可摘掛抱索器的改造及應用

楊栓栓

目前，大斗溝礦使用的RJY90/25/1800型索車，索車巷全長1 720 m，共計使用的可摘掛抱索器有208個，備品30個。礦上使用的索車是2005年安裝使用的，運行服務(wù)年限長，有些安全方面標準達不到國家煤安辦的規(guī)定，所以在2014我單位不斷對其進行改造，加裝了各種相關(guān)的保護，并在2017年對機頭部分進行了徹底更換；但座椅和抱索器一直使用可摘掛式結(jié)構(gòu)。參照國家煤安辦GB50127-2007中7.1.3條第7款規(guī)定，抱索器的內(nèi)、外抱卡應采用優(yōu)質(zhì)合金鋼，不得采用鑄造方法制造。而在大斗溝礦使用的過程中發(fā)現(xiàn)，有些產(chǎn)品依然采用整體鑄造，再進行后續(xù)的機加工處理，這樣處理過的抱索器外觀看起來更整潔，難以分辨抱索器是否采用鍛造工藝生產(chǎn)。為此，決定對抱索器進行改造處理，一來可以保證作業(yè)安全可靠，二來節(jié)省成本，改造方案確定采用分體式結(jié)構(gòu)取代原結(jié)構(gòu)，本文主要對改造后抱索器的結(jié)構(gòu)設(shè)計、工作原理、應用情況等進行簡述。

1 改造前的可摘掛抱索器的工作原理

改造前的可摘掛抱索器又可以稱為整體式重力自鎖抱索器，簡單的可以分為底座，上、下卡片，定位銷幾部分，具體結(jié)構(gòu)如圖1所示；它是在人和座椅的自身重力作用下，上、下卡片在鋼絲繩上形成作用力和反作用力，這對作用力和反作用力將抱索器同鋼絲繩緊緊的抱成一體，從而達到自鎖的目的。具體操作如圖2所示，下井人員拿上座椅，將卡口插入運行的鋼絲繩上，在重力作用下，底座旋轉(zhuǎn)90度，呈c字型上卡片會因重力作用掛在鋼絲繩上形成作用力，呈c字型的下卡片會在反作用力的作用下卡在鋼絲繩的下面，即在重力方向上，上、下卡片利用重力和鋼絲繩的張力同鋼絲繩抱緊從而達到自鎖的目的。

圖1 改造前的可摘掛抱索器

圖2 結(jié)構(gòu)操作

2 可摘掛抱索改造的原因

改造前的可摘掛抱索是整體式結(jié)構(gòu)，卡片是有弧度的上下內(nèi)錯結(jié)構(gòu)，不適宜采用機加工生產(chǎn)；生產(chǎn)廠家為節(jié)省成本基本上都采用鑄造工藝，而不會選擇鍛造工藝。模鍛抱索器屬于精鍛件，這對生產(chǎn)廠家的技術(shù)水平和生產(chǎn)設(shè)備的要求較高，每生產(chǎn)一批可摘掛抱索器都需要一整套模具（6個模具），模具本身的生產(chǎn)成本就很高；加之，鍛件本身毛坯成型后就很難進行脫模處理，生產(chǎn)廠家需要成熟的技術(shù)，因此生產(chǎn)廠家一般對生產(chǎn)量有嚴格的要求，單個生產(chǎn)任務(wù)普通都是1 000件起生產(chǎn)；另外，可摘掛抱索器卡片的邊緣應是光滑的，所以每個抱索器都需要進行切邊處理，整個過程不僅費時，還費生產(chǎn)成本。這樣以來，生產(chǎn)廠家一般都會選擇鑄造生產(chǎn)；或?qū)ㄆM行壓制，后焊接在主體底座上。這兩種工藝的生產(chǎn)成本都很低，生產(chǎn)出來的抱索器質(zhì)量也一般，抱索器常因生產(chǎn)質(zhì)量問題需進行更換。下面是我礦根據(jù)2016—2017年可摘掛抱索器易發(fā)生的故障及原因所列的一份統(tǒng)計（見表1）：

表1 故障原因統(tǒng)計

從可摘掛抱索器的故障發(fā)生率來看，主要是卡片斷裂和卡片邊緣磨損；故此次改造將不在采用傳統(tǒng)的一體式結(jié)構(gòu)，而要把卡片獨立分開，改造成一種簡單的、維修方便的、節(jié)約成本的可拆卸式結(jié)構(gòu)。

