單軌吊制動(dòng)車關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)與分析

于 飛

（陽(yáng)煤一礦掘二隊(duì)， 山西 陽(yáng)泉 045000）

引言

近年來(lái)，單軌吊車由于其便捷性和實(shí)用性在礦井中得到了大量使用，逐漸成為礦井生產(chǎn)必不可少的工具。單軌吊車通過(guò)懸掛好的特定軌道運(yùn)行，不會(huì)被礦井中的惡劣環(huán)境所局限，產(chǎn)生噪聲小、不易發(fā)生損壞、便于維修，而且能夠直接達(dá)到運(yùn)送地點(diǎn)。但隨著礦井生產(chǎn)的日益標(biāo)準(zhǔn)化、科學(xué)化、現(xiàn)代化，急需一種能夠與當(dāng)前吊軌無(wú)縫銜接，并能在吊車超速失控下自動(dòng)停車的制動(dòng)系統(tǒng)以保證緊急制動(dòng)的安全性、穩(wěn)定性。本文設(shè)計(jì)了單軌吊系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，并結(jié)合應(yīng)用情況對(duì)其主要受力部件進(jìn)行了探討和論證。

1 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

單軌吊由于需要在礦井的限制條件下使用，即使處于正常工作也不可避免要遭受到諸多惡劣環(huán)境的各種地質(zhì)情況的局限。首先，制動(dòng)系統(tǒng)需要滿足煤礦安全規(guī)程中嚴(yán)格的防火防爆規(guī)定，這樣對(duì)材料的選取就提出了很高的要求[1]。另一方面，在礦井中，巷道較為狹窄和雜亂，單軌吊運(yùn)行環(huán)境差而且空間不大，所以要求制動(dòng)系統(tǒng)總體尺寸不能過(guò)大，太大的話會(huì)影響其他工種的生產(chǎn)進(jìn)行。

根據(jù)《煤礦安全規(guī)程》，單軌吊運(yùn)行的最高速度不得大于2 m/s，當(dāng)速度達(dá)到2.6 m/s時(shí)必須進(jìn)行緊急制動(dòng)防止失控[2]。本制動(dòng)系統(tǒng)主要由限速管控裝置、動(dòng)作機(jī)構(gòu)和液壓缸等組成，其主要原理是利用核心技術(shù)檢測(cè)單軌吊車行駛速度，當(dāng)速度值躍過(guò)設(shè)計(jì)額定值后，過(guò)高的運(yùn)轉(zhuǎn)帶來(lái)的慣性力觸發(fā)限速管控裝置，在動(dòng)作機(jī)構(gòu)和液壓油缸的共同作用下，在制動(dòng)閘載彈簧力的作用下緊貼軌道頂板產(chǎn)生較大摩擦力，實(shí)現(xiàn)緊急平穩(wěn)制動(dòng)。

單軌吊制動(dòng)系統(tǒng)在設(shè)計(jì)和應(yīng)用中存在一些不可避免的問(wèn)題，由于主要依靠摩擦進(jìn)行制動(dòng)，而且所處空間極為有限，在剎車過(guò)程中可能會(huì)產(chǎn)生火花，甚至引發(fā)礦井安全生產(chǎn)事故，故各種材料的選取極為關(guān)鍵[3]。液壓缸和彈簧組合使用給液壓缸的選型和設(shè)計(jì)帶來(lái)了挑戰(zhàn)，既要考慮液壓缸的自身效用的發(fā)揮，也要充分發(fā)揮和彈簧的組合功能。另外，制動(dòng)器在運(yùn)行過(guò)程中空轉(zhuǎn)時(shí)間不得大于規(guī)定值，這就為制動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)改進(jìn)提出了更高的要求。單軌系統(tǒng)的懸掛軌道為類火車軌道的工字型斷面，但二者的物理性質(zhì)和化學(xué)成分等在很大程度上都存在不同。

1.1 限速管控裝置設(shè)計(jì)

