賈 瑞

（西山煤電建筑工程集團(tuán)有限公司礦建分公司， 山西 太原 030053）

引言

調(diào)度絞車(chē)為煤礦生產(chǎn)中用于完成對(duì)工作面開(kāi)拓掘進(jìn)、中間巷道調(diào)度組礦車(chē)的調(diào)度以及工作面其他一些輔助運(yùn)輸搬運(yùn)的任務(wù)。調(diào)度絞車(chē)性能的好壞直接決定煤礦生產(chǎn)的安全性和可靠性。鑒于綜采工作面相對(duì)惡劣的生產(chǎn)環(huán)境，加之調(diào)度絞車(chē)相對(duì)復(fù)雜的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致其在實(shí)際應(yīng)用中出現(xiàn)安裝不便且制動(dòng)系統(tǒng)可靠性較差的問(wèn)題，制約了工作面的運(yùn)輸效率和生產(chǎn)進(jìn)度的推進(jìn)[1]。為此，本文將設(shè)計(jì)一種以定軸輪系和行星輪系相結(jié)合的傳動(dòng)方式作為調(diào)度的傳動(dòng)系統(tǒng)以增加設(shè)備的傳動(dòng)比，從而增加整機(jī)的傳動(dòng)效率，提升了設(shè)備傳動(dòng)的穩(wěn)定性。同時(shí)，設(shè)計(jì)基于人力的盤(pán)式制動(dòng)裝置，極大提升了設(shè)備制動(dòng)性能的安全性和可靠性。

1 調(diào)度絞車(chē)的總體設(shè)計(jì)

我國(guó)的調(diào)度絞車(chē)以卷筒纏繞式為主，采用電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，各項(xiàng)參數(shù)均需符合《煤炭安全規(guī)程》的相關(guān)規(guī)定，以保證其能夠適應(yīng)工作面相對(duì)惡劣的生產(chǎn)環(huán)境。調(diào)度絞車(chē)的基本結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 調(diào)度絞車(chē)基本結(jié)構(gòu)

結(jié)合工作的實(shí)際情況，可將調(diào)度絞車(chē)的工作模式分為正常工作狀態(tài)、制動(dòng)狀態(tài)以及下放狀態(tài)。其中，正常工作狀態(tài)為通過(guò)鋼絲繩纏繞卷筒完成提升重物的工作任務(wù)；制動(dòng)狀態(tài)為卷筒停止轉(zhuǎn)動(dòng)，使重物處于停止?fàn)顟B(tài)；下放狀態(tài)為重物的重力牽引卷筒旋轉(zhuǎn)，使得重物下放[2]。

本小節(jié)重點(diǎn)對(duì)調(diào)度絞車(chē)電動(dòng)機(jī)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)以及制動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)。調(diào)度絞車(chē)各零部件的設(shè)計(jì)依據(jù)如表1 所示。

表1 調(diào)度絞車(chē)各零部件設(shè)計(jì)依據(jù)

1.1 電動(dòng)機(jī)的選型

電動(dòng)機(jī)的主要選型依據(jù)為其工作功率?？紤]到調(diào)度絞車(chē)實(shí)際工作中各零部件的實(shí)際傳動(dòng)效率小于1，綜合彈性聯(lián)軸器、行星齒輪傳動(dòng)效率以及卷筒等傳動(dòng)效率得出調(diào)度絞車(chē)的總傳動(dòng)效率為0.886。根據(jù)鋼絲繩的最大張力和繩速，得出調(diào)度絞車(chē)卷筒的功率為10 kN×1 m/s=10 kW。

因此，可以得出實(shí)際所需電動(dòng)機(jī)的功率為10 kW/0.886=11.286 kW。故選用型號(hào)為YBJ11.4-4 型的防爆型電動(dòng)機(jī)作為調(diào)度絞車(chē)的動(dòng)力源，其具體參數(shù)如表2 所示。

表2 YBJ11.4-4 型防爆電機(jī)主要參數(shù)

1.2 執(zhí)行機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

執(zhí)行機(jī)構(gòu)具體指調(diào)度絞車(chē)的鋼絲繩和卷筒。本節(jié)完成調(diào)度絞車(chē)鋼絲繩和卷筒的設(shè)計(jì)。

1.2.1 鋼絲繩的選型

目前，我國(guó)礦井生產(chǎn)中主要采用鋼絲繩的規(guī)格為1 570 N/mm2和1 770 N/mm2。根據(jù)《煤炭安全規(guī)程》的相關(guān)規(guī)定，要求礦井中采用單纏繞式鋼絲繩的安全系數(shù)大于6.5。結(jié)合鋼絲繩的最大張力為10 kN，對(duì)應(yīng)所選型鋼絲繩的最大破斷力不得小于10 kN×6.5=65 kN。結(jié)合該項(xiàng)指標(biāo)最終確定鋼絲繩的型號(hào)為FC1770ZZ76.9，該型鋼絲繩的最小破斷力為76.9 kN，滿足要求。該型鋼絲繩的直徑為11 mm，公稱抗拉強(qiáng)度為1 770 MPa。

1.2.2 卷筒的設(shè)計(jì)

