于海旭 徐旭 張周愛 繆衛(wèi)峰 智曉鋒

(神華寶日希勒能源有限公司 內(nèi)蒙古呼倫貝爾 021025)

1 前言

電動正鏟挖掘機(jī)俗稱電鏟，廣泛應(yīng)用于大中型露天采礦及土木、水利等工程領(lǐng)域。目前，我國自主研發(fā)電鏟的研究重點(diǎn)主要針對設(shè)備主體功能如提升、推壓、回轉(zhuǎn)、行走等，而在自動化、安全性、舒適性等人機(jī)工程學(xué)[1]等方面的設(shè)計(jì)相對欠缺較多。本文針對電鏟傳統(tǒng)手動升降扶梯操作費(fèi)力、故障率高、安全性差等明顯缺陷，創(chuàng)新設(shè)計(jì)了電控氣動的自動扶梯，并成功應(yīng)用在WK-10B、WK-12C型電鏟上。

2 傳統(tǒng)手動扶梯功能缺陷

2.1 基本結(jié)構(gòu)

WK-10B電鏟原設(shè)計(jì)為直立式手動扶梯，扶梯由可移動滑梯及固定扶梯組成。滑梯坡角相對地面約75°，上端聯(lián)結(jié)穿過滑輪的繩索，并限制在垂直滑道內(nèi)上下滑動。電鏟作業(yè)時(shí)，滑梯通過繩索配重掛起，頂端限位在滑道卡口上，卡口處裝有限位開關(guān)，控制電鏟主控制回路電流(DC 220V)的通、斷[2]；若有人員要上、下滑梯，需克服配重及滑道、滑輪摩擦力，用力向下拽拉繩索，方能滑梯放下。

2.2 缺陷

傳統(tǒng)手動扶梯因其結(jié)構(gòu)及工作特征存在多方面缺陷。

1)安全性較差?；菁s75°的坡角過于陡峭，人員上下扶梯需面對機(jī)身，緊握扶手，容易踏空墜落。特別是滑梯與固定扶梯存在不同平面的立體交叉，人員經(jīng)過兩個梯子連接處需轉(zhuǎn)身跨步，若搬運(yùn)重物上下梯子則更加不便。

2)操作費(fèi)時(shí)費(fèi)力。由于梯子設(shè)在室外長時(shí)間受日曬雨淋，滑道及滑輪及繩索很容易被銹蝕，下拉滑梯需要克服較大的摩擦力，往往需要憑借個人整個體重，才能將滑梯拉下，有時(shí)甚至需要兩個人一起拽拉，操作十分費(fèi)力。

3)故障率高。受滑梯長度及滑道行程限制，滑梯下端離地間隙較小，且向外側(cè)伸展，在作業(yè)過程中很容易被礦車或滑落的巖石碰撞而遭破壞。此種破壞不僅僅只是造成扶梯變形，更嚴(yán)重的是因碰撞沖擊極易造成滑梯上端的限位開關(guān)損壞，致使電鏟主控制回路斷開而停機(jī)，而且此種停機(jī)現(xiàn)場往往被誤認(rèn)為是其它電路故障，而較難被排查出來。另外，向上回送滑梯時(shí)，滑梯因配重慣性，向上加速度滑行，并沖擊限位開關(guān)，同樣也會導(dǎo)致限位開關(guān)損壞。

3 氣控扶梯主要結(jié)構(gòu)及工作原理

3.1 氣控扶梯機(jī)械結(jié)構(gòu)

為解決傳統(tǒng)手動扶梯的諸多缺陷，本文設(shè)計(jì)了一種新型氣控折疊式扶梯。整個扶梯仍由兩部梯子組成，其中固定扶梯尺寸、位置基本保持不變；而活動主梯則采用氣缸來控制翻轉(zhuǎn)動作，摒棄了滑道、滑輪、繩索及配重等。兩部扶梯處于同一平面內(nèi)銜接和交叉，當(dāng)人員上下扶梯時(shí)，活動主梯向下翻轉(zhuǎn)，直至與固定扶梯呈同一直線狀態(tài)，如圖1(a)；當(dāng)電鏟作業(yè)時(shí)，活動主梯向上翻轉(zhuǎn)，與固定扶梯呈折疊狀態(tài)，如圖1(b)所示。

