一種液壓驅(qū)動(dòng)的新型自動(dòng)罐籠門設(shè)計(jì)*

陳 競

(河南工業(yè)和信息化職業(yè)學(xué)院，河南焦作 454000)

0 引言

在礦山立井提升系統(tǒng)中［1］，罐籠作為一種多用途的提升容器，是煤礦專用設(shè)備中的主要運(yùn)輸設(shè)備。目前多數(shù)礦井都已經(jīng)或開始采用氣控或液控方式，基本上實(shí)現(xiàn)了井口和井底運(yùn)輸系統(tǒng)的自動(dòng)化操作，只有罐籠門的啟閉這一重要環(huán)節(jié)仍采用傳統(tǒng)的手動(dòng)方式，使自動(dòng)化程度受到很大影響，與現(xiàn)代化礦井生產(chǎn)不相適應(yīng)，是煤礦現(xiàn)代化生產(chǎn)環(huán)節(jié)的一個(gè)落后死角。因此，研究一種能有效利用罐籠空間、運(yùn)行平穩(wěn)、開閉迅速、安全可靠、維修簡便的新型自動(dòng)罐籠門，對(duì)于提高煤礦生產(chǎn)安全、實(shí)現(xiàn)煤礦高產(chǎn)高效、改善工人勞動(dòng)條件具有重要意義。

1 罐籠門結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

罐籠在井筒內(nèi)做長距離上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)［2］，罐籠門在罐籠內(nèi)，目前罐籠門的動(dòng)力源多為置于罐籠頂部的彈性元件或蓄電池，但這種方式無法實(shí)現(xiàn)罐籠門的遠(yuǎn)程集中控制。因此，將動(dòng)力源與罐籠分離，應(yīng)用固定在井口和井底的固定動(dòng)力源來控制罐籠門的開合，將能夠有效地解決罐籠門的遠(yuǎn)程集中控制難題。

新型自動(dòng)罐籠門采用上下滑動(dòng)式罐籠門，如圖1所示。它由鋼絲繩串接橫桿而成，鏈條固定橫桿間距為200 mm，罐籠門總高為1 200 mm，其下部邊緣距罐籠底板200 mm，上部邊緣距罐體底板1 400 mm，滿足煤礦安全技術(shù)要求。

罐籠門口兩側(cè)豎直固定兩根φ20 mm的圓鋼作為滑桿，采用規(guī)格φ30 mm、壁厚2．5 mm的不銹鋼鋼管，鋼管兩端焊接U形滑環(huán)，套在滑桿上與滑桿配合，鋼管由鋼絲繩串接而成，并用鏈條固定橫桿間距，其中罐籠門下部橫桿使用圓鋼，以達(dá)到配重目的。

圖1 本研究罐籠門結(jié)構(gòu)示意圖

設(shè)定滑桿中心距為1 050 mm，則橫桿總長度為1 120 mm，其中滑環(huán)長度為70mm，厚度10mm;在橫桿上打兩個(gè)φ15 mm、中心距為650 mm的孔，以便于鋼絲繩對(duì)其進(jìn)行串接。

根據(jù)橫桿的工作條件和載荷特點(diǎn)，選用45#鋼為材料，其密度為 7．8×10－6kg/mm3。

在Pro/E中建立橫桿的實(shí)體模型，經(jīng)分析計(jì)算得:

空心橫桿的質(zhì)量:m空=ρV空=1．308 kg

空心橫桿的質(zhì)量:m實(shí)=ρV實(shí)=5．616 kg

鏈條的總重量:m鏈=2．7 kg

根據(jù)工作需要和《煤礦安全規(guī)程》對(duì)罐籠門的要求，本罐籠門設(shè)置5根空心橫桿和兩根實(shí)心橫桿，實(shí)心橫桿位于罐籠門最下部，各橫桿之間間距為170 mm，罐籠門下部距底板185 mm，上部距底板1 415 mm，罐籠門總高為1 230 mm，各項(xiàng)尺寸均滿足設(shè)計(jì)要求。

此時(shí)罐籠門的質(zhì)量為:

其重力為:

設(shè)定罐籠門全部打開時(shí)最下端距底板2 000 mm，則其行程l簾=1 800 mm，全部打開時(shí)間為t升=10 s，因此，罐籠門上升速度為:

此種罐籠門鋼管重量輕，不占用罐籠內(nèi)有效空間，且U形滑環(huán)在橫桿因擁擠而變形時(shí)不會(huì)卡在滑桿上而影響罐籠的正常使用。

2 動(dòng)力源選用及其執(zhí)行機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

2．1 自動(dòng)罐籠門驅(qū)動(dòng)裝置優(yōu)選

結(jié)合實(shí)際工作環(huán)境，選擇液壓驅(qū)動(dòng)的方式作為動(dòng)力源。液壓傳動(dòng)與機(jī)械傳動(dòng)、電氣傳動(dòng)相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)［3］。

