王國慶

（天津市祥威傳動設(shè)備有限公司，天津 300380）

1 開槽機(jī)的用途和結(jié)構(gòu)

開槽機(jī)是用于在煤層內(nèi)掏槽的采煤機(jī)械，在炮采工作面煤壁上截割出截槽，增加自由面以提高爆破落煤的效果，應(yīng)用于開采中硬和軟煤層，也可開采其它成層的礦產(chǎn)，但不能截割堅硬的夾石和硫鐵礦等。

在現(xiàn)代機(jī)械化采煤過程中，大規(guī)模的應(yīng)用采煤機(jī)等機(jī)械設(shè)備落煤，機(jī)械效率很高，但是存在一個難以解決的問題，就是機(jī)械截割部分的截齒相互之間的距離是有限的，造成落煤塊度小，在產(chǎn)量一定時，降低了煤的價值，也降低了利潤。同時，在一些中小型的煤礦中，由于資金相對不足，大型的機(jī)械設(shè)備不能得到很好的應(yīng)用，仍然采用人工落煤，生產(chǎn)效率也不高。開槽機(jī)就能一定程度地解決這些問題。首先用開槽機(jī)在采煤工作面底部開出一道深槽，然后在上方煤壁上打眼放炮，達(dá)到落煤塊度大、效率高的目的。

如圖1所示即為開槽機(jī)的主要構(gòu)成簡圖，電動機(jī)兩端出軸，分別驅(qū)動截割部和牽引部。

2 開槽機(jī)牽引機(jī)構(gòu)及鋼絲繩的纏繞方法

2.1 牽引機(jī)構(gòu)簡述

開槽機(jī)的牽引是利用牽引鋼絲繩，這時，繩子的一端系在固定支柱上，另一端則繞在機(jī)器的卷筒上，這個卷筒是由主電動機(jī)經(jīng)過牽引機(jī)構(gòu)減速器而帶著轉(zhuǎn)動的，這個減速器跟繩筒合在一起被稱為牽引機(jī)構(gòu)。

圖1 開槽機(jī)的構(gòu)成

通常牽引機(jī)構(gòu)可保證開槽機(jī)產(chǎn)生幾種速度，司機(jī)根據(jù)煤的堅硬性的不同而選擇一種牽引速度，這個牽引速度要使電動機(jī)的負(fù)荷剛好達(dá)到額定功率。但是由于開槽機(jī)上沒有控制電動機(jī)負(fù)荷的儀器，所以選擇牽引速度是由司機(jī)聽電動機(jī)發(fā)出來的聲音而決定的，這在很大程度上取決于司機(jī)的經(jīng)驗(yàn)。除了工作速度外，牽引機(jī)構(gòu)還應(yīng)保證有一個比工作速度大得多的調(diào)動速度。

經(jīng)驗(yàn)證明，把繩筒放在開槽機(jī)底部的垂直軸上是最為合適的。這時，卷筒直徑不應(yīng)大于機(jī)器機(jī)殼的寬度，同時又要讓卷筒上容得下20～30m的鋼絲繩。

開槽機(jī)的工作牽引速度不高，一般都在1.4m/min以下。應(yīng)用得最多的是很低的速度，大致為0.3～0.5m/min。因?yàn)槔K筒直徑一般為520～580mm，那么繩筒的每分鐘轉(zhuǎn)速應(yīng)該在0.165～0.860r/min之間。

而在某些情況下，還要更低一些。這樣，當(dāng)電動機(jī)轉(zhuǎn)速n0=1480r/min時，牽引減速器的傳動比將為8970～1721之間。

由于我們還必須要保持減速器尺寸最小，所以如果用普通的齒輪來實(shí)現(xiàn)大的傳動比在實(shí)際上是不可能的，因?yàn)檫@樣就需要6～7對齒輪。因此，牽引機(jī)構(gòu)減速器設(shè)計或者用行星輪傳動，或者利用某些機(jī)構(gòu)傳動。

除了傳動機(jī)構(gòu)以外，牽引部減速器在某種情況下還加上保護(hù)裝置，以防止鋼絲繩內(nèi)可能因負(fù)荷過大打壞齒輪。這種保護(hù)裝置有摩擦離合器及彈簧牙嵌離合器。

