礦用提升機(jī)垂懸鋼絲繩回收裝置設(shè)計(jì)研究

馬曉鋒

（同煤浙能麻家梁煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西 朔州036000）

引言

在煤礦深井運(yùn)輸中最常用的提升機(jī)類型為摩擦型提升機(jī)，并安裝有多根鋼絲繩進(jìn)行拉伸運(yùn)輸[1]。鋼絲繩在長(zhǎng)時(shí)間作業(yè)后容易出現(xiàn)磨損、銹蝕，甚至斷裂的情況。根據(jù)《煤礦安全規(guī)程》的規(guī)定，應(yīng)及時(shí)對(duì)鋼絲繩進(jìn)行更換。對(duì)于多繩摩擦型提升機(jī)的鋼絲繩更換工藝也是對(duì)專業(yè)技術(shù)要求較高的工作過程，目前常采用的垂懸鋼絲繩更換回收方法主要分為絞車法和舊繩帶新繩法，兩種方法都具有各自的工程特點(diǎn)，但也同時(shí)存在一定的技術(shù)缺陷，無(wú)法有效保證在鋼絲繩回收過程中的安全性、可靠性[2]。在回收鋼絲繩時(shí)，主要出現(xiàn)的問題為鋼絲繩在扭矩作用力下會(huì)有離心力的產(chǎn)生，導(dǎo)致鋼絲繩之間的纏繞；人工拉拽回收鋼絲繩，必須對(duì)鋼絲繩進(jìn)行阻斷切割，這樣的方法安全性較低，對(duì)人力、物力的成本投入不具有經(jīng)濟(jì)性。因此，設(shè)計(jì)出一種能夠?qū)︿摻z繩進(jìn)行連續(xù)回收的裝置，在回收過程中能夠減小鋼絲繩內(nèi)部扭力，防止纏繞發(fā)生，降低工作成本，最終達(dá)到保護(hù)作業(yè)人員安全的目的。

1 鋼絲繩扭轉(zhuǎn)作用機(jī)理

1.1 鋼絲繩結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

在設(shè)計(jì)鋼絲繩回收裝置之前，應(yīng)對(duì)鋼絲繩的內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行了解掌握，才能設(shè)計(jì)出有針對(duì)性的回收裝置。提升機(jī)所用的鋼絲繩可以分為兩大類，當(dāng)鋼絲和繩股捻制方向不一致的時(shí)候，該類型為交互捻鋼絲繩；相反，當(dāng)鋼絲和繩股捻制方向一致的時(shí)候，該類型為同向捻鋼絲繩[3]。兩類鋼絲繩結(jié)構(gòu)類型在技術(shù)特點(diǎn)上完全不同，交互捻制鋼絲繩的外表比較僵硬，在表面的粗糙度較大，具有較強(qiáng)的彎曲應(yīng)力，但是在受到力后的恢復(fù)力較好；同向捻鋼絲繩的外表面比較光滑，彎曲應(yīng)力較弱，因此該類型鋼絲繩比較柔軟，具有較長(zhǎng)的使用壽命[4]。同時(shí)，提升鋼絲繩主要采用單層股的結(jié)構(gòu)形式，結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 單層股提升鋼絲繩內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 鋼絲繩扭轉(zhuǎn)原理

了解鋼絲繩的扭轉(zhuǎn)原理是設(shè)計(jì)鋼絲繩回收裝置的前提。在礦井垂直提升時(shí)，提升機(jī)在拉動(dòng)鋼絲繩時(shí)都要經(jīng)過天輪，此時(shí)鋼絲繩就會(huì)發(fā)生頻繁的正反向彎曲。無(wú)論鋼絲繩是提升或者是下降，都會(huì)使得鋼絲繩在天輪處呈彎曲狀態(tài)。鋼絲繩在彎曲時(shí)截面所受到的載荷主要與截面的拉伸載荷、終端掛載的載荷、單位長(zhǎng)度質(zhì)量，截面下端距離等因素有關(guān)。在實(shí)際應(yīng)用過程中，為了保證鋼絲繩的彎曲應(yīng)力平衡，都會(huì)在左右兩個(gè)方向布置同等數(shù)目的鋼絲繩，使得鋼絲繩的自旋方向具有穩(wěn)定性[5]，常用的鋼絲繩布置圖如下頁(yè)圖2所示。