(1)液壓傳動(dòng)的各種元件，可以根據(jù)需要方便、靈活地來布置。

(2)重量輕、體積小、運(yùn)動(dòng)慣性小、反應(yīng)速度快。

(3)操縱控制方便，可實(shí)現(xiàn)大范圍的無級(jí)調(diào)速(調(diào)速范圍達(dá)2000∶1)。

(4)可自動(dòng)實(shí)現(xiàn)過載保護(hù)。

(5)一般采用礦物油作為工作介質(zhì)，相對(duì)運(yùn)動(dòng)面可自行潤滑，使用壽命長。

(6)很容易實(shí)現(xiàn)直線運(yùn)動(dòng)。

(7)很容易實(shí)現(xiàn)機(jī)器的自動(dòng)化，當(dāng)采用電液聯(lián)合控制后，不僅可實(shí)現(xiàn)更高程度的自動(dòng)控制過程，而且可以實(shí)現(xiàn)遙控。

2．2 自動(dòng)罐籠門執(zhí)行機(jī)構(gòu)優(yōu)選

根據(jù)自動(dòng)罐籠門執(zhí)行機(jī)構(gòu)傳動(dòng)效率高［4］、運(yùn)行平穩(wěn)可靠、盡量不需人工操作等工作要求，筆者選用滑塊牽拉傳動(dòng)式動(dòng)力執(zhí)行機(jī)構(gòu)如圖2所示，以液壓缸為驅(qū)動(dòng)源，當(dāng)罐籠到達(dá)指定停車位置，需要進(jìn)出人員或物料時(shí)，液壓缸活塞桿推出，壓塊沿井架上的導(dǎo)軌壓制滑塊沿罐籠側(cè)面的導(dǎo)軌向下移動(dòng)，鋼絲繩牽拉外部滾筒轉(zhuǎn)動(dòng)，從而使傳動(dòng)軸帶動(dòng)罐籠內(nèi)部滾筒纏繞罐籠門鋼絲繩，打開罐籠門;需要關(guān)閉罐籠門時(shí)，液壓拉桿收回，壓塊穩(wěn)定向上移動(dòng)，滑塊被放松，罐籠門利用自重以壓塊上升的速度下降，從而實(shí)現(xiàn)罐籠門的自動(dòng)閉合。

圖2 滑塊牽拉傳動(dòng)式罐籠門

此種執(zhí)行機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡單，對(duì)罐籠位置有誤差補(bǔ)償功能，運(yùn)行平穩(wěn)，傳動(dòng)效率高，能將動(dòng)力可靠地傳遞到罐籠，配合已選定的液壓動(dòng)力源，便于實(shí)現(xiàn)罐籠門開閉的自動(dòng)化。

3 罐籠門橫桿受力分析

3．1 MG1．1－6A礦車的技術(shù)特征及其受力分析

本罐籠使用的礦車為 MG1．1－6A固定式礦車［5］，其技術(shù)特征如表1所列。它主要用于煤礦井下大巷道運(yùn)輸，中小斜井筒，小斜井順槽和礦井地面運(yùn)輸。固定式系列礦車具有結(jié)構(gòu)簡單、堅(jiān)固耐用、承載能力大、維修方便等特點(diǎn)，礦車卸載時(shí)用翻車機(jī)將整個(gè)車體翻轉(zhuǎn)。

表1 MG1．1－6A礦車技術(shù)特征

礦車滿載時(shí)總重力

G=M總g=(1 000+592)×9．8=15 601．6(N)(4)

《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定［6］:提升容器的罐耳在安裝時(shí)與罐道之間所留的間隙:使用滑動(dòng)罐耳的剛性罐道每側(cè)不得超過5 mm，木罐道每側(cè)不得超過10 mm;鋼絲繩道的罐耳滑套直徑與鋼絲繩直徑之差不得大于5 mm;采用滾輪罐耳的組合鋼罐道的輔助滑動(dòng)罐耳，每側(cè)間隙應(yīng)保持10～15 mm。

1 t單繩普通罐籠長度方向罐耳的中心距l(xiāng)=1 880 mm［7］，由煤礦安全規(guī)程知罐耳與鋼絲繩直徑差為5 mm，為研究罐籠在運(yùn)行過程中的傾斜角度，在此將鋼絲繩簡化為一根軸線，則罐籠在運(yùn)行過程中擺動(dòng)最大時(shí)罐籠與鋼絲繩的位置關(guān)系見圖3:

分析得:

礦車在軌道上滑動(dòng)，忽略礦車與軌道之間的摩擦力，所以礦車在罐籠搖擺角度最大，阻車器失靈的情況下撞向罐籠門的力見圖4:

