王 君，侯曉晨,侯克青

(1.長治職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山西 長治 046000；2.華新燃?xì)饧瘓F(tuán)有限公司，山西 晉城 048000)

煤炭生產(chǎn)過程中，常常需要將所需的材料、工具或設(shè)備運(yùn)送到井下各個(gè)工作場(chǎng)所，也要將井下出現(xiàn)故障、需要大修或更換的設(shè)備運(yùn)輸?shù)骄稀＿\(yùn)輸過程中，一般是用綁絲(常采用8號(hào)鐵絲)將材料、工具或設(shè)備捆綁在礦車上，如圖1所示。捆綁用的綁絲都是一次性的，當(dāng)材料、工具或設(shè)備運(yùn)達(dá)目的地以后，一般都是剪斷后就隨手丟棄了，一是會(huì)造成原材料的浪費(fèi)，增加噸煤成本；二是隨意丟棄的8號(hào)鐵絲會(huì)混合到原煤里，不僅給原煤洗選增加工作量，還會(huì)出現(xiàn)撿拾不干凈的現(xiàn)象。經(jīng)過對(duì)原晉東南地區(qū)各個(gè)大中型煤礦進(jìn)行仔細(xì)調(diào)研，每年僅綁絲一項(xiàng)就需要花費(fèi)30～50萬元。

圖1 材料、工具和設(shè)備的捆綁情況

為了使煤炭企業(yè)降低消耗、節(jié)約成本，設(shè)計(jì)一種可以使綁絲重復(fù)利用的礦用緊繩器，以提高煤礦企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益，實(shí)現(xiàn)煤礦企業(yè)和諧、可持續(xù)發(fā)展和精細(xì)化管理。

1 緊繩器設(shè)計(jì)

1.1 選定設(shè)計(jì)方案

設(shè)計(jì)準(zhǔn)則：①礦用緊繩器設(shè)計(jì)必須符合《煤礦安全規(guī)程》要求，嚴(yán)禁使用國家明令禁止或淘汰的危及生產(chǎn)安全和可能產(chǎn)生職業(yè)病危害的技術(shù)、工藝、材料和設(shè)備；②必須滿足綁扎緊固，拆解容易的要求；③符合使用方便、尺寸小、結(jié)構(gòu)緊湊的要求。

總體設(shè)計(jì)思路是將綁絲纏繞在滾筒上，依靠滾筒的轉(zhuǎn)動(dòng)來緊固或放松綁絲，從而實(shí)現(xiàn)材料、工具和設(shè)備的緊固或拆解，圍繞滾筒驅(qū)動(dòng)、綁扎省力、防止松動(dòng)、結(jié)構(gòu)簡單等要求設(shè)計(jì)了三種不同方案。

1) 電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)蝸桿轉(zhuǎn)動(dòng)。由蝸輪帶動(dòng)滾筒轉(zhuǎn)動(dòng)，優(yōu)點(diǎn)是綁扎省力，運(yùn)輸過程中依靠蝸輪蝸桿傳動(dòng)的自鎖性能，可以有效防止松動(dòng)；缺點(diǎn)是需要用電、難以實(shí)現(xiàn)正反轉(zhuǎn)、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、造價(jià)高等。

2) 用杠桿驅(qū)動(dòng)滾筒，利用棘輪機(jī)構(gòu)防止松動(dòng)。優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)相對(duì)簡單，缺點(diǎn)是得依靠人力進(jìn)行綁扎和放松。

3) 用杠桿驅(qū)動(dòng)滾筒，利用插銷防止松動(dòng)。結(jié)構(gòu)簡單，操作方便。

經(jīng)與煤礦工程技術(shù)人員反復(fù)磋商，認(rèn)真比對(duì)，最終確定按照第三種方案進(jìn)行設(shè)計(jì)和試驗(yàn)。

1.2 緊繩器設(shè)計(jì)

圖2所示的緊繩器共有10種不同零件。滾筒7與防松鎖盤5、手動(dòng)轉(zhuǎn)盤10焊接成一體(或者制作成1個(gè)零件)，與心軸8采用間隙配合，滾筒7與手動(dòng)轉(zhuǎn)盤10能繞心軸8轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)拉緊或者放松鋼絲繩的目的。心軸與軸承座采用緊過渡配合，工作時(shí)二者之間不發(fā)生相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)。

圖2 礦用緊繩器(mm)

鎖扣鋼絲繩9選用6NAT6×7(1+6)+WSC 1570 ZZ 30.5 18.8GB/T8918，鋼絲繩采用普通套環(huán) GB/T5974.1-6聯(lián)接，如圖3所示。

