唐 娜，王正濤，周 航

（天津賽瑞機(jī)器設(shè)備有限公司，天津 300301）

電鏟擺動(dòng)梯及其鎖定裝置的研究

唐 娜，王正濤，周 航

（天津賽瑞機(jī)器設(shè)備有限公司，天津 300301）

傳統(tǒng)的電鏟梯子結(jié)構(gòu)復(fù)雜、操作不便，且沒有鎖定裝置，存在一定的安全隱患。針對(duì)這些弊端，介紹了一種新型結(jié)構(gòu)的電鏟擺動(dòng)梯及其鎖定裝置，在電鏟原有的氣動(dòng)系統(tǒng)中增設(shè)氣缸，使其推動(dòng)擺動(dòng)梯實(shí)現(xiàn)擺動(dòng)、升降動(dòng)作,并通過鎖定裝置進(jìn)行安全鎖定。該擺動(dòng)梯及其鎖定裝置已經(jīng)成功應(yīng)用在我公司的電鏟設(shè)備上，操作方便、安全可靠，達(dá)到了預(yù)先設(shè)想的使用效果。

電鏟；擺動(dòng)梯；鎖定裝置

0 引言

電鏟又稱機(jī)械挖掘機(jī)，是露天礦山開采系統(tǒng)的重要設(shè)備之一，用于將土壤、礦石或煤炭由工作面挖取下來，并且裝入運(yùn)輸設(shè)備或者直接卸入排土場(chǎng)[1]。電鏟設(shè)備主要由履帶行走裝置、平臺(tái)裝置、作業(yè)設(shè)備3大部分組成，其中履帶行走裝置由履帶、驅(qū)動(dòng)輪、支重輪、托輪、引導(dǎo)輪和履帶張緊裝置組成[2]。電鏟特有的行走裝置導(dǎo)致整機(jī)設(shè)備高度高，機(jī)重大，通常需要在電鏟設(shè)備上增設(shè)梯子裝置，用于承接操作人員上下車。電鏟中梯子傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式主要有掛梯、伸縮梯[3]、絕緣梯蹬[4]、折疊梯、擺動(dòng)梯等。這些結(jié)構(gòu)形式的梯子往往結(jié)構(gòu)復(fù)雜、制造難度大、操作不方便，且沒有鎖定裝置，存在安全隱患。新型電鏟擺動(dòng)梯是利用氣路系統(tǒng)產(chǎn)生的壓氣使系統(tǒng)中各氣動(dòng)元件動(dòng)作[5]。依靠2組單作用氣缸伸縮，使擺動(dòng)梯繞中心轉(zhuǎn)軸擺動(dòng)、升降。氣缸完全縮回時(shí)，擺動(dòng)梯傾斜45°，下端支撐板與地面接觸，操作人員通過其實(shí)現(xiàn)上、下車。當(dāng)氣缸伸出到最大行程時(shí)，擺動(dòng)梯上擺到與電鏟走臺(tái)平齊，此時(shí)電鏟可以進(jìn)行回轉(zhuǎn)、行走等作業(yè)動(dòng)作。

然而市場(chǎng)上現(xiàn)有的電鏟擺動(dòng)梯上擺達(dá)到水平狀態(tài)時(shí)沒有鎖定裝置，完全依靠2組氣缸推力來平衡梯子的重量，或是采用簡(jiǎn)易的機(jī)械掛鉤鎖定，每次需要人工手動(dòng)操作鎖定。這種現(xiàn)有的結(jié)構(gòu)形式安全性差，一旦氣缸損壞、氣路故障或簡(jiǎn)易鎖定裝置失效，都有可能導(dǎo)致擺動(dòng)梯由水平狀態(tài)失穩(wěn)下擺致地面，對(duì)梯子下方的人、物造成嚴(yán)重的傷害。如果此時(shí)電鏟正進(jìn)行回轉(zhuǎn)作業(yè)動(dòng)作，擺動(dòng)梯將會(huì)與行走裝置直接相撞，造成梯子、平臺(tái)以及電器元件等部件損壞，發(fā)生安全事故。

