礦井多繩摩擦提升機(jī)天輪車削裝置車削誤差分析

，晨旭，，

(安徽理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，安徽 淮南 232001)

天輪作為煤礦提升鋼絲繩的支撐和導(dǎo)向的重要部件，其中繩槽內(nèi)的襯墊為緩解鋼絲繩磨損和改善鋼絲繩受力條件起到?jīng)Q定性作用。目前，市場(chǎng)上的繩槽車削裝置都是針對(duì)主提升機(jī)，尚沒有很好的針對(duì)天輪工況的車槽裝置。目前，天輪襯墊車削多采用操作人員通過在天輪下方安裝工作平臺(tái)，操作人員懸空對(duì)天輪襯墊進(jìn)行手動(dòng)修整。目前，大部分是采用在制動(dòng)輪邊緣上拉線測(cè)量繩槽深度，而這種辦法測(cè)量麻煩、精度差，難以滿足生產(chǎn)要求。同時(shí)由于沒有專用繩槽深度測(cè)量工具，需要在切削時(shí)反復(fù)測(cè)量繩槽深度，防止車削過量[1]。

根據(jù)煤礦安全規(guī)程第422條，天輪的各段襯墊磨損達(dá)到1根鋼絲繩直徑的深度時(shí)，或沿側(cè)面磨損達(dá)到鋼絲繩直徑的1/2時(shí)，必須更換[2]。對(duì)于襯墊的報(bào)廢襯墊的更換，每個(gè)天輪有四條繩槽，對(duì)應(yīng)繩槽內(nèi)有90副襯墊，上下兩個(gè)天輪共有1440塊襯墊，傳統(tǒng)是通過將鋼絲繩通過小葫蘆將鋼絲繩脫離繩槽，再通過手錘鑿子等工具將襯墊拆除，更換任務(wù)需要超過24h以上，期間會(huì)影響人員和物資的的運(yùn)輸，因此會(huì)導(dǎo)致煤礦停產(chǎn)[3]。同時(shí)缺少修整的天輪襯墊繩槽會(huì)加劇新鋼絲繩的磨損，并會(huì)導(dǎo)致每根鋼絲繩張力不均，嚴(yán)重影響鋼絲繩的使用壽命[4-7]。為減少由于襯墊磨損對(duì)煤礦生產(chǎn)效率的影響，洛陽百科特公司以車銑復(fù)合加工的方式設(shè)計(jì)出了一種便攜式的礦井多繩摩擦提升機(jī)天輪車槽裝置。該裝置采用單刀多次進(jìn)給的加工方式，操控系統(tǒng)采用數(shù)控操作系統(tǒng)，能夠精確控制進(jìn)給量，相比傳統(tǒng)加工方式理論加工精度可達(dá)0.02mm，減少了多余車削導(dǎo)致的襯墊浪費(fèi)，同時(shí)避免了反復(fù)測(cè)量，極大的節(jié)省的人力物力。

1 車槽裝置的介紹

車槽裝置分為機(jī)械部分和數(shù)控部分，其中機(jī)械部分由底座和車削移動(dòng)平臺(tái)組成，底座和移動(dòng)平臺(tái)通過兩對(duì)相互垂直的滾珠絲杠副連接，車削電機(jī)安裝在車削移動(dòng)平臺(tái)上；數(shù)控部分是由觸摸屏、PLC、步進(jìn)電機(jī)組成，步進(jìn)電機(jī)通過減速器與滾珠絲杠副連接，操作人員通過與PLC相連的觸摸屏調(diào)節(jié)步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和切削電機(jī)的移動(dòng)動(dòng)方向。車削裝置實(shí)體圖如圖1所示。

圖1