座鉤式自動(dòng)翻矸裝備的工藝設(shè)計(jì)

程平陽(yáng)

（武漢星宇建設(shè)工程監(jiān)理有限公司，湖北武漢430070）

座鉤式自動(dòng)翻矸裝備的工藝設(shè)計(jì)

程平陽(yáng)

（武漢星宇建設(shè)工程監(jiān)理有限公司，湖北武漢430070）

運(yùn)用設(shè)計(jì)的座鉤式自動(dòng)翻矸工藝裝置，在巷道的掘進(jìn)中的裝渣和出渣過(guò)程中，能夠改進(jìn)裝運(yùn)巖石的工作，實(shí)現(xiàn)了不借助外動(dòng)力源的情況下，吊桶自動(dòng)翻轉(zhuǎn)倒渣，提高其機(jī)械化水平，從而加快掘進(jìn)速度，提高勞動(dòng)效率和工藝施工水平，大大減輕在巷道、豎井施工中最繁重、最費(fèi)工時(shí)的工序強(qiáng)度，節(jié)約了人工成本。

自動(dòng)翻矸裝備；座鉤；出渣；排矸方式；吊桶；工藝設(shè)計(jì)

巷道的掘進(jìn)中的裝渣和出渣是最繁重、最費(fèi)工時(shí)的工序，約占掘進(jìn)循環(huán)時(shí)間的40%~50%，是決定豎井施工速度的主要因素。因此應(yīng)不斷研究和改進(jìn)裝運(yùn)渣石（主要為巖石）的工作，提高其機(jī)械化水平，以便加快掘進(jìn)速度，提高勞動(dòng)效率。

掘進(jìn)產(chǎn)生的巖石、粹渣一般經(jīng)過(guò)抓巖機(jī)，將其裝入吊桶，巖石經(jīng)吊桶提到翻矸臺(tái)上后，需要翻卸在溜矸槽內(nèi)或卸在井口矸石倉(cāng)內(nèi)，以便用自卸汽車(chē)或者礦車(chē)運(yùn)走。這就需要將吊桶自動(dòng)翻矸，座鉤式自動(dòng)翻矸裝置使用效果最好。運(yùn)用設(shè)計(jì)的座鉤式自動(dòng)翻矸工藝裝置，在巷道的掘進(jìn)中的裝渣和出渣過(guò)程中，實(shí)現(xiàn)了不借助外動(dòng)力源的情況下，吊桶自動(dòng)翻轉(zhuǎn)倒渣，從而改進(jìn)在巷道、豎井施工中裝運(yùn)巖石這一最繁重、最費(fèi)工時(shí)的工作，節(jié)約了人工成本。

1翻矸方式

座鉤式自動(dòng)翻矸裝置（見(jiàn)圖1）是由底部帶中心圓孔的吊桶、座鉤、托梁及支架等組成。翻矸裝置通過(guò)支架固定在翻矸門(mén)上。

裝滿(mǎn)巖石的吊桶提到翻矸平臺(tái)后，關(guān)上翻矸門(mén)，吊桶下落，使鉤尖進(jìn)入桶底中心孔內(nèi)。鉤尖處于提升中心線(xiàn)上，而托梁的轉(zhuǎn)軸中心偏離中心線(xiàn)200 mm.吊桶借偏心作用開(kāi)始向前傾倒，直到鉤頭鉤住桶底中心孔邊緣鋼圈為止。翻矸后，上提吊桶，座鉤自行脫離，并借自重恢復(fù)到原來(lái)位置。

這種翻矸裝置具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，加工安裝容易，翻矸動(dòng)作可靠，翻矸時(shí)間較短等優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)在已經(jīng)在不少礦井廣泛應(yīng)用。

2翻矸裝置的設(shè)計(jì)