卷筒的設(shè)計(jì)與卷筒的容繩量、鋼絲繩直徑等相關(guān)，最終確定卷筒的直徑、長(zhǎng)度等參數(shù)。

1）根據(jù)式（1）初步對(duì)卷筒的直徑進(jìn)行估算：

式中：h 為系數(shù)，與調(diào)度絞車(chē)的工作級(jí)別相關(guān)，本文所研究調(diào)度絞車(chē)的工作級(jí)別為M7，故h 取22.4；d 為鋼絲繩的直徑，取11 mm。

將上述參數(shù)代入式（1）得出，卷筒初步估算的直徑為246.4 mm。

2）卷筒的長(zhǎng)度需根據(jù)鋼絲繩的直徑、相鄰繩槽之間的間距，以及鋼絲繩的圈數(shù)綜合確定，如式（2）所示：

式中：Z 為每層鋼絲繩的圈數(shù)。結(jié)合當(dāng)前調(diào)度絞車(chē)室的卷筒長(zhǎng)度，初步確定卷筒的長(zhǎng)度為363 mm，則可以得出每層鋼絲繩的圈數(shù)為25 圈。同樣，結(jié)合式（3）得出鋼絲繩的層數(shù)為14 層。

式中：l 為卷筒的容繩量，取400 m；D 為卷筒繩槽底部的直徑，取224.4 mm；n 為每層鋼絲繩的圈數(shù)，取14。

將上述參數(shù)代入式（3）得出，鋼絲繩的圈數(shù)為14 層。

1.3 制動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

制動(dòng)機(jī)構(gòu)是保證調(diào)度絞車(chē)安全工作的根本保障，一旦其失效或者性能不佳將會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重事故的發(fā)生[3]。本工程將采用人力驅(qū)動(dòng)和液壓傳動(dòng)相結(jié)合的方式實(shí)現(xiàn)對(duì)調(diào)度絞車(chē)的制動(dòng)，其主要結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 制動(dòng)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖

結(jié)合相關(guān)理論公式，本小節(jié)完成制動(dòng)器、增壓缸以及制動(dòng)主缸的參數(shù)設(shè)計(jì)，結(jié)果如表3 所示。

表3 制動(dòng)機(jī)構(gòu)關(guān)鍵部件參數(shù)設(shè)計(jì)

2 制動(dòng)系統(tǒng)仿真分析

為驗(yàn)證通過(guò)理論計(jì)算設(shè)計(jì)制動(dòng)系統(tǒng)的可靠性和制動(dòng)性能是否滿足《煤炭安全規(guī)程》的相關(guān)規(guī)定[4]，本小節(jié)根據(jù)上述設(shè)計(jì)的參數(shù)，基于AMESim 軟件建立仿真模型，并對(duì)相關(guān)性能進(jìn)行驗(yàn)證。

設(shè)定制動(dòng)系統(tǒng)的制動(dòng)力最大為600 N，通過(guò)線性變化趨勢(shì)從0 增大，并要求在1 s 內(nèi)達(dá)到要求，對(duì)應(yīng)的仿真結(jié)果如圖3 所示。

由圖3 可知，制動(dòng)系統(tǒng)能夠在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)達(dá)到調(diào)度絞車(chē)所需的制動(dòng)力，且最大制動(dòng)力可達(dá)27 216 N。但是，圖3 中的曲線并不是完全呈線性關(guān)系，分析其原因?yàn)樵?.5 s 的時(shí)刻，由于制動(dòng)系統(tǒng)需通過(guò)另一塊摩擦塊與制動(dòng)盤(pán)接觸提高制動(dòng)力所導(dǎo)致。同時(shí)，在t=0.5 s 時(shí)對(duì)應(yīng)的制動(dòng)力為17 394 N。

圖3 響應(yīng)特性仿真結(jié)果

因此，可以得到所設(shè)計(jì)調(diào)度絞車(chē)制動(dòng)系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間和制動(dòng)力均能夠滿足其在實(shí)際工況的制動(dòng)要求。

3 結(jié)語(yǔ)

調(diào)度絞車(chē)為煤礦生產(chǎn)的輔助運(yùn)輸設(shè)備，其運(yùn)輸效率和安全性直接決定了煤礦生產(chǎn)的效率和安全性[5]。本文重點(diǎn)完成了調(diào)度絞車(chē)電動(dòng)機(jī)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)以及制動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，并重點(diǎn)對(duì)制動(dòng)系統(tǒng)的性能進(jìn)行驗(yàn)證。并總結(jié)如下：

1）采用型號(hào)為YBJ11.4-4 電動(dòng)機(jī)為調(diào)度絞車(chē)提供動(dòng)力；

2）選用鋼絲繩的型號(hào)為FC1770ZZ76.9，直徑為11 mm，對(duì)應(yīng)卷筒的直徑為246.4 mm，每層鋼絲繩的圈數(shù)為25 圈，鋼絲繩的層數(shù)為14 層。

3）經(jīng)對(duì)所設(shè)計(jì)制動(dòng)系統(tǒng)的性能進(jìn)行仿真得知：調(diào)度絞車(chē)制動(dòng)系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間和制動(dòng)力均能夠滿足其在實(shí)際工況的制動(dòng)要求。