3.2 氣控扶梯氣控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

新型扶梯的關(guān)鍵性技術(shù)在于其氣控系統(tǒng)的計(jì)算與設(shè)計(jì)，扶梯氣控原理圖如圖2所示。壓縮空氣氣源直接取自電鏟自帶的3WC-0.8/12活塞式空壓機(jī)的儲氣罐，額定氣壓0.8MPa，最大風(fēng)量12m3/min。二位三通電磁閥為常閉閥，工作電壓AC 220V。當(dāng)電鏟作業(yè)收起梯子時(shí)，按下機(jī)械室門上的電源接通按鈕，電磁閥給電并接通壓縮空氣，壓縮空氣推動單向氣缸活塞向外伸展，使活動主梯翻轉(zhuǎn)折疊。相反，當(dāng)人員要上下梯子時(shí)，按下電源開關(guān)，電磁閥失電并阻斷壓縮空氣，活動主梯憑借自重使氣缸活塞緩慢縮回，主梯自然伸展，與固定扶梯呈直線狀態(tài)。

圖1 原伸縮梯結(jié)構(gòu)簡圖

圖2 新型扶梯氣控原理圖

根據(jù)理論力學(xué)[3]原理，兩個氣缸所需的支撐力，與主梯的重量分布及其與固定扶梯鉸接支點(diǎn)位置、氣缸聯(lián)結(jié)位置有關(guān)，結(jié)合電磁閥所供壓縮空氣的最小壓力，可計(jì)算出氣缸工作缸的最小內(nèi)徑[4]。而氣缸活塞行程的計(jì)算，則與氣缸聯(lián)結(jié)位置及主梯最終折疊角度有關(guān)。

3.3 新型氣控扶梯的制作與組裝工藝

首先移除電鏟原立式扶梯及滑道、卷揚(yáng)機(jī)構(gòu)。為保證新型扶梯的末端不伸出電鏟尾部之外，須將電鏟水平走臺去除1000mm。固定扶梯用槽鋼與防滑花紋板焊接制成，上端及內(nèi)側(cè)分別與電鏟水平走臺及回轉(zhuǎn)平臺焊接，底部用角鋼制成的三角框架支撐，以保證足夠的承載能力。

活動主梯與固定扶梯采用φ50mm的軸銷聯(lián)結(jié)，主梯下面兩側(cè)焊接20mm厚的固定板，用作氣缸的固定支撐。整個扶梯的臺階跨度可設(shè)計(jì)為300mm，踏板與側(cè)板焊接角度呈45°。

圖3 新型扶梯結(jié)構(gòu)簡圖1-氣缸;2-扶梯

4 氣控扶梯明顯優(yōu)勢

新型氣控扶梯的設(shè)計(jì)結(jié)合了電鏟本身的機(jī)械、電氣及氣控系統(tǒng)平臺，按照簡約、可靠和獨(dú)立的原則，力求使新型扶梯具備操控安全、快捷省力、性能可靠、成本低廉的優(yōu)勢特點(diǎn)。

1)安全性明顯提高。活動主梯與地面角度由原來75°減緩為45°，且與固定扶梯無異形面交叉拐角，人員上下通行更加安全。

2)操作更加靈敏快捷。操作扶梯再無須用力拽拉繩索，僅需按下電源按鈕即可實(shí)現(xiàn)扶梯的下放和收回。況且不存在滑道及滑輪等的銹蝕問題，扶梯動作始終保持靈敏快捷。

3)故障率明顯降低。由于壓縮空氣本身具備緩沖及減震作用，由氣缸及電磁閥控制的扶梯動作平穩(wěn)，不會產(chǎn)生硬沖擊而破壞限位開關(guān)而導(dǎo)致停機(jī)。電鏟作業(yè)時(shí)，主動扶梯末端向上翹起，且緊貼機(jī)身，不易遭礦車或巖石碰撞。

4)制造成本控制較低。扶梯機(jī)械焊接結(jié)構(gòu)的制造成本與原來基本持平，而氣控部分無需另配空壓機(jī)，僅增加兩個氣缸、一個電磁閥及若干附屬氣控件。

5 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)的新型氣控扶梯已在國內(nèi)某礦山的WK-10B及WK-12C電鏟上應(yīng)用兩年有余，改型扶梯相比于傳統(tǒng)扶梯的性能優(yōu)勢十分明顯，受到電鏟操作、維護(hù)人員的一致好評。目前筆者正研發(fā)同類產(chǎn)品，并計(jì)劃推廣應(yīng)用于其它電鏟機(jī)型，此項(xiàng)設(shè)計(jì)正符合工業(yè)產(chǎn)品所追逐的人機(jī)工程學(xué)方面的安全、便捷、舒適、可靠等功能要求，具備普遍推廣的實(shí)際意義。