限速管控裝置是監(jiān)測(cè)單軌吊車行駛速度并進(jìn)行超速運(yùn)作的關(guān)鍵部件，是用于阻止車輛向前運(yùn)動(dòng)的核心構(gòu)件，它不僅用于緊急制動(dòng)，而且能在自身重力加載的情況下使車速保持穩(wěn)定。針對(duì)生產(chǎn)實(shí)際要求，通常會(huì)設(shè)有三種制動(dòng)形態(tài)，司機(jī)制動(dòng)、緊急停車制動(dòng)和剎車制動(dòng)。限速管控裝置主要組成如圖1所示。自動(dòng)降速通過(guò)將軌道速度傳給緊連著的轉(zhuǎn)輪，轉(zhuǎn)輪裝置里有彈簧等調(diào)節(jié)小部件，當(dāng)監(jiān)測(cè)到轉(zhuǎn)速超過(guò)規(guī)定值后，滑塊拉出彈簧進(jìn)行剎車觸發(fā)。

圖1 限速管控裝置結(jié)構(gòu)示意圖

制動(dòng)器所用材料在選擇時(shí)主要考慮兩個(gè)方面，一是制動(dòng)構(gòu)件材料，二是所用摩擦片。煤炭行業(yè)對(duì)制動(dòng)材料有明確的要求和限制條件，閘片不準(zhǔn)使用橡膠和類橡膠材料，確保在制動(dòng)時(shí)不會(huì)發(fā)生爆炸和失火情況的發(fā)生，所以本次設(shè)計(jì)采用帶有銅粉末的新型合成材料，首先這種燒結(jié)材料在剛度方面能達(dá)到設(shè)計(jì)要求，同時(shí)保持了銅自身的延展性，而且，銅材料在使用時(shí)較難產(chǎn)生火花。對(duì)比橡膠等材料的導(dǎo)熱性，銅基新型材料的導(dǎo)熱性是常規(guī)材料的90倍還多，非常易于制動(dòng)系統(tǒng)散熱到礦井空氣中，這樣就能保持系統(tǒng)溫度不會(huì)過(guò)高，減少了發(fā)生礦井火災(zāi)爆炸的危險(xiǎn)隱患。

1.2 彈簧設(shè)計(jì)

彈簧種類形式多樣，而考慮到圓形可壓縮彈簧簡(jiǎn)單實(shí)用易于更換，所以選用圓形可壓縮彈簧。當(dāng)單軌吊處于正常運(yùn)行速度時(shí)，滑塊的角速度為40 r/s左右，離心力在4 000 N左右。而當(dāng)達(dá)到最大超限速度2.6 m/s時(shí)，角速度達(dá)到了52 r/s，由此可得到離心力大小、彈簧受力以及彈簧剛度。所以最終選取剛度為0.25 N/mm，直徑在0.5～6.0 mm的彈簧均能滿足條件。彈簧是整個(gè)制動(dòng)系統(tǒng)不可或缺的一環(huán)，彈簧的穩(wěn)定應(yīng)用能極大地保證剎車動(dòng)作的順利實(shí)現(xiàn)，所以必須使用高強(qiáng)度、較高彈性極限和抗屈服極限的材料；另外，還得經(jīng)過(guò)特殊的熱處理工藝，使其具備較高的延展性，通過(guò)比對(duì)市面各種材料，選擇公認(rèn)的各種性質(zhì)優(yōu)良的該型號(hào)材料。

1.3 液壓缸設(shè)計(jì)

液壓缸和彈簧的組合是剎車的動(dòng)力來(lái)源，彈簧套在液壓缸筒上進(jìn)行壓縮產(chǎn)生制動(dòng)力來(lái)解決不同工況和不同系統(tǒng)的復(fù)雜要求，在剎車過(guò)程中，液壓缸無(wú)疑會(huì)遭到較大沖擊力，故往往需要焊接加固減少對(duì)液壓缸的沖擊破壞。

液壓缸缸筒內(nèi)徑設(shè)計(jì)公式如下：

式中：D為內(nèi)徑；F為最大載荷，額定值F=60 kN；P為缸內(nèi)壓力；n=0.9，

經(jīng)計(jì)算，缸筒內(nèi)徑取標(biāo)準(zhǔn)值為80 mm。

外圈直徑取95 mm，缸筒材料選用硬質(zhì)鋼并經(jīng)過(guò)特殊處理。

活塞桿是連接兩個(gè)關(guān)鍵部件的中轉(zhuǎn)裝置，選用硬質(zhì)鋼并經(jīng)特殊處理，綜合考慮各種條件，并根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)相關(guān)規(guī)定，選用直徑為50 mm的活塞桿，經(jīng)過(guò)強(qiáng)度和彎曲穩(wěn)定性檢驗(yàn)，設(shè)計(jì)的安全系數(shù)較高，強(qiáng)度和穩(wěn)定性能夠滿足要求。