2.2 鋼絲繩的纏繞方法

我們把鋼絲繩由直線位置變成曲線狀態(tài)時算作彎曲半次，鋼絲繩由曲線狀態(tài)又變成直線狀態(tài)，又由直線狀態(tài)回復(fù)到曲線狀態(tài)，我們就稱之為彎曲一次。在以后彎曲時，如果鋼絲繩彎曲方向與第一次彎曲方向相反這就認(rèn)為在鋼絲繩的每一個反向彎曲上又加上了一次彎曲。由這一觀點(diǎn)出發(fā)，我們來比較兩種不同的鋼絲繩在卷筒上的纏繞方式，如圖2與圖3。

在圖2上我們得到：（1）鋼絲繩在滑輪上彎曲過去又反過來；（2）繞在繩筒上時彎曲；（3）繞在繩筒上的方向跟繞在滑輪上的彎曲方向相反。鋼絲繩受到2.5次彎曲。

在圖3上我們得到：（1）鋼絲繩在滑輪上彎曲過去并又反過來；（2）繞在卷筒上時彎曲。鋼絲繩受到1.5次彎曲。由于很多學(xué)者所做過的試驗(yàn)證明，減少彎曲次數(shù)可以大大增加鋼絲繩的使用年限，因此，圖3中的鋼絲繩工作方式要比圖2中的方式要好得多。所以，應(yīng)用圖3中的纏繞方式。

3 牽引鋼絲繩的選擇

3.1 鋼絲繩的結(jié)構(gòu)及類型

鋼絲繩絲繩是由一定數(shù)量（一般為6根）的細(xì)鋼絲捻成繩股，再由股（一般為6股）捻制成繩，繩的中間夾有含油麻芯。制造鋼絲繩的鋼絲為優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼，其抗拉強(qiáng)度為1400～2000MPa。在承受相同終端載荷的條件下，抗拉強(qiáng)度過高的鋼絲繩韌性差。抗拉強(qiáng)度大，鋼絲繩在承受相同的載荷下，繩徑可以小一些，但其彎曲疲勞性能差一些。鋼絲繩有光面和鍍鋅的兩種，后者可以防止銹蝕。由于鋼絲繩中股數(shù)和捻向的不同，以及股中鋼絲數(shù)目、鋼絲直徑、斷面形狀和排列方式的不同，鋼絲繩可以有許多不同的類型，因而性能不相同，使用條件也不一樣。

圖2

圖3

鋼絲繩的繩芯是由苧麻、線麻或馬尼拉麻等具有較大抗拉強(qiáng)度的纖維捻制而成，其作用是儲存繩油，以便減小鋼絲繩工作時內(nèi)部鋼絲的相互磨損，并防止生銹和腐蝕，可增加儲油性，并起墊襯作用，減少繩股擠壓變形。

采煤機(jī)械用的牽引鋼絲繩構(gòu)造比較簡單，且成本比較低。但是，繞在卷筒上時，鋼絲繩工作條件很惡劣，因?yàn)樗粌H拉力很大，同時又要在直徑較小的滑輪上彎曲。

鋼絲繩有很多種，根據(jù)不同的特點(diǎn)有不同的分類方法：

（1）按鋼絲類型分類

鋼絲有光面和鍍鋅兩種類型，室內(nèi)工作時通常使用光面鋼絲繩，露天和潮濕環(huán)境中使用鍍鋅鋼絲繩。鋼絲按韌性分為特號、Ⅰ號和Ⅱ號。特號鋼絲用于載人提升，Ⅰ號用于起重和牽引機(jī)械，Ⅱ號通常用于捆綁貨物等次要用途。

（2）按捻制方向分類

按鋼絲捻成股與股捻成繩的方向相同或相反，分為同向捻和交互捻鋼絲繩。同向捻鋼絲繩撓性好，使用壽命長，但容易自行扭轉(zhuǎn)和松散，通常用作牽引繩，在自由懸掛的提升、起重機(jī)械中不宜采用，只有在具有剛性軌道的提升機(jī)械（如電梯）中才使用。交互捻鋼絲繩不易自行松散，在起重機(jī)械中廣泛應(yīng)用，但是撓性小、壽命較短。

