，晨旭，，

(安徽理工大學(xué) 機械工程學(xué)院，安徽 淮南 232001)

天輪作為煤礦提升鋼絲繩的支撐和導(dǎo)向的重要部件，其中繩槽內(nèi)的襯墊為緩解鋼絲繩磨損和改善鋼絲繩受力條件起到?jīng)Q定性作用。目前，市場上的繩槽車削裝置都是針對主提升機，尚沒有很好的針對天輪工況的車槽裝置。目前，天輪襯墊車削多采用操作人員通過在天輪下方安裝工作平臺，操作人員懸空對天輪襯墊進行手動修整。目前，大部分是采用在制動輪邊緣上拉線測量繩槽深度，而這種辦法測量麻煩、精度差，難以滿足生產(chǎn)要求。同時由于沒有專用繩槽深度測量工具，需要在切削時反復(fù)測量繩槽深度，防止車削過量[1]。

根據(jù)煤礦安全規(guī)程第422條，天輪的各段襯墊磨損達到1根鋼絲繩直徑的深度時，或沿側(cè)面磨損達到鋼絲繩直徑的1/2時，必須更換[2]。對于襯墊的報廢襯墊的更換，每個天輪有四條繩槽，對應(yīng)繩槽內(nèi)有90副襯墊，上下兩個天輪共有1440塊襯墊，傳統(tǒng)是通過將鋼絲繩通過小葫蘆將鋼絲繩脫離繩槽，再通過手錘鑿子等工具將襯墊拆除，更換任務(wù)需要超過24h以上，期間會影響人員和物資的的運輸，因此會導(dǎo)致煤礦停產(chǎn)[3]。同時缺少修整的天輪襯墊繩槽會加劇新鋼絲繩的磨損，并會導(dǎo)致每根鋼絲繩張力不均，嚴(yán)重影響鋼絲繩的使用壽命[4-7]。為減少由于襯墊磨損對煤礦生產(chǎn)效率的影響，洛陽百科特公司以車銑復(fù)合加工的方式設(shè)計出了一種便攜式的礦井多繩摩擦提升機天輪車槽裝置。該裝置采用單刀多次進給的加工方式，操控系統(tǒng)采用數(shù)控操作系統(tǒng)，能夠精確控制進給量，相比傳統(tǒng)加工方式理論加工精度可達0.02mm，減少了多余車削導(dǎo)致的襯墊浪費，同時避免了反復(fù)測量，極大的節(jié)省的人力物力。

1 車槽裝置的介紹

車槽裝置分為機械部分和數(shù)控部分，其中機械部分由底座和車削移動平臺組成，底座和移動平臺通過兩對相互垂直的滾珠絲杠副連接，車削電機安裝在車削移動平臺上；數(shù)控部分是由觸摸屏、PLC、步進電機組成，步進電機通過減速器與滾珠絲杠副連接，操作人員通過與PLC相連的觸摸屏調(diào)節(jié)步進電機的轉(zhuǎn)速和切削電機的移動動方向。車削裝置實體圖如圖1所示。

圖1 車削裝置實體圖

受天輪井架安裝環(huán)境的影響，車槽裝置無法正常安裝在井架上，需要專門的托架提供車槽裝置提供安裝平面。由于井架上缺少定位基準(zhǔn)面，缺少安裝校核的手段。

車槽裝置的定位方法如下：

1)先通過卷尺將機架抬到距離天輪軸線垂直面1.800m的前方位置，保證機床的車削位置適宜，同時使機架前端面與天輪軸線保持平行。

2)使用框式水平儀測量機架的上端面的前后兩側(cè)邊線，通過在機架底部加墊片的方式調(diào)節(jié)兩端水平位置，使其左右兩端保持水平。

3)使用粉筆畫出托架頂部螺栓孔的位置，向右滑移機架，使用金屬電鉆對畫出螺栓孔位置進行打孔，之后將機架通過螺栓組固定在平臺面上，經(jīng)微調(diào)后預(yù)緊。