一般來(lái)說(shuō)，剎車制動(dòng)產(chǎn)生的阻力是最大動(dòng)力的1.8倍左右，而礦井生產(chǎn)實(shí)際中，常使用好幾個(gè)驅(qū)動(dòng)元協(xié)同運(yùn)行，這就需要考慮最大生產(chǎn)力來(lái)確定驅(qū)動(dòng)個(gè)數(shù)。當(dāng)前常用的單軌吊，額定生產(chǎn)力在20 kN。

2 關(guān)于制動(dòng)搖臂部件的有限元計(jì)算

制動(dòng)搖臂中段通過(guò)軸承處在機(jī)器架子上，上下分別連接控制閘和制動(dòng)彈簧，彈簧的彈力本來(lái)很小，但利用杠桿原理作用后控制制動(dòng)閥，能有效實(shí)現(xiàn)對(duì)單軌吊的平穩(wěn)制動(dòng)。為了充分驗(yàn)證搖臂的運(yùn)行可靠性，通過(guò)建立幾何模型進(jìn)行強(qiáng)度檢驗(yàn)，利用有限元計(jì)算，并通過(guò)網(wǎng)格進(jìn)行單元格劃分，每個(gè)空間設(shè)置為5 mm，通過(guò)材料屬性進(jìn)行工況設(shè)定，根據(jù)受力分析模型，當(dāng)搖臂在制動(dòng)狀態(tài)下所承受的載荷無(wú)疑達(dá)到最大，模擬結(jié)果顯示，搖臂下部和臂部相垂直的推力為33 kN，而搖臂上部要承受垂直于臂部的推力120 kN，中間通過(guò)滾動(dòng)軸承固定并進(jìn)行一個(gè)方向的活動(dòng)和作業(yè)。當(dāng)搖臂處在最不利的工作情況下，對(duì)此時(shí)制動(dòng)搖臂的狀態(tài)進(jìn)行限制并逐步施加荷載。在受力軟件模擬下，得出變形示意圖和受力狀態(tài)圖。

通過(guò)模型可以看出，當(dāng)處在最不利的工作條件下，制動(dòng)搖臂所承受的最大應(yīng)力為150 MPa，所用器具的屈服強(qiáng)度為350 MPa，剛度設(shè)計(jì)科學(xué)合理，且在滿負(fù)荷條件下，最大形變量為0.90 mm，而且位置處在最下端，對(duì)單軌吊車所帶來(lái)的影響較小，并不能夠威脅吊車的可靠性。另外，比較搖臂的運(yùn)作過(guò)程，液壓缸受到壓縮而彈簧座會(huì)受到彈力的反作用力，在分析液壓缸和彈簧座的形變?cè)茍D后，可知彈簧座的強(qiáng)度能夠達(dá)到設(shè)計(jì)要求，而液壓缸由于受力較大，雖然能夠滿足當(dāng)前的設(shè)計(jì)強(qiáng)度，但考慮到安全系數(shù)和足夠的可靠余地，需額外進(jìn)行焊接加固，在受力較大處焊接鋼板增大接觸面減小壓強(qiáng)避免液壓缸帶來(lái)的破壞和變形。

3 結(jié)語(yǔ)

為了充分論證所設(shè)置系統(tǒng)的科學(xué)性，準(zhǔn)確掌握預(yù)測(cè)單軌吊工作過(guò)程中的形變大小，利用軟件對(duì)搖臂、液壓缸和彈簧座等核心構(gòu)件建立模型導(dǎo)入軟件表格中進(jìn)行有限元計(jì)算。通過(guò)對(duì)結(jié)果比較分析可知，模擬結(jié)果和設(shè)計(jì)想要達(dá)到的理想結(jié)果基本一致，能達(dá)到剛度和強(qiáng)度要求，并能提升單軌吊在礦井中的運(yùn)行可靠性，這種設(shè)計(jì)思路和礦井實(shí)際應(yīng)用情況給同類設(shè)備的設(shè)計(jì)和應(yīng)用提供了借鑒和參考。