按股捻成繩的方向，這兩種鋼絲繩又分為左旋和右旋兩種類型，一般多用右旋繩。

（3）按繩芯材料分類

按繩芯材料種類，鋼絲繩分為纖維芯（棉、麻芯）、石棉芯和鋼絲芯三種類型。纖維芯和石棉芯鋼絲繩撓性大、彈性好，但不能承受橫向壓力，區(qū)別是前者不耐高溫，后者耐高溫。鋼絲芯鋼絲繩強(qiáng)度高，能夠承受高溫和橫向壓力，但撓性較差。

通常使用纖維芯鋼絲繩，高溫、重載和多層卷繞的情況下使用鋼絲芯鋼絲繩。

（4）按鋼絲接觸狀態(tài)分類

按股中鋼絲與鋼絲的接觸狀態(tài)，鋼絲繩分為點(diǎn)接觸式、線接觸式和面接觸式。

點(diǎn)接觸鋼絲繩股中各層鋼絲直徑相同，捻距不同，形成點(diǎn)接觸，因而鋼絲接觸應(yīng)力很高，容易磨損和斷裂，壽命較低，但制造容易而且價廉。

線接觸鋼絲繩股中各層鋼絲的捻距相等，直徑不同，外層粗鋼絲位于內(nèi)層細(xì)鋼絲的溝縫里，形成線接觸，因而鋼絲接觸應(yīng)力低，撓性好，結(jié)構(gòu)緊密，壽命長，承載能力大，應(yīng)優(yōu)先選用。線接觸鋼絲繩有三種結(jié)構(gòu)型式：粗細(xì)型（W型，也稱為瓦林吞型）、外粗型（X型，也稱為西魯型）和填充型（T型）。通常使用粗細(xì)型，外粗型適用于磨損較嚴(yán)重的場合。

面接觸鋼絲繩的鋼絲間為面接觸，耐磨損，能夠承受大的橫向壓力，通常用于索道的承載索。

（5）按股的斷面形狀分類

按照股的斷面形狀，鋼絲繩分為圓形股和異形股。圓形股制造方便，廣泛使用。異形股有三角形股、橢圓形股等，與卷筒或滑輪的接觸面大，強(qiáng)度高、耐磨損、壽命長，但是制造復(fù)雜。

不同斷面形狀的鋼絲繩，其主要特點(diǎn)歸納如下：

（a）圓形股鋼絲繩。易于用眼檢查斷絲，有相當(dāng)大的撓性，制造簡單，價格低。但隨載荷變化有旋轉(zhuǎn)趨勢，且外部鋼絲易磨損。

（b）三角股鋼絲繩。易于用眼檢查斷絲，在相同條件下，比圓股繩強(qiáng)度大，壽命長；外部鋼絲比圓股耐磨。但隨載荷變化有旋轉(zhuǎn)趨勢，且撓性較圓股繩差。

（c）多層股鋼絲繩。旋轉(zhuǎn)性小，有相當(dāng)大的撓性。但內(nèi)部鋼絲不易檢查。

（d）密封、半密封鋼絲繩。不旋轉(zhuǎn)，外部鋼絲耐磨，抗腐蝕性好，在相同條件下強(qiáng)度最大，彈性變形小。但內(nèi)部鋼絲不易檢查，撓性小，直徑大時斷面易變形，制造復(fù)雜，價格高。

（e）扁鋼絲繩。不旋轉(zhuǎn)，易于檢查，有很大的撓性。但易被磨損，手工生產(chǎn)效率低，價格高。

選擇鋼絲繩時，要根據(jù)使用條件和鋼絲繩的特點(diǎn)來考慮，基于本次設(shè)計的是井下小煤礦用的開槽機(jī)械，故所選的鋼絲繩的材料為優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼，Ⅰ號鋼，類型是同向捻的線接觸式圓股鋼絲繩6W（19），繩芯為纖維芯。