2 鋼絲繩回收裝置設(shè)計(jì)方案

2.1 設(shè)計(jì)思路

回收裝置要具有隨動(dòng)隨停的功能，可以及時(shí)對(duì)速度進(jìn)行控制；回收裝置要設(shè)置靈活的支撐結(jié)構(gòu)，能夠隨時(shí)更換繩盤并減輕繩盤的質(zhì)量；最重要的設(shè)計(jì)需要減小鋼絲繩的扭力，防止鋼絲繩的纏繞，并有效地減小離心力；根據(jù)設(shè)計(jì)思路，對(duì)回收裝置的參數(shù)進(jìn)行設(shè)定。驅(qū)動(dòng)電機(jī)功率為12.5 kW、驅(qū)動(dòng)電壓為380 V、回收速度為0～10 m/min、回收長(zhǎng)度最大值為800 m。在回收裝置回卷鋼絲繩時(shí)應(yīng)保持與鋼絲繩離開滾筒的速度相一致，雖然回收裝置的速度可以進(jìn)行調(diào)節(jié)，但一般采用的送繩速度為0～5 m/min.

圖2 提升鋼絲繩布置圖

2.2 整體方案

鋼絲繩回收裝置主要分為三大模塊，分別為：驅(qū)動(dòng)模塊、夾緊模塊、排繩與扭力釋放模塊[6]。其中驅(qū)動(dòng)模塊主要是輸出動(dòng)力，實(shí)現(xiàn)回收裝置能夠?qū)摻z繩收回；夾緊模塊是繩盤支撐功能模塊，能夠使繩盤方便安裝和拆卸；排繩與扭力釋放模塊主要的功能是保障鋼絲繩在回收過程中的安全性。基于整體方案的設(shè)計(jì)，將回收裝置的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖3所示。

圖3 回收裝置整體結(jié)構(gòu)圖

2.3 回收裝置功能結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.3.1 驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)

驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)主要包括動(dòng)力裝置設(shè)計(jì)和鏈傳動(dòng)設(shè)計(jì)。其中動(dòng)力裝置采用以JD-2型絞車為驅(qū)動(dòng)裝置，絞車應(yīng)屬于防爆型絞車，額定轉(zhuǎn)速為1 550 r/min。通過鏈輪將動(dòng)力輸送至驅(qū)動(dòng)軸，從而帶動(dòng)回收裝置的旋轉(zhuǎn)。動(dòng)力輸出能夠使得工作載荷能夠在最合適的位置輸出功率?；厥昭b置選取的小鏈輪型號(hào)為16A、齒數(shù)為32，大鏈輪型號(hào)為16A、齒數(shù)為45。鏈傳動(dòng)的設(shè)計(jì)主要是保證回收裝置在收回鋼絲繩時(shí)的低速運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下，能夠保證鏈條不被拉斷。

2.3.2 夾緊機(jī)構(gòu)

夾緊機(jī)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)繩盤的快速夾緊，當(dāng)活塞該頂出的時(shí)候，將注入液壓油給予繩盤一定的夾緊力，如果自動(dòng)裝置出現(xiàn)故障的時(shí)候，還可以采用手動(dòng)的方式作為臨時(shí)的液壓源，并且可以對(duì)夾緊板的橫向移動(dòng)進(jìn)行有效控制。尾架也是加緊機(jī)構(gòu)的關(guān)鍵部件，尾架上裝有支撐平臺(tái)和支撐柱，在底座上安裝尾架能夠有足夠的空間對(duì)繩盤進(jìn)行拆除。夾緊機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示。