1 傳統(tǒng)固定梯結(jié)構(gòu)存在的弊端

SR05型5 m3電鏟上下車梯子原來是固定式結(jié)構(gòu)，司機(jī)上下車時(shí)，必須先轉(zhuǎn)動(dòng)電鏟上車裝置，先將梯子對(duì)準(zhǔn)行程履帶板的位置，司機(jī)踩著履帶板才能由梯子上下車，非常不方便。如遇到突然停電，而梯子沒有對(duì)準(zhǔn)行程履帶板，司機(jī)將無法上下車。如果想上下車，司機(jī)只能順著梯子往上爬或往下跳。SR05型5 m3電鏟梯子距地面2 m左右。司機(jī)在上下車時(shí)，如遇到瞬間接地，將可能造成人身傷亡事故。這種梯子不僅不方便，而且嚴(yán)重威脅著工人的人身安全，及時(shí)改進(jìn)勢(shì)在必行。

2 新型擺動(dòng)梯結(jié)構(gòu)

2.1 擺動(dòng)梯結(jié)構(gòu)

我公司生產(chǎn)的SR05型5 m3電鏟的新型擺動(dòng)梯結(jié)構(gòu)如圖1所示，右側(cè)走臺(tái)6為板焊結(jié)構(gòu)與電鏟平臺(tái)通過螺栓連接固定，擺動(dòng)梯1與右側(cè)走臺(tái)6通過中心轉(zhuǎn)軸2鉸接，2組單作用氣缸5的缸體、活塞桿分別與右側(cè)走臺(tái)、擺動(dòng)梯鉸接。電鏟工作前，操作人員在右側(cè)走臺(tái)上，按下擺動(dòng)梯上擺氣動(dòng)按鈕，氣缸進(jìn)氣，活塞桿緩慢伸出推動(dòng)擺動(dòng)梯上擺，當(dāng)活塞桿完全伸出達(dá)到最大行程時(shí)，擺動(dòng)梯恰好上擺至與電鏟走臺(tái)平齊，達(dá)到水平狀態(tài)，并通過鎖定裝置7實(shí)現(xiàn)鎖定。電鏟停車后，操作人員先踩下鎖定裝置的腳踏板，解除鎖定，再按下擺動(dòng)梯下擺按鈕，使氣缸排氣，此時(shí)擺動(dòng)梯依靠重力作用緩慢下擺，直至其前端的支撐板8與地面接觸后停止。由于國內(nèi)有些礦山現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)面凹凸不平，當(dāng)氣缸活塞桿已完全收回時(shí)，支撐板可能仍未接觸到地面，此時(shí)擺動(dòng)梯上的重力矩及在其上行走的操作人員的自身重力全部由氣缸承擔(dān)，這樣長時(shí)間作用會(huì)對(duì)氣缸的活塞、密封件造成損壞，帶來不必要的經(jīng)濟(jì)損失。為了避免這種現(xiàn)象，在擺動(dòng)梯尾部增設(shè)限位結(jié)構(gòu)。將2組限位螺釘3安裝在擺動(dòng)梯尾部的螺紋孔內(nèi)，擰入長度可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際條件進(jìn)行調(diào)整。在右側(cè)走臺(tái)的防扭筒上焊接兩組限位塊4，限位塊的位置與限位螺釘相對(duì)應(yīng)。在活塞桿完全收回前，保證限位螺釘3先接觸到限位塊4上，達(dá)到提前限位作用，使得擺動(dòng)梯重力矩和操作人員的重力全部通過限位結(jié)構(gòu)來承受，更加安全可靠。既擺動(dòng)梯下擺過程的依次限位順序?yàn)椋褐伟褰佑|地面限位、限位螺釘接觸限位塊限位、氣缸完全收回限位。

圖1 擺動(dòng)梯結(jié)構(gòu)

2.2 氣缸校核

擺動(dòng)梯擺動(dòng)過程受力分析如圖2所示，氣缸選用JB160×440-S型冶金氣缸（2組），通過計(jì)算可知擺動(dòng)梯重力G=2 400 N。查取氣缸樣本：氣缸推力F=4 020 N，安全系數(shù)S=0.6～0.8，力臂大小如圖2所示L1=0.446 m，L2=0.58 m，L3=0.785 m，根據(jù)文獻(xiàn)[6]中力矩平衡方程，計(jì)算校核。

