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(yè)人員。它由機頭（驅(qū)動裝置）、中間部分（托輪、吊架）、機尾（從動裝置）、鋼絲繩、電控系統(tǒng)等組成，工作原理是：驅(qū)動裝置采用電機或液壓系統(tǒng)帶動減速機及減速機上的驅(qū)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(qū)動裝置上的驅(qū)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(huán)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(huán)（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(xù)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(huán)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(tǒng)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(qū)動輪通過驅(qū)動軸帶動，一般井下環(huán)境比較惡劣，在差環(huán)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(qū)動軸。在過去的設計結構中，驅(qū)動軸不僅承受沿著鋼絲方向的徑向拉力，還要承受帶動驅(qū)動輪轉(zhuǎn)動所需要的扭矩，另外還有運行過程中產(chǎn)生的沖擊載荷，以上三點不利因素，經(jīng)過時間的積累，會造成驅(qū)動軸使用壽命的縮短，使驅(qū)動軸在疲勞受損過程中產(chǎn)生裂紋進而斷裂，最終會造成整個驅(qū)動輪隨著斷裂的驅(qū)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(fā)現(xiàn)，需要一種穩(wěn)定、可靠的安全保護裝置。目前傳統(tǒng)結構驅(qū)動軸與驅(qū)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(qū)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(qū)動軸的使用壽命，徑向拉力與沖擊載荷增加了驅(qū)動軸的使用負荷，在使用過程中容易產(chǎn)生裂紋、斷裂；②驅(qū)動軸更換不方便，當驅(qū)動軸產(chǎn)生裂紋或者斷裂，需要更換驅(qū)動軸時，必須先將驅(qū)動輪與驅(qū)動軸拆分開，再將驅(qū)動軸與減速器拆分開，并將新的驅(qū)動軸與減速器連接固定，最后將驅(qū)動輪起吊與驅(qū)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(jù)《煤礦安全規(guī)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(xiàn)提供一種扭力分離，驅(qū)動軸只起傳動扭矩作用的驅(qū)動裝置傳動結構，此結構能有效防止驅(qū)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(qū)動軸、機架、承載套壓板、承載套、驅(qū)動輪、驅(qū)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(qū)動軸一端插入減速機輸出軸孔內(nèi)，驅(qū)動軸另一端插入驅(qū)動接盤內(nèi)，驅(qū)動接盤通過螺栓與驅(qū)動輪固定，驅(qū)動輪內(nèi)裝有軸承，軸承內(nèi)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(qū)動輪掉出，承載套上端插入機架內(nèi)，承載套采用螺栓與機架連接，承載套與驅(qū)動軸間隙4 mm。在以往的設計結構中，驅(qū)動軸同時承受扭矩及徑向拉力、驅(qū)動輪自重，在該結構中，驅(qū)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(qū)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(qū)動軸、減速機連接，控制器分別通過數(shù)據(jù)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(qū)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(qū)動軸斷軸或者無驅(qū)動軸時，驅(qū)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(fā)生。另外，當斷軸發(fā)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(fā)出斷軸信號，通過PLC 控制系統(tǒng)發(fā)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(shù)，取C=1000

q0——預選牽引鋼絲繩每米質(zhì)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(tài)，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(shù)

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(qū)、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(qū)動輪重力和驅(qū)動輪切向力產(chǎn)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(shù)，mm3

P——驅(qū)動輪最大切向力，N

l——驅(qū)動輪切向力至空心管支點距離（力臂），mm

d1——空心管外經(jīng)，mm

d2——空心管外經(jīng)，mm

［τn］——許用彎矩剪應力，?。郐觧］=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(qū)動輪最大切向力，N

l——驅(qū)動輪切向力至空心管支點距離（力臂），mm

d1——空心管外經(jīng)，mm

d2——空心管外經(jīng)，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(lián)，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(xiàn)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(qū)動軸同時承受驅(qū)動輪轉(zhuǎn)動所需的大扭矩及沿鋼絲繩方向的徑向拉力、驅(qū)動輪自重的結構，通過承載套，實現(xiàn)對驅(qū)動軸的卸荷，使驅(qū)動軸在整個裝置中只起到傳遞減速機扭矩的作用，使驅(qū)動輪在沒有安裝驅(qū)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(wěn)定，更換驅(qū)動軸時，只需拆卸接盤蓋板、驅(qū)動接盤，維修方便，承載套的存在，也實現(xiàn)了對旋轉(zhuǎn)的驅(qū)動軸護罩功能，防止外來物件轉(zhuǎn)入驅(qū)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(nèi)首創(chuàng)，總體性能指標居國內(nèi)同類產(chǎn)品領先地位。

圖3 承載套彎矩

圖4 承載套擾度