4)抬出機床，通過螺栓組將切削機床固定在機架上端的傾斜平面上，并使機床與機架傾斜工作面保持平行。

根據(jù)車槽裝置的定位方法，車削時的誤差可以分為如下幾個部分：系統(tǒng)機械部分的傳動誤差、定位基準(zhǔn)的偏移誤差、安裝傾角的偏移誤差以及天輪的制作和安裝誤差。

2 誤差分析

2.1 系統(tǒng)誤差

礦井多繩摩擦提升機天輪車槽裝置的運動機械部分是由步進電機帶動滾珠絲杠推動切削平臺移動。車槽裝置的系統(tǒng)誤差由滾珠絲杠和步進電機決定，車槽裝置選用的滾珠絲杠的精度為C0級，進給方向的滾珠絲杠長度為500mm，總導(dǎo)程誤差為6μm，平移方向的滾珠絲杠的長度為1200mm，總導(dǎo)程誤差為9μm；步進電機的累積誤差在旋轉(zhuǎn)一周后會相互抵消，對切削結(jié)果的影響很小。

2.2 定位誤差

定位時由于天輪的軸心無法直接測出，在實際操作時是通過對天輪多點取值測量得出天輪直徑的平均值作為天輪的直徑，通過目測得到天輪軸心位置，通過卷尺測出車槽裝置的安放位置，在定位時無法保證車削裝置與天輪軸心的平行度。在定位打孔后，車槽裝置的實際安裝位置與理想安裝位置會發(fā)生偏離。車削裝置平行度偏移誤差示意圖如圖2所示。

圖2 車削裝置平行度偏移誤差示意圖

車槽裝置在出現(xiàn)定位誤差后，不僅會導(dǎo)致進給量出現(xiàn)誤差，同時會導(dǎo)致對襯墊單側(cè)進給量偏大。以天輪的軸心作為X軸，以車削裝置的進刀方向為Y軸建立坐標(biāo)系，其中點A為第一天輪對應(yīng)的對刀位，點C為第四天輪對到位。

以第一天輪對刀位A基準(zhǔn)，刀頭進給量誤差Δx1為：

Δx1=atanθ1

(1)

式中，a為刀頭沿X方向的位移，mm；θ1為車削裝置的偏移角度，(°)。

各個天輪的距離經(jīng)測量后為300mm，對各個天輪對刀位在不同偏角下的進給量誤差結(jié)果如圖3所示。

圖3 刀位在不同偏角下的進給量誤差

由于偏轉(zhuǎn)角在0°～4°時，偏轉(zhuǎn)量很小，所以誤差曲線近似與直線，車槽裝置長12000m，偏移角為1°時，左右兩端偏移距離在20mm內(nèi)時，實際偏移角度可以控制在0.5°以內(nèi)。

由于偏角導(dǎo)致車削裝置的進給方向發(fā)生偏移，最終對繩槽單側(cè)面車削過量，由于偏角導(dǎo)致的車削誤差Δx2為：

Δx2=(h-Δx1)tanθ1

(2)

式中，h為無偏時的進給距離，mm。

根據(jù)安裝流程，計算出設(shè)計的刀頭進給距離為78.5mm，通過與Δx1聯(lián)立可以求出對襯墊單側(cè)的車削誤差值Δx2如圖4所示。

圖4 單側(cè)進給偏移

2.3 安裝誤差

根據(jù)安裝方法，托架通過增減墊片調(diào)整傾角，使車削裝置與天輪軸心平面保持一致，由于缺少測量天輪軸心的工具，在安裝車削裝置時進給平面會與天輪軸心平面出現(xiàn)偏移，實際進刀方向與軸心方向出現(xiàn)偏移。車削裝置傾角誤差示意圖如圖5所示。安裝時首先將托架固定在天輪井架的工字鋼上，車削裝置最后安放，托架在反復(fù)安裝后會發(fā)生變形，對車銑裝置的平行度產(chǎn)生影響。