2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

機(jī)械中所有轉(zhuǎn)動(dòng)軸都要用軸承來(lái)支撐。軸安裝在軸承中的部分稱(chēng)為軸頸。軸頸與軸承構(gòu)成轉(zhuǎn)動(dòng)副。當(dāng)載荷垂直于軸頸的幾何軸線(xiàn)時(shí)稱(chēng)為徑向軸頸和徑向軸承。

翻矸裝置是一個(gè)十字架鋼梁軸，因?yàn)榛瑒?dòng)軸承具有較大的承載能力、抗振性好、壽命長(zhǎng)、噪聲小、運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)等優(yōu)點(diǎn)，所以鋼梁軸的兩端制作成光滑的圓柱形軸，放入軸承座中的兩端部必須進(jìn)行簡(jiǎn)單的熱處理。軸頸與軸承被制作處間隙配合。它們之間通過(guò)人工滴注機(jī)油進(jìn)行潤(rùn)滑（見(jiàn)圖1）。

軸頸在吊桶自重力矩M的作用下（見(jiàn)圖1），在軸承中克服與軸承的摩擦力而滑動(dòng)。摩擦力相對(duì)吊桶的偏心扭矩可以忽約不計(jì)。只要吊桶的垂直重心力G偏離軸承座向上的支撐力N的中心線(xiàn)而使吊桶偏心，圍繞軸承座中心軸線(xiàn)產(chǎn)生力矩M，從而使吊桶翻轉(zhuǎn)；吊桶的中心線(xiàn)偏離軸承軸線(xiàn)的距離越大，產(chǎn)生的力矩越大，吊桶就越容易翻轉(zhuǎn)，因?yàn)榈跬暗牡妆P(pán)直徑一般為1 000 mm，半徑500 mm，吊桶底盤(pán)中心坐落在十字架軸的座鉤上，座鉤沿圖中的X軸伸出200 mm，足夠使吊桶產(chǎn)生偏心力，吊桶底盤(pán)的另外300 mm部分也容易坐落在十字架軸梁上。其受力分析圖如下圖1.

圖1 吊桶在十字架座鉤上受力圖

為了將吊桶放在圓軸上，圓軸的中間必須設(shè)計(jì)成矩形截面。圓軸與矩形截面軸結(jié)合處形成臺(tái)階。通過(guò)該臺(tái)階在軸承座上軸向定位。

十字架的另外一條梁的一端做成彎鉤，垂直伸出轉(zhuǎn)軸200 mm，使吊桶產(chǎn)生偏心。另一端的端部需要翹起，以阻止吊桶向該方向滑移。

吊桶的底部必須做成凹進(jìn)的圓柱形狀，以便與十字架的向上的彎鉤配合，使吊桶借助自身重力，當(dāng)?shù)跬奥涞绞旨苌希趵K放松后，能夠自動(dòng)翻轉(zhuǎn)，而不滑移。

2.2 吊桶的受力分析

一個(gè)物體上的作用力系，作用線(xiàn)都在同一平面內(nèi)，且匯交于一點(diǎn)，這種力系稱(chēng)為平面匯交力系。如圖1所示，吊桶在十字架鋼梁軸的平面匯交力系的平衡條件是，作用力，再加上力矩的平衡

通過(guò)上面分析，吊桶的重量通過(guò)鋼絲繩吊著呈平衡狀態(tài)，當(dāng)?shù)跬奥湓谑旨茌S上時(shí)，如果沿X軸方向的吊桶的重力與十字架的支撐力N重合，吊桶底部受到轉(zhuǎn)軸垂直向上的作用力N，等于吊桶向下的于重心的重量G產(chǎn)生的作用力，這時(shí)吊桶處于靜止?fàn)顟B(tài)；一旦吊桶的重力沿Y軸偏離十字架軸的支撐力N，吊桶就以轉(zhuǎn)軸為原點(diǎn)，吊桶的重心作用力G就產(chǎn)生力矩M，而使吊桶翻轉(zhuǎn)。因?yàn)榈跬皠偨佑|轉(zhuǎn)軸時(shí)偏心距離最短，力臂最小，吊桶的重心作用力G對(duì)于轉(zhuǎn)軸翻矸時(shí)產(chǎn)生的力矩M也就最小。當(dāng)在該點(diǎn)最小力矩使吊桶能夠翻轉(zhuǎn)時(shí)，那么吊桶在其他位置產(chǎn)生的力矩就都能使吊桶翻轉(zhuǎn)。如圖1所示，鉤尖處于提升中心線(xiàn)上，而托梁的轉(zhuǎn)軸中心線(xiàn)偏離吊桶中心線(xiàn)200mm.

