王之康

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)晉圣三溝鑫都煤業(yè)， 山西 晉城 048200）

引言

煤礦運(yùn)輸系統(tǒng)分為主要運(yùn)輸系統(tǒng)和輔助運(yùn)輸系統(tǒng)，其中，主要運(yùn)輸系統(tǒng)包括帶式輸送機(jī)、刮板輸送機(jī)和提升機(jī)等；輔助運(yùn)輸系統(tǒng)包括絞車、架空乘人裝置等。針對(duì)煤礦綜采工作面大型機(jī)電設(shè)備搬運(yùn)困難、效率低以及勞動(dòng)強(qiáng)度大等問題，無極繩絞車牽引單軌吊設(shè)備很好地解決了上述問題，不僅提高了工作面輔助運(yùn)輸?shù)淖詣?dòng)化作業(yè)水平，還降低了作業(yè)人員的勞動(dòng)強(qiáng)度和機(jī)械損耗[1]。但是，對(duì)于現(xiàn)階段無極繩絞車主要面臨的問題無針對(duì)性措施。本文將重點(diǎn)開展無極繩絞車制動(dòng)小車關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，并進(jìn)行有限元分析驗(yàn)證。

1 無極繩絞車制動(dòng)系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

根據(jù)我國煤炭行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，關(guān)于無極繩絞車制動(dòng)系統(tǒng)的相關(guān)規(guī)定，無極繩絞車制動(dòng)系統(tǒng)需滿足如下四項(xiàng)要求：

1）無極繩絞車制動(dòng)系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)手動(dòng)和自動(dòng)兩種控制功能。

2）對(duì)于額定速度小于2m/s 的無極繩絞車而言，要求制動(dòng)系統(tǒng)在裝置超速30%時(shí)能夠自動(dòng)施閘；對(duì)于額定速度大于2 m/s 的無極繩絞車而言，要求制動(dòng)系統(tǒng)在裝置超速15%時(shí)能夠自動(dòng)施閘。

3）要求制動(dòng)系統(tǒng)在得到制動(dòng)的指令后到施閘的時(shí)間小于0.7 s。

4）要求制動(dòng)系統(tǒng)所提供的制動(dòng)力能夠保證設(shè)備在任何速度下6 s 內(nèi)制動(dòng)停車，即制動(dòng)時(shí)間小于6 s[2]。

無極繩絞車采用制動(dòng)小車為核心的系統(tǒng)進(jìn)行制動(dòng)。因此，制動(dòng)小車的性能和相關(guān)制動(dòng)結(jié)構(gòu)件的設(shè)計(jì)及材料選型對(duì)于整個(gè)制動(dòng)系統(tǒng)的性能尤為關(guān)鍵。本文將采用以制動(dòng)小車為核心的彈簧鉗式摩擦制動(dòng)方式實(shí)施制動(dòng)。但是，對(duì)于彈簧鉗式摩擦制動(dòng)結(jié)構(gòu)而言，由于在制動(dòng)彈簧恢復(fù)時(shí)容易對(duì)制動(dòng)臂造成較大應(yīng)力集中的現(xiàn)象[3]。因此，本文將重點(diǎn)開展對(duì)無極繩絞車制動(dòng)小車關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，并對(duì)所設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)通過有限元仿真分析方式進(jìn)行校核。

2 無極繩絞車關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

彈簧鉗式摩擦制動(dòng)方式的制動(dòng)小車的關(guān)鍵部件包括制動(dòng)輪、連桿、制動(dòng)臂、彈簧座、制動(dòng)彈簧等。本節(jié)將在對(duì)整個(gè)制動(dòng)小車受力分析的基礎(chǔ)上，對(duì)制動(dòng)臂、制動(dòng)架、彈簧座的結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，并對(duì)最終所設(shè)計(jì)制動(dòng)小車的疲勞壽命進(jìn)行分析。

2.1 無極繩絞車制動(dòng)小車受力分析

無極繩絞車制動(dòng)小車的結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 無極繩絞車制動(dòng)小車結(jié)構(gòu)示意圖