圖2 擺動(dòng)梯擺動(dòng)過程受力

擺動(dòng)梯在位置1時(shí)氣缸推力矩與擺動(dòng)梯重力矩差值為：

將數(shù)值帶入式（1）得：4 020×2×0.6×0.446 -2 400×0.58=759.5 Nm〉0

擺動(dòng)梯在位置2時(shí)氣缸推力矩與擺動(dòng)梯重力矩差值為：

將數(shù)值帶入式（2）得：4 020×2×0.6×0.446 -2 400×0.785=267.5 Nm〉0

經(jīng)校核表明，氣缸推力矩始終大于擺動(dòng)梯重力矩，所以氣缸滿足要求。

3 鎖定裝置

擺動(dòng)梯鎖定裝置結(jié)構(gòu)如圖3所示，腳踏板1在右側(cè)走臺(tái)上鉸接安裝，踩踏行程為0.015 m，腳踏板端部連接直徑為φ0.005 m的鋼絲繩2，鋼絲繩另一端繞過導(dǎo)向滑輪8通過3組鋼絲繩夾3固定在鎖定銷軸4一端，鎖定銷軸的另一端加工出45°斜面。導(dǎo)向滑輪通過兩組深溝球軸承9安裝在右側(cè)走臺(tái)上。套筒5焊接在右側(cè)走臺(tái)上，套筒的一端帶有擋邊，鎖定銷軸與套筒之間安裝壓縮彈簧6，鎖定銷軸可以在套筒內(nèi)滑動(dòng)，接觸部位涂抹潤滑脂。

圖3 擺動(dòng)梯鎖定裝置結(jié)構(gòu)

3.1 鎖定原理

按下擺動(dòng)梯上擺按鈕，氣缸進(jìn)氣，推動(dòng)擺動(dòng)梯緩慢上擺，當(dāng)擺動(dòng)梯的穿銷孔座7上端部撞擊鎖定銷軸4的斜面時(shí)，產(chǎn)生向內(nèi)的水平方向作用力，水平作用力克服壓縮彈簧的彈簧力以及鎖定銷軸4與套筒5之間的滑動(dòng)摩擦力，推動(dòng)鎖定銷軸4縮回，擺動(dòng)梯繼續(xù)上擺，當(dāng)穿銷孔座上端越過鎖定銷軸后，壓縮彈簧復(fù)位，彈力推動(dòng)鎖定銷軸插入穿銷孔座內(nèi)，從而實(shí)現(xiàn)鎖定限位。當(dāng)需要擺動(dòng)梯下擺時(shí)，先踩踏腳踏板，踩踏行程為0.015 m，腳踏板拉動(dòng)鋼絲繩，使鎖定銷軸縮回0.015 m，完全脫離穿銷孔座，從而解除鎖定，再按下擺動(dòng)梯下擺按鈕，氣缸排氣，擺動(dòng)梯依靠重力作用緩慢下擺至下極限位置。若鎖定銷軸行程不合適，可以改變鋼絲繩夾的安裝位置，來調(diào)整行程。

由鎖定原理可知，擺動(dòng)梯鎖定裝置包括解鎖、鎖定動(dòng)作。人工踩踏腳踏板，使彈簧壓縮，回拉鎖定銷軸，實(shí)現(xiàn)解鎖；釋放腳踏板，壓縮彈簧伸長復(fù)位，鎖定銷軸插入穿銷孔座，實(shí)現(xiàn)鎖定。現(xiàn)定義人工踩踏力為Fren，壓縮彈簧彈力為Ftan，鎖定銷軸與套筒間的最大滑動(dòng)摩擦力為Fmax，為保證解鎖、鎖定動(dòng)作，壓縮彈簧除了具有滿足安裝要求的外形尺寸外，其彈力必須同時(shí)滿足 Ftan×Fmax，F(xiàn)ren〉Ftan+Fmax。

3.2 鎖定銷軸與套筒之間的摩擦力計(jì)算

鎖定銷軸直徑φ0.04 m，質(zhì)量為1.4 kg，材質(zhì)為45號(hào)鋼，調(diào)質(zhì)后，表面鍍鋅處理防止銹蝕。套筒材質(zhì)為45號(hào)鋼，內(nèi)孔φ0.041 m，擋邊孔直徑φ0.028 m。鎖定銷軸與套筒連接結(jié)構(gòu)如圖4所示，接觸摩擦部位涂抹潤滑脂。

圖4 鎖定銷軸與套筒連接結(jié)構(gòu)

計(jì)算最大滑動(dòng)摩擦力Fmax

式中：μ為鋼與鋼之間的摩擦系數(shù)，屬于動(dòng)摩擦、有潤滑脂，查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)，取0.1；m為鎖定銷軸的重量，取1.4 kg；g為重力加速度，取9.8 N/kg。