圖3 罐籠最大傾角

圖4 礦車受力分析圖

3．2 力學(xué)模型建立

因?yàn)樵谥苿?dòng)過程中，礦車對(duì)罐籠門產(chǎn)生巨大的碰撞力，而且碰撞力隨時(shí)間劇烈變化，用傳統(tǒng)的方法難以描述其特征。通常假定碰撞力為常數(shù)，將動(dòng)態(tài)過程簡化為靜態(tài)過程。筆者應(yīng)用仿真軟件ABAQUS對(duì)礦車與罐籠門的碰撞過程進(jìn)行靜態(tài)模擬，以揭示礦車與罐籠門的碰撞時(shí)橫桿的受力及變形情況，為自動(dòng)罐籠門的設(shè)計(jì)提供參考。

根據(jù)礦車基本參數(shù)和罐籠門橫桿布置情況，得出礦車在滑動(dòng)時(shí)僅對(duì)罐籠門下部的5根橫桿產(chǎn)生碰撞，其中包括三根空心橫桿和兩根配重橫桿，撞擊時(shí)礦車與罐籠門的接觸寬度即礦車寬度，880 mm。

礦車對(duì)罐籠門的碰撞可以簡化為質(zhì)點(diǎn)對(duì)等截面簡支梁的橫向碰撞。在碰撞過程中罐籠門橫桿的中心軸在同一平面內(nèi)，而且碰撞力也在這個(gè)平面內(nèi)，罐籠門在這個(gè)平面內(nèi)作橫向振動(dòng)，橫桿的主要變形是彎曲變形。為了簡化模型，將此過程中礦車對(duì)罐籠門的壓力均布到五根橫桿上，分別對(duì)空心橫桿和配重橫桿進(jìn)行分析。

作用在橫桿上的力為:

橫桿中間截面的面積為:

則礦車對(duì)單根橫桿的壓強(qiáng)為:

3．3 結(jié)果分析

根據(jù)上述建立的力學(xué)模型建立ABAQUS仿真模型。將如表2所列的仿真參數(shù)代入已經(jīng)建立的仿真模型進(jìn)行仿真。

表2 鋼的性能參數(shù)

(1)將壓強(qiáng)P均布施加在空心橫桿的中間截面上，滑環(huán)在z軸的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度不受限制。加載情況如圖5所示。經(jīng)ABAQUS軟件的仿真分析，得出空心橫桿的應(yīng)力分布圖(圖6、7)。由圖6和7知，空心橫桿在滑環(huán)與鋼管焊接處應(yīng)力值最大，δmax=31．53 MPa，遠(yuǎn)小于45鋼的屈服強(qiáng)度?？招臋M桿的最大變形部位為橫桿中間部分，最大變形量為0．782 9 mm，如圖8所示。

圖5 空心橫桿受載圖

圖6 空心橫桿應(yīng)力分量圖

圖7 空心橫桿焊接處應(yīng)力分量

圖8 空心橫桿受載變形圖

(2)將壓強(qiáng)P均布施加在配重橫桿的中間截面上，滑環(huán)在z軸的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度不受限制。加載情況如圖9所示。經(jīng)ABAQUS軟件的仿真分析，得出配重橫桿的應(yīng)力分布圖(圖10)。由圖10可知，配重橫桿在滑環(huán)與鋼管焊接處應(yīng)力值最大，δmax=26．67 MPa，遠(yuǎn)小于45鋼的屈服強(qiáng)度。

圖9 配重橫桿受載圖

圖10 配重橫桿應(yīng)力分量圖

空心橫桿的最大變形部位為橫桿中間部分，最大變形量為0．4611 mm如圖11所示。

圖11 配重橫桿受載變形圖

4 結(jié)語

由仿真分析結(jié)果可知，罐籠門各橫桿均滿足受力要求，在阻車器失靈時(shí)能承受滿載礦車對(duì)其的重大撞擊，滿足設(shè)計(jì)要求。

［1］ 劉 偉．上擺折疊式礦井安全門開啟狀態(tài)防自落方法研究［J］．煤礦機(jī)械，2013，34(1):201－202．

［2］ 劉 偉，岳修科．礦井乘人罐籠新型電動(dòng)罐簾門［J］．煤礦機(jī)械，2007，28(2):119－120．

［3］ 金武飛，曹云翔，王海波，等．基于PLC的平開式自動(dòng)礦井安全門的設(shè)計(jì)［J］．制造業(yè)自動(dòng)化，2011，33(10):127－128．

［4］ 山西焦煤集團(tuán)有限責(zé)任公司．罐籠自動(dòng)啟閉裝置:中國，02256195．1［P］．2013．

［5］ 山東金嶺鐵礦．礦井罐籠專用卷簾門:中國，200520104780．0［P］．2007．

［6］ 陸繼旺，賈福音．煤礦井口軸式安全門的設(shè)計(jì)［J］．煤礦機(jī)電，2012，(1):123－124．

［7］ 永煤集團(tuán)股份有限公司新橋煤礦．礦井插拔式罐籠門:中國，200820149799．0［P］．2009．