本文將根據(jù)無極繩絞車在最危險(xiǎn)工況下對(duì)應(yīng)的制動(dòng)小車所應(yīng)滿足的制動(dòng)性能為基礎(chǔ)，對(duì)其中的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)。在實(shí)際生產(chǎn)中，制動(dòng)小車彈簧所需的恢復(fù)力為28.5 kN，此時(shí)由于1∶3.5 的制動(dòng)臂，當(dāng)前制動(dòng)小車制動(dòng)輪對(duì)鋼軌腹板的正壓力為100 kN；而且，在緊急制動(dòng)時(shí)要求制動(dòng)小車所提供的制動(dòng)力不小于120 kN，此時(shí)制動(dòng)小車側(cè)板所承受的鋼絲繩的拉力為160 kN。

2.2 制動(dòng)小車關(guān)鍵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析

本小節(jié)重點(diǎn)對(duì)制動(dòng)小車的制動(dòng)臂、制動(dòng)架以及彈簧座的結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，并對(duì)設(shè)計(jì)后的結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析。

2.2.1 制動(dòng)臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及分析

2.2.1.1 制動(dòng)臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

制動(dòng)臂為整個(gè)制動(dòng)小車承載制動(dòng)力的關(guān)鍵部件。因此，要求所設(shè)計(jì)制動(dòng)臂的強(qiáng)度和剛度應(yīng)滿足要求，保證在整個(gè)制動(dòng)過程平穩(wěn)[4]。無極繩絞車在正常工作時(shí)，液壓油將彈簧壓緊且壓縮量達(dá)到最大，此時(shí)閘瓦與制動(dòng)輪之間的距離最大為21 mm；在制動(dòng)工況下，液壓油卸荷，閘瓦在彈簧的作用下與制動(dòng)輪接觸，達(dá)到摩擦制動(dòng)的效果；而且，通過制動(dòng)臂可對(duì)彈簧的回復(fù)力進(jìn)行控制，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)摩擦制動(dòng)大小的控制，直接反應(yīng)為制動(dòng)減速度。

從肋拱混凝土3 d、7 d、28 d強(qiáng)度曲線圖的變化趨勢(shì)，可以判斷混凝土強(qiáng)度變化情況。根據(jù)施工經(jīng)驗(yàn)，得出3 d強(qiáng)度值約為設(shè)計(jì)強(qiáng)度的30%，7 d強(qiáng)度值約為設(shè)計(jì)強(qiáng)度的50%，28 d強(qiáng)度值為設(shè)計(jì)強(qiáng)度的100%以上。在關(guān)鍵部位制作同條件試件（7 d），破壞荷載為：658 MPa、682 MPa、535.95 MPa，可以達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度79%。

根據(jù)無極繩絞車的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，考慮到空間和制動(dòng)效果，將制動(dòng)臂的厚度設(shè)定為20 mm，材料選型為Q550；并綜合考慮1∶3.5 的制動(dòng)臂，確定銷軸孔的直徑為60 mm。所設(shè)計(jì)制動(dòng)臂的其他尺寸如圖2 所示。

圖2 制動(dòng)臂尺寸（單位：mm）

2.2.1.2 制動(dòng)臂的有限元分析

基于Pro/E 三維建模軟件建立制動(dòng)臂的三維結(jié)構(gòu)，并將三維結(jié)構(gòu)導(dǎo)入有限元分析軟件中設(shè)定網(wǎng)格劃分；根據(jù)制動(dòng)工況下制動(dòng)臂的受力情況，在制動(dòng)臂的側(cè)板施加100 kN 的負(fù)載，對(duì)制動(dòng)臂的受力情況進(jìn)行仿真分析，并得出如下結(jié)論：

制動(dòng)臂的應(yīng)力集中位置位于銷軸孔和連板的鉸接位置，最大應(yīng)力值為421.8 MPa，遠(yuǎn)小于材料的需用屈服強(qiáng)度550 MPa；同時(shí)，制動(dòng)臂的最大變形量發(fā)生在其下側(cè)板的位置，且最大變形量?jī)H為1.25 mm，在合理范圍之內(nèi)。