3 可摘掛抱索器的改造

改造后的可摘掛抱索器主要分為：基礎(chǔ)底座，上、下卡片，卡片定位銷等三部分，下面將從結(jié)構(gòu)方面簡單的說明這三部分的作用。具體改造后的可摘掛抱索器的三維圖如圖3所示：

圖3 抱索器的三維圖

3.1 基礎(chǔ)底座

可摘掛抱索器的底座是主要的承力部件，基礎(chǔ)底座在材質(zhì)選用、受力分析及結(jié)構(gòu)尺寸方面的設(shè)計，直接關(guān)系到可摘掛抱索器整體的安全性、可靠性及使用壽命等。材料方面，可摘掛抱索器選擇煤礦上常用的優(yōu)質(zhì)合金鋼(20CrMnTi),或者選擇部分底座完好的舊抱索器底座（鍛造生產(chǎn))，這樣可以很好地保證抱索器的強度、硬度、耐磨性。結(jié)構(gòu)方面，此次改造中增加了支撐部位的高度25 mm（如圖4），這個高度是根據(jù)標準件螺栓（M12，L60）、螺母和底座高度決定的，通過增加支撐部分的高度可以增大螺栓的支撐面積，進一步加大了螺栓的使用壽命?；A(chǔ)底座的選取煤礦常用的15 mm厚的鋼板，或選用完好的舊的12 mm厚抱索器底座。底座其它方面的結(jié)構(gòu)尺寸如圖4所示，具體三維結(jié)構(gòu)圖如圖5所示：

圖4 底座加工尺寸

圖5 底座三維結(jié)構(gòu)

3.2 卡片

改造前的可摘掛抱索器常因卡片邊緣磨損、變形、斷裂而報廢，故卡片在抱索器中的作用地位很重要。此次改造中也主要針對卡片進行了深度地改造。

首先，材料方面依然選用優(yōu)質(zhì)合金鋼。因為卡片會和鋼絲繩接觸，在考慮材質(zhì)方面，不單單需要考慮強度、硬度，更需要把材料的韌性、耐磨性考慮進來，綜合各方面因素，在材料方面依然選用礦上常見的20CrMnTi。

其次，在結(jié)構(gòu)設(shè)計方面，把單一的整體結(jié)構(gòu)改為可拆解式結(jié)構(gòu)，一旦哪個卡片出現(xiàn)過度磨損，便可單一地拆換卡片，不需要整體報廢。每一個卡片分別相應地做了焊接卡槽，用來插入橡膠，橡膠在卡片上不僅可以增大抱索力，而且還能延長卡片的壽命。為了避免因人為破壞而造成卡片的角度偏移，在每一個卡片上分別開了定位槽；當卡片安裝在底座上，底座上的定位銷會插入定位槽內(nèi)，限制了卡片旋轉(zhuǎn)的自由度，起到了防偏移的目的。具體卡片的加工尺寸圖（上卡片）如圖6，下卡片的寬度在尺寸上大上卡片一倍，其它方向的加工尺寸和上卡片一致，具體卡片的三維結(jié)構(gòu)圖如圖7所示：

圖6 上卡片加工尺寸

圖7 卡片三維結(jié)構(gòu)

最后，在尺寸方面（如上圖），改造前的抱索器上、下卡片的寬度是一樣的，但通過杠桿原理可知：

注解：F上是上卡片在鋼絲繩上的作用力，L上是上卡片的作用力力臂，F(xiàn)下是下卡片在鋼絲繩上的反作用力，L下是下卡片的反作用力力臂，上、下卡片如圖3所示。

從整體三維結(jié)構(gòu)圖可以看出，L上基本是整個底座的長度，而 L下基本是底座長度的一半，從上面的公式中可以發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)下≈2F上，為了減少F下，可以把下卡片的寬度增大一倍，這樣不僅可以通過減少F下而減少鋼絲繩的變形，還能使卡片通過托繩輪時降低顛簸感。另外需要注意的一點，卡片在加工和安裝過程中，要注意卡片內(nèi)橡膠所形成的圓要比鋼絲繩的直徑略大一點（1.1D鋼＜D圓＜1.3D鋼），D鋼、D圓如圖8所示：