2.3 軸的材料選擇

翻矸軸承梁材料比較容易得到，一般選價(jià)格低廉容易加工的A3普通碳素鋼。為保證機(jī)械性能，應(yīng)該進(jìn)行調(diào)質(zhì)或者正火處理。

常溫、靜載荷和一般工作條件下，A3普通碳素鋼的許用應(yīng)力σ=157 MPa（由常用材料的許應(yīng)力表查得）。A3屬于塑性材料。

2.4 軸的應(yīng)力計(jì)算

在靜載荷下，塑性材料的扭轉(zhuǎn)許用剪應(yīng)力τ和許用拉應(yīng)力σ之間存在著如下關(guān)系：τ=（0.5~0.6）σ.考慮到傳動(dòng)軸受動(dòng)載荷作用等因素的影響，其許用應(yīng)力一般比上述值低。

為了圓軸不發(fā)生破壞，其最大工作應(yīng)力不能超過(guò)材料的許用扭轉(zhuǎn)剪應(yīng)力τ.對(duì)于等直圓軸來(lái)說(shuō)，最大剪應(yīng)力發(fā)生在最大扭矩截面的邊緣處，圓軸扭轉(zhuǎn)的強(qiáng)度條件為：

式中，Mn為圓軸截面上的扭矩，應(yīng)該取吊桶的重心到圓軸軸心線(xiàn)的垂直距離的最小值來(lái)計(jì)算。吊桶的尺寸由轉(zhuǎn)揚(yáng)機(jī)轉(zhuǎn)筒軸的寬度決定。一般吊桶的直徑取1.8m.吊重為1.75×1.8 t.吊桶重心垂直線(xiàn)偏移圓軸軸心線(xiàn)200 mm.故可以計(jì)算吊桶對(duì)轉(zhuǎn)軸的力矩為：

Mn=2×103×200

其中抗扭矩截面模量Wn=πD3/16，D為圓軸直徑。

故所以旋轉(zhuǎn)圓軸直徑選擇為70mm.

2.5 剛度的校核

該軸的剛度

根據(jù)《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》查得，精度要求不高的傳動(dòng)軸單位長(zhǎng)度扭轉(zhuǎn)角的許用θ的值一般為1~2.5.（°/m）.

故該軸的剛度在1~2.5.（°/m）之間，能夠滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

2.6 軸的尺寸確定

為了將吊桶放在圓軸上，圓軸的中間必須設(shè)計(jì)成矩形截面。對(duì)于兩端自由的矩形桿來(lái)說(shuō)，截面的翹曲不受限制，相鄰截面的翹曲程度相同，它們的間距和縱向直線(xiàn)長(zhǎng)度并未變化。因此截面上沒(méi)有正應(yīng)力，只有剪應(yīng)力，這種扭轉(zhuǎn)稱(chēng)為自由扭轉(zhuǎn)。其最大剪應(yīng)力發(fā)生在長(zhǎng)邊中點(diǎn)處，其值為τmax=Mn/ahb2

矩形截面尺寸h=100mm，b=50 mm，從《材料力學(xué)》矩形截面桿扭轉(zhuǎn)時(shí)的系數(shù)表中查得a=0.246.