圖3 鎖扣鋼絲繩

1.3 主要承載零件的強(qiáng)度校核

礦用緊繩器中的主要承載零件是防松插銷和驅(qū)動(dòng)滾筒轉(zhuǎn)動(dòng)的杠桿。

1.3.1最大綁扎力計(jì)算

經(jīng)查《金屬材料力學(xué)性能手冊(cè)》，8號(hào)鐵絲的許用拉應(yīng)力為30～55 MPa，8號(hào)鐵絲的直徑約為4 mm，根據(jù)拉壓桿強(qiáng)度條件，用式(1)計(jì)算8號(hào)鐵絲的最大綁扎力。

(1)

式中：σmax為8號(hào)鐵絲的最大拉應(yīng)力，MPa；FNmax為8號(hào)鐵絲的最大綁扎力，N；A為8號(hào)鐵絲的截面面積，mm2；[σ]為8號(hào)鐵絲材料的許用拉應(yīng)力，MPa。

求得8號(hào)鐵絲的最大綁扎力為：

1.3.2 防松插銷剪切強(qiáng)度校核

用式(2)校核防松插銷(防松插銷的材料是Q235，直徑d=10 mm，[τ]=80 MPa)的剪切強(qiáng)度：

(2)

式中：τ為防松插銷的剪應(yīng)力，MPa；Q為防松插銷受剪面上的剪力，N；A為防松插銷的受剪面積，mm2；[τ]為防松插銷材料的許用剪應(yīng)力，MPa。

防松插銷剪切強(qiáng)度足夠。

1.3.3 杠桿彎曲強(qiáng)度校核

用式(3)校核杠桿(如圖2所示，滾筒直徑d滾筒=100 mm，杠桿的材料是Q235，直徑d杠桿=20 mm，[σ]=120 MPa)的彎曲強(qiáng)度：

(3)

式中：σ為杠桿的彎曲應(yīng)力，MPa；M為杠桿危險(xiǎn)截面最大彎矩，N·mm；W為杠桿的抗彎截面模量，mm3；[σ]為杠桿材料的許用應(yīng)力，MPa。

M=FNmax×d滾筒÷2=690.8×50=34 540 N·mm

由此可得，杠桿彎曲強(qiáng)度足夠。

1.4 緊繩器工作原理

緊繩器用螺栓聯(lián)接或者焊接在礦車上，綁扎材料、工具或設(shè)備時(shí)，先將如圖3所示的鎖扣鋼絲繩的一頭掛接到預(yù)先在礦車側(cè)面焊接好的掛鉤上，另一頭掛接在緊繩器上，如圖4所示，用杠桿轉(zhuǎn)動(dòng)手動(dòng)轉(zhuǎn)盤，鎖扣鋼絲繩纏繞到滾筒上(綁緊)或者從滾筒上放出(放松)，綁扎緊材料、工具或設(shè)備以后，讓防松鎖盤上的鎖孔對(duì)準(zhǔn)軸承座上的鎖孔，將防松插銷插入鎖孔并用開口銷(GB91-86 5×16)進(jìn)行軸向定位。

當(dāng)材料、工具或設(shè)備運(yùn)達(dá)目的地以后，拔出防松插銷，松開鎖扣鋼絲繩并回收，以便重復(fù)使用。

圖4 緊繩器工作示意

1.5 主要零件圖

手動(dòng)轉(zhuǎn)盤設(shè)計(jì)主要考慮作業(yè)空間限制，盡量減小緊繩器外形尺寸。從不干涉的角度分析，手動(dòng)轉(zhuǎn)盤每次最少要確保轉(zhuǎn)過大于60°。為了防止轉(zhuǎn)動(dòng)手動(dòng)轉(zhuǎn)盤時(shí)，不會(huì)因?yàn)槭謩?dòng)轉(zhuǎn)盤的徑向孔深度不足，使杠桿滑脫造成人員傷害事故，應(yīng)盡量增大手動(dòng)轉(zhuǎn)盤的徑向孔深度，如圖5所示。

圖5 手動(dòng)轉(zhuǎn)盤(mm)

防松鎖盤沿圓周方向設(shè)計(jì)了12個(gè)鎖孔，確保鎖扣鋼絲繩拉緊到一定程度后能夠與軸承座上的鎖孔對(duì)正，便于插入防松插銷，如圖6所示。

圖6 防松鎖盤(mm)

2 結(jié) 語

經(jīng)過確定設(shè)計(jì)準(zhǔn)則、設(shè)計(jì)思路、選定設(shè)計(jì)方案，進(jìn)行主要零件的強(qiáng)度校核，最終設(shè)計(jì)出一款可以降低消耗的礦用緊繩器，每年可以為煤礦企業(yè)節(jié)省30～50萬元原材料支出費(fèi)用，實(shí)現(xiàn)了綁絲重復(fù)利用，提高了經(jīng)濟(jì)效率，是煤礦企業(yè)實(shí)現(xiàn)節(jié)本降耗、提質(zhì)增效的有效措施之一。