繩梁裝置的設(shè)計(jì)針對(duì)“坡底壓繩”問(wèn)題的解決具有很高的實(shí)用效果，可以完善無(wú)極繩牽引卡軌車的應(yīng)用，在各種復(fù)雜條件的巷道中投入使用，填補(bǔ)我國(guó)礦用無(wú)極繩牽引卡軌車領(lǐng)域的相關(guān)技術(shù)空白，加強(qiáng)無(wú)極繩牽引卡軌車物料運(yùn)輸?shù)陌踩ＷC，保障煤礦的安全生產(chǎn)，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)采礦“無(wú)人化”與“自動(dòng)化”，可以在各個(gè)礦區(qū)進(jìn)行推廣使用。