將數(shù)值帶入式（3）得Fmax=0.1×1.4×9.8= 1.37 N。

3.3 壓縮彈簧彈力計(jì)算

彈簧的工作圖如圖5所示，按文獻(xiàn)[7]中的彈簧計(jì)算方法進(jìn)行彈簧力計(jì)算：

用壓縮彈簧的彈簧常數(shù)來表示。彈簧常數(shù)公式：

式中：G為線材的剛性模數(shù)：琴鋼絲G=8 000；不銹鋼絲G=7 300；磷青銅線G=4500；d為彈簧的線徑；D0為彈簧的外徑；Dm為彈簧的中徑，Dm= D0-d；N為彈簧的總?cè)?shù)；NC為彈簧的有效圈數(shù)，NC=N-2；

將圖5中各數(shù)值帶入式（4）中得：k=（8 000×34）/（8×303×8） =0.375 kgf/mm

由胡克定律可知彈簧彈力計(jì)算公式為：

式中：k為壓縮彈簧的彈簧常數(shù)；g為重力加速度，取9.8；△x為壓縮彈簧的壓縮量；

將數(shù)值帶入式（5）中得：

Ftan=0.375×9.8×10=36.75 N

由于人工踩踏力Fren遠(yuǎn)大于Ftan+Fmax=36.75+ +1.37=38.12 N，F(xiàn)tan=36.75 N且〉Fmax=1.37 N，所以彈簧的彈力滿足 Ftan×Fmax，F(xiàn)ren〉Ftan+Fmax的要求。

圖5 彈簧工作圖

4 結(jié)語

在設(shè)計(jì)計(jì)算和理論分析的基礎(chǔ)之上，綜合考慮零件的加工工藝和裝配工藝后，對(duì)擺動(dòng)梯及其鎖定裝置進(jìn)行了詳細(xì)的結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)。目前已制造出合格的樣品，并成功應(yīng)用到我公司SR05型5 m3電鏟設(shè)備中，達(dá)到了預(yù)先設(shè)想的使用效果。這種新型電鏟擺動(dòng)梯及其擺動(dòng)梯有以下優(yōu)點(diǎn)：

1）擺動(dòng)梯框架結(jié)構(gòu)由鋼板組焊形成，其造型美觀，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、且安裝方便；

2）梯子踏板用鱷魚嘴板制作，不存水、存油，不易結(jié)冰，有很好的防滑效果，安全實(shí)用；

3）充分利用電鏟中已有的氣動(dòng)系統(tǒng)[8]作為動(dòng)力源，增設(shè)氣缸，推動(dòng)梯子擺動(dòng)，效率高；

4）按鍵式控制，操作方便可靠，不會(huì)對(duì)操作人員造成不必要的傷害；

5）擺動(dòng)梯鎖定裝置完全采用機(jī)械式鎖定機(jī)構(gòu)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安全可靠；

6）采取腳踏式解鎖，操作方便，符合人機(jī)工程學(xué)[9]要求。

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［9］ 丁玉蘭.人機(jī)工程學(xué)［M］.北京：北京理工大學(xué)出版社，2011.

【責(zé)任編輯：解連江】

Research on swinging ladder and its locking device of electricity shovel

TANG Na,WANG Zhengtao,ZHOU Hang
(Tianjin SERI Machinery Equipment Co.,Ltd.,Tianjin 300301,China)

The structure of traditional electricity shovel ladder is complex and inconvenient to operate,and there is no locking device,which exists certain security risks.In view of these disadvantages,this article introduces a new structure swinging ladder and its locking device of electricity shovel,which increases the cylinders in original pneumatic system of electricity shovel and promotes the swinging ladder to achieve swinging and lifting movements,and safety locked by the locking device.The swinging ladder and its locking device have been successfully applied to my company's electricity shovel equipment,which is easy to operate,safe and reliable,and achieves the intended use effect.

electricity shovel;swinging ladder;locking device

TD422.2+1

B

1671－9816（2017）04－0043－04

10.13235/j.cnki.ltcm.2017.04.013

唐娜，王正濤，周航.電鏟擺動(dòng)梯及其鎖定裝置的研究［J］.露天采礦技術(shù)，2017，32（4）：43-46.

2016-11-11

唐 娜（1985—），女，遼寧撫順人，工程師，學(xué)士，2009年畢業(yè)于遼寧工程技術(shù)大學(xué)工業(yè)設(shè)計(jì)專業(yè)，現(xiàn)就職于天津賽瑞機(jī)器設(shè)備有限公司，主要從事礦山成套裝備設(shè)計(jì)等相關(guān)工作。