圖4 夾緊機(jī)構(gòu)示意圖

2.4 模型結(jié)構(gòu)建立

采用Solidworks建模軟件建立起鋼絲繩回收裝置的三維模型圖，并施加相關(guān)的力學(xué)載荷，同時(shí)設(shè)計(jì)與實(shí)際工況條件相符的邊界條件，對(duì)鋼絲繩回收裝置進(jìn)行約束。結(jié)構(gòu)模型主要通過鏈條傳動(dòng)來(lái)減小摩擦阻力，實(shí)現(xiàn)了鋼絲繩扭轉(zhuǎn)速度在合理的范圍內(nèi)。其中夾緊裝置主要用的是平衡桿與底座相連，實(shí)現(xiàn)了操作人員更大的作業(yè)空間，并且不影響支撐繩盤。鋼絲繩回收裝置的仿真模型結(jié)構(gòu)示意圖如圖5所示。

圖5 回收裝置仿真模型示意圖

3 鋼絲繩回收裝置工作性能分析

3.1 動(dòng)力學(xué)仿真分析

按照實(shí)際工況條件，對(duì)回收裝置的仿真模型施加了載荷參數(shù)后，對(duì)其動(dòng)力學(xué)進(jìn)行仿真分析。如下頁(yè)圖6所示為繩盤與撥桿軸的作用力。在繩盤開始轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)刻，撥桿軸要在較短時(shí)間內(nèi)驅(qū)動(dòng)滿載繩盤轉(zhuǎn)動(dòng)，因此撥桿軸推動(dòng)繩盤的作用力會(huì)發(fā)生劇烈變化?？梢钥闯鲈?.34 s時(shí)，作用力達(dá)到最大為7 444 N，隨著繩盤達(dá)到預(yù)定轉(zhuǎn)速，與撥桿的作用力逐漸穩(wěn)定在3 000 N附近。由于鋼絲繩承受底板的摩擦力為1000 N，滿盤時(shí)的卷繞半徑為900 mm，撥桿軸的偏心距為300 mm，也可以計(jì)算出穩(wěn)定狀態(tài)下?lián)軛U軸的驅(qū)動(dòng)力為3 000 N。說明了回縮裝置減小了鋼絲繩的扭轉(zhuǎn)力，使其離心力也相應(yīng)減小，將鋼絲繩在回收過程中得到穩(wěn)定。

圖6 繩盤與撥桿軸作用力

3.2 機(jī)架模態(tài)分析

由于回收裝置在對(duì)鋼絲繩進(jìn)行拉拽的時(shí)候容易使整體機(jī)架產(chǎn)生振動(dòng)，因此對(duì)于機(jī)架的模態(tài)分析也顯得尤為重要?；厥昭b置在載荷較大工況下要經(jīng)常點(diǎn)動(dòng)啟動(dòng)，由于繩盤的重量較大，對(duì)機(jī)架的沖擊力大，需要計(jì)算在啟動(dòng)中繩盤對(duì)機(jī)架的激勵(lì)頻率，避免啟動(dòng)時(shí)產(chǎn)生共振，破壞機(jī)架。如圖7所示，可以得出振幅最大處對(duì)應(yīng)的頻率為2.34 Hz，說明在點(diǎn)動(dòng)啟動(dòng)過程中，繩盤對(duì)機(jī)架的沖擊作用是一個(gè)低頻率的沖擊，低于機(jī)架的固有頻率。表明回收裝置在點(diǎn)動(dòng)作業(yè)時(shí)，不會(huì)引發(fā)共振，可以平穩(wěn)地作業(yè)。

圖7 繩盤與機(jī)架作用力之間的頻域變換示意圖

4 結(jié)語(yǔ)

新型鋼絲繩回收裝置，通過有限元仿真技術(shù)對(duì)回收裝置在動(dòng)力學(xué)和模態(tài)方面進(jìn)行了分析，試驗(yàn)結(jié)果證明設(shè)計(jì)出的回收裝置能夠滿足更換鋼絲繩的工程需要。