圖8 抱索器結(jié)構(gòu)

3.3 定位銷

改造后的可摘掛抱索器結(jié)構(gòu)中多了兩個定位銷，這兩個定位銷的作用是限制卡片的旋轉(zhuǎn)自由度?？ㄆ趯嶋H工作中是不會發(fā)生旋轉(zhuǎn)的，從圖2可以看出，在重力的作用下，卡片同鋼絲繩呈自鎖狀態(tài)；但當人員坐完座椅，從鋼絲繩上摘下座椅往巷道邊或巷道邊的掛桿上放置時，若放置不到位，卡片會接觸其他物體，會處在一個受力狀態(tài)，一旦卡片受力，便會有繞螺栓旋轉(zhuǎn)的趨勢，為防止卡片旋轉(zhuǎn)設(shè)計了定位銷這樣的結(jié)構(gòu)。因為座椅放置的狀態(tài)不同，卡片的受力大小也不同，若處于座椅整體的重量（9 Kg-11 Kg)都加裝在卡片上,定位銷所受到的剪切力最大為110 N，實際使用過程中定位銷的受力范圍（0 N-110 N)；所以在材料方面選擇方面很廣泛，此次選用20CrMnTi優(yōu)質(zhì)合金鋼。尺寸方面，需要注意它的直徑和高度。直徑的范圍可根據(jù)材料力學中的剪切力公式,(F為剪切力，S為橫截面積，σ為材料的屈服強度，其中20CrMnTi優(yōu)質(zhì)合金鋼的屈服強度取材料商提供的92 MPa）通過計算定位銷的直徑范圍為0-8 mm,本次改造中的定位銷直徑為8 mm。定位銷在高度方面必需要保證定位銷的高度要高于安裝后卡片高度，從圖4和圖6可知，安裝后卡片的高度為32 mm，為了便于加工和安裝，取定位銷的高度為40 mm.

4 可摘掛抱索器實際改造的效果

大斗溝煤業(yè)公司從2017年1月計劃加工生產(chǎn)，到2月份成功加工出生產(chǎn)了20個底座，40個卡片。通過組裝共生產(chǎn)了20個可摘掛抱索器樣品，通過3個月的試運行，成功運用在410巷道的索車上。在3個月試運行中，我單位進行了實驗跟蹤記錄，共更換橡膠47個，卡片16個，底座3個；而這三個月內(nèi)在410巷道的索車上更換了改造前的抱索器67個，通過數(shù)據(jù)的對比結(jié)果，我們非常滿意此次的改造成績。具體改造后所帶來的實際效果如下：

（一）改造后的抱索器雖然不是整體結(jié)構(gòu)，但操作起來非常方便。索車維修工在實踐操作中只要觀察抱索器的卡片磨損量是否超過規(guī)定的磨損量，一旦磨損嚴重時，不需要取下索頭，只需更換磨損嚴重的卡片即可，操作非常方便。

（二）改造前的抱索器一旦出現(xiàn)卡片的過度磨損，就必須整體更換抱索器，一個可摘掛抱索器的價格近百元。通過此次改造，配件材料都選用礦上常用的鋼材，具體加工由礦上機電科獨立完成，所投入的資金很少；在使用過程中，改造后的可摘掛抱索器運行很好，整體報廢率基本為零，生產(chǎn)出的報廢配件主要是橡膠和卡片，后期維修成本也很低。

5 結(jié)論

大斗溝礦從2017年1月試加工生產(chǎn)改造后的可摘掛抱索器，4月成功運用在410巷道索車；到目前為止，已經(jīng)投入使用了一年的時間。通過這一年時間的成果運用，改造后的可摘掛抱索器成功的解決了成本問題、供貨問題、維修及操作問題；相比改造前的抱索器，改造后的抱索器使用壽命更高，因為改造可摘掛抱索器實現(xiàn)了抱索器由整體結(jié)構(gòu)變?yōu)榭刹鸾獾慕Y(jié)構(gòu)，這樣能充分發(fā)揮好加工的每個配件的最大利用率，從而達到了維修方便，使用成本更低的實際效果。

[1]楊可楨，程光蘊，李仲生主表.機械設(shè)計基礎(chǔ).北京：高等教育出版社，2006.

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[5]曹靜，賈雨順主編.機械制圖.機械工業(yè)出版社.2011.

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