圖5 車削裝置傾角誤差示意圖

圖5中O為天輪軸心點，E為車削裝置安裝點，F(xiàn)為偏移后刀頭的車削點。連接三點構(gòu)成三角形根據(jù)余弦定理可以求出實際需要的進給量h2：

式中，h2為實際需要進給量，mm；h為控制進給量，mm；θ2為安裝偏角，(°)；R1為天輪半徑，mm。

托架與天輪的安裝距離是確定的，托架對應(yīng)的傾角取0°～5°，帶入式(4)可以求出進給距離的誤差Δx3，如圖6所示。

Δx3=h2-h

(5)

圖6 進給距離的誤差

2.4 天輪的制造與安裝誤差

根據(jù)天輪制作質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)與流程，天輪在制作時，繩槽底圓直徑在1600mm以上的天輪在制作后，需要進行靜平衡試驗，需要保證天輪轉(zhuǎn)動軸線的偏心距小于5mm。

根據(jù)天輪的種類不同，組裝后的偏差等級也不同，其中模壓天輪組裝后的偏差規(guī)定見表1。

表1 模壓天輪組裝偏差

鑄鋼天輪組裝后輪緣基準(zhǔn)端面對軸中心線的徑向圓跳動和端面跳動應(yīng)在GB1184規(guī)定中的12級精度要求以上。

3 試驗結(jié)果

車槽裝置在安徽省阜陽市謝橋礦進行車削試驗，使用所述的定位安裝方案進行試車后的結(jié)果，由于天輪繩槽的直徑無法直接測量，在試驗結(jié)束后通過對連接裝置油缸伸長量的改變對試驗結(jié)果進行分析，連接裝置原始伸長量如圖7所示，車削后連接裝置油缸伸長量如圖8所示。

圖7 連接裝置原始伸長量

圖8 車削后連接裝置油缸伸長量

經(jīng)過修圓試驗后，油缸伸長量均值對比圖如圖9所示。

圖9 油缸伸長量均值對比圖

4 試驗結(jié)果分析及改善方法

在試驗后，各天輪連接裝置的油缸伸長量都有改善，但未達到理想值，經(jīng)過修整后的天輪尺寸仍存在誤差。其中1號天輪相較4號天輪改善程度更高，2號天輪相較3號天輪改善程度反而較低。通過上述理論分析導(dǎo)致誤差出現(xiàn)的原因為切削裝置同時發(fā)生定位和安裝的誤差，由于定位偏角導(dǎo)致的誤差大于安裝誤差，故分析得出車槽裝置的4號天輪的一端向遠(yuǎn)離天輪的一端發(fā)生偏移導(dǎo)致2號、3號4號天輪油缸伸長量改善程度都小于1號天輪，且4號天輪改善量最??；同時1號天輪對應(yīng)的車槽裝置一端在垂直方向上的偏角偏大，其中3號天輪對應(yīng)的傾角與天輪軸心平面的傾角最接近，使得3號天輪的改善程度大于2號天輪。經(jīng)過分析后，說明車槽裝置仍有改進空間。

針對車槽裝置的特點提出以下改進意見：

1)增加在線檢測系統(tǒng)，對天輪的直徑的實時檢測，在天輪繩槽內(nèi)增加輪式編碼器，通過測量出天輪繩槽的線速度和角速度可以直接得到天輪繩槽的直徑。對于切削結(jié)果可以做到更加精確的控制。

2)設(shè)計可微調(diào)的機床托架，與在線檢測系統(tǒng)相結(jié)合，得到實際進給量和控制進給量的誤差后，根據(jù)理論推導(dǎo)，可以得出導(dǎo)致誤差的原因，通過對托架的微調(diào)可以控制更加精確的進給量，尤其是對襯墊側(cè)面的的保護，減少多余的切削損耗可以提高經(jīng)濟效益。

3)針對安裝環(huán)境的不同，在缺少調(diào)整空間的情況下，將在線檢測系統(tǒng)與控制系統(tǒng)相連，通過誤差分析模型可以手動調(diào)節(jié)進給量，達到精確的切削結(jié)果。