式中，d-鋼絲繩最小直徑，mm；c-選擇系數(shù)，在機(jī)械設(shè)計手冊中可以查到；Fmax-鋼絲繩最大靜拉力，N。

由現(xiàn)場常用開槽機(jī)數(shù)據(jù)求得，鋼絲繩的最大靜拉力為：Fmax=Q=25989.6N

在機(jī)械設(shè)計手冊中可知，牽引鋼絲繩的最小安全系數(shù)不得小于4，故本人安全系數(shù)取5，而對應(yīng)的鋼絲繩公稱抗拉強(qiáng)度為 1850MPa，c=0.096，帶入式（1）得：

即最小直徑為15.48mm，此處取16mm，查手冊可得到其它參數(shù)如下：導(dǎo)向滑輪的直徑90mm；鋼絲繩直徑16mm；鋼絲中心直徑1.2mm；鋼絲總斷面積107.74mm2；鋼絲繩公稱抗拉強(qiáng)度1700MPa；彈性模量E為200GPa。

即所選鋼絲繩為：鋼絲繩6W（19）-16-1700-Ⅰ-光-右同GB1102-74。

3.2 鋼絲繩的應(yīng)力計算及鋼絲繩破斷拉力的計算

鋼絲繩的拉力是由拉繩子的力所引起的，它等于：σP=Q/F式中，F(xiàn)-鋼絲繩的全部鋼絲的斷面積。

為了要考慮繩內(nèi)的彎曲應(yīng)力，我們來看一下繩在卷筒上纏繞的情形。在纏繞時，鋼絲繩的鋼絲發(fā)生變形，其變形可由圖4求出。大家知道，繩內(nèi)鋼絲扭成股，而股則捻成鋼絲繩。要精確地研究鋼絲的扭曲變形是很困難的，因此，我們只研究一根假想的鋼絲，這根鋼絲正位于鋼絲的中心線上，同時引進(jìn)一個校正系數(shù)，以考慮鋼絲的扭曲。

圖4

把已選好的鋼絲繩的參數(shù)帶入可得：

所以鋼絲繩內(nèi)的總應(yīng)力小于鋼絲繩的許用應(yīng)力（1700MPa）。故所設(shè)計的鋼絲繩符合強(qiáng)度要求。

另外，還要保證以下公式滿足［1］：F0≥FmaxS/φ式中，F(xiàn)0-鋼絲繩中全部鋼絲的破斷拉力總和，N；Fmax-鋼絲繩工作時的最大靜拉力，N；S-最小安全系數(shù)，查表可得；φ-鋼絲繩破斷拉力換算系數(shù)。

將本次設(shè)計的參數(shù)帶入，S＝5，F(xiàn)max=2652kg＝25989.6N，另根據(jù)機(jī)械設(shè)計手冊知此形式的φ=0.85，則得：FmaxS/φ=25989.6×5/0.85＝152880N。

查表可知，當(dāng)鋼絲繩直徑為16mm，公稱抗拉強(qiáng)度為1700MPa時，鋼絲繩破斷拉力總和F0≥183000N，從以上計算的結(jié)果可知，所選鋼絲繩符合要求。

鋼絲繩的使用年限是不長的，大致是3～6個月。鋼絲繩的使用年限還決定于它在工作中彎曲的次數(shù)，有很多學(xué)者做過實(shí)驗(yàn)證明，減少彎曲次數(shù)可以大幅度增加鋼絲繩的使用年限。

4 結(jié)語

開槽機(jī)牽引機(jī)構(gòu)，一定要根據(jù)實(shí)際情況選擇適當(dāng)規(guī)格的鋼絲繩，選擇合理的纏繞方法，并通過應(yīng)力計算及破斷拉力計算驗(yàn)證選擇鋼絲繩的可靠性，既不能選擇可靠性差的鋼絲繩，否則會給生產(chǎn)安全帶來隱患，也不能選擇過高的可靠性，造成大馬拉小車的資源浪費(fèi)。

［1］潘英編，礦山提升機(jī)械設(shè)計［M］.徐州：中國礦業(yè)大學(xué)出版社，2000.

［2］采礦手冊編輯委員會.采礦手冊：第5卷）M］.北京：冶金工業(yè)出版社，1999.

［3］布.勒.達(dá)維道夫.煤炭工業(yè)機(jī)械：第一卷［M］.北京：煤炭工業(yè)出版社，1956.

［4］徐灝主.機(jī)械設(shè)計手冊［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1995.