綜上，所設(shè)計(jì)的制動(dòng)臂滿足無極繩絞車在制動(dòng)工況下的受力要求。

2.2.2 彈簧座的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及分析

彈簧座作為承載制動(dòng)彈簧回復(fù)力的關(guān)鍵載體，其還承擔(dān)連接制動(dòng)臂的作用[5]。從整體上彈簧座主要分為底板和四個(gè)立板，其中，立板通過焊接的方式與底板進(jìn)行固定。所設(shè)計(jì)的彈簧座的三維結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

圖3 彈簧座三維結(jié)構(gòu)示意圖

2.2.2.2 彈簧座的有限元分析

將上述所設(shè)計(jì)的彈簧座導(dǎo)入有限元分析軟件中，并根據(jù)制動(dòng)工況為其施加28.5 kN 的負(fù)載，對(duì)其在制動(dòng)工況下的應(yīng)力和變形進(jìn)行分析，并得出如下結(jié)論：

彈簧座的應(yīng)力集中位置處于底板和立板的焊接位置，且最大應(yīng)力值為172.5 MPa，遠(yuǎn)小于材料的需用屈服強(qiáng)度550 MPa；同時(shí)，彈簧座的最大變形量發(fā)生在其立板的上端面和下端板，且最大變形量?jī)H為0.14 mm，在合理范圍之內(nèi)。

綜上，所設(shè)計(jì)的彈簧座滿足無極繩絞車在制動(dòng)工況下的受力要求。

2.2.3 制動(dòng)小車疲勞壽命分析

基于上述制動(dòng)臂和彈簧座的設(shè)計(jì)，將其裝配為制動(dòng)小車，根據(jù)制動(dòng)工況下制動(dòng)小車的受力情況對(duì)其負(fù)載進(jìn)行施加，最后對(duì)制動(dòng)小車的疲勞壽命進(jìn)行仿真分析。

2.2.3.1 受力分析

經(jīng)仿真分析可知，所設(shè)計(jì)的制動(dòng)小車整體發(fā)生應(yīng)力集中的位置處于制動(dòng)臂側(cè)板與橫板的焊接處，且最大應(yīng)力值為375.84 MPa，遠(yuǎn)小于材料的需用屈服強(qiáng)度550 MPa；同時(shí)，制動(dòng)小車整體的變形量位于彈簧座的底端，其最大變形量為2.58 mm，變形量均勻無突變情況。

2.2.3.2 疲勞壽命分析

經(jīng)仿真分析可知，制動(dòng)小車最容易發(fā)生疲勞失效的位置處于制動(dòng)臂橫板與加強(qiáng)筋焊接的位置，其對(duì)應(yīng)的壽命失效次數(shù)為15 644 次；通過安全系數(shù)因子云圖可知，制動(dòng)小車的整體安全系數(shù)為2.055，具有足夠的安全系數(shù)，即可完全保證制動(dòng)工況的安全運(yùn)行。

3 結(jié)語

無極繩絞車為煤礦搬運(yùn)大型機(jī)電設(shè)備的裝置，作為輔助運(yùn)輸系統(tǒng)，搬運(yùn)效率和制動(dòng)效果最為關(guān)鍵，本文根據(jù)無極繩絞車的實(shí)際制動(dòng)工況設(shè)計(jì)了無極繩絞車制動(dòng)小車制動(dòng)臂和彈簧座關(guān)鍵結(jié)構(gòu)，并對(duì)所設(shè)計(jì)制動(dòng)小車的疲勞壽命進(jìn)行分析得知：所設(shè)計(jì)的制動(dòng)臂、彈簧座和制動(dòng)小車可在制動(dòng)工況下安全、穩(wěn)定運(yùn)行，應(yīng)力和變形均滿足要求；同時(shí)，制動(dòng)小車的安全系數(shù)高達(dá)2.055，具有足夠的安全系數(shù)。