H，b越大，τmax越小，故矩形截面尺寸h=100 mm，b=50 mm滿(mǎn)足強(qiáng)度條件。

3吊桶的定位分析

吊桶隨吊繩落在在十字架平臺(tái)的座鉤上，通過(guò)自身重力與十字架平臺(tái)接觸產(chǎn)生的摩擦力及座鉤的定位作用，而與十字架平臺(tái)組成一個(gè)整體。吊桶的垂直中心線(xiàn)偏離十字架轉(zhuǎn)軸中心線(xiàn)200 mm，導(dǎo)致吊桶沿十字架轉(zhuǎn)軸軸線(xiàn)翻轉(zhuǎn)。

為了保證吊桶能夠自由正確翻轉(zhuǎn)，就必須限制吊桶的自由度。應(yīng)用“六點(diǎn)定位規(guī)則”來(lái)分析吊桶定位，把吊桶和十字架梁組成的結(jié)合體視為不產(chǎn)生變形的剛體，同時(shí)將其視為幾何要素及幾何關(guān)系（即不存在任何誤差）幾何體，其實(shí)際存在的誤差或可能產(chǎn)生的變形已經(jīng)在工件設(shè)計(jì)時(shí)考慮。分析如下：

吊桶其受力方向如圖2所示。

圖2 吊桶在座鉤上的定位分析圖

十字架的軸承座及軸臺(tái)—限制X向轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，Z移動(dòng)自由度；十字架軸及座鉤—限制X向移動(dòng)自由度；吊桶和十字架的結(jié)合之間的摩擦力，加上軸承座的支撐力，以及座鉤的定位作用—限制Y向移動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)自由度。這樣，吊桶隨十字架轉(zhuǎn)軸在沿Z轉(zhuǎn)動(dòng)自由度方向，作翻矸運(yùn)動(dòng)，其他方向的自由度都被限制，從而滿(mǎn)足將礦渣倒入溜槽的工藝要求。該裝置的實(shí)際應(yīng)用如圖3所示。

圖3 該裝置的實(shí)際應(yīng)用圖

4結(jié)束語(yǔ)

巷道的掘進(jìn)的裝渣和出渣是最繁重、最費(fèi)工時(shí)的工序，是決定豎井施工速度的主要因素。本文設(shè)計(jì)了座鉤式自動(dòng)翻矸工藝裝備。該座鉤式自動(dòng)翻矸工藝裝備的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，簡(jiǎn)單、明了、適用。它在不憑借外力作用條件下，通過(guò)自身的重量實(shí)現(xiàn)了翻矸，很好的解決了這個(gè)單調(diào)繁重的問(wèn)題。

[1]李慶壽.機(jī)床夾具設(shè)計(jì)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1982：12-13.

[2]電機(jī)工程手冊(cè)編輯委員會(huì).機(jī)械工程手冊(cè)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1997.

[3]潘震蒼.機(jī)械原理[M].北京：高等教育出版社，1989：76.

[4]金家楨.材料力學(xué)[M].北京：高等教育出版社，1989：24-26，93，99，102.

[5]趙興東.井巷工程[M].北京：冶金工業(yè)出版社，2012：243.

A Hook Type Automatic Equipmentof Coaland Gangue Process Design

CHEN Ping-yang
（Staryu Construction Engineering Supervision Co.，Ltd.Wuhan Hubei430070，China）

Using a hook type automatic turning device design process waste slag in the roadway，installed in tunneling and slag process，can improve the loading rock work，achieved without the aid of external power supply under the condition of automatic reversing slag bucket，raise the level of the machinery,thus speeding up the tunneling speed，improve work efficiency and the level of construction technology，greatly reduce the roadway and shaft construction in themost onerous,strength is themost time-consuming process，saving labor costs.

automatic equipment；turn the gangue hook；slag；conveyer；bucket；process design

TD262

A

1672-545X（2016）12-0090-03

2016-09-07

程平陽(yáng)（1968-），男，湖北鄂州人，本科，機(jī)械高級(jí)工程師，全國(guó)注冊(cè)監(jiān)理工程師，總監(jiān)理工程師，研究方向：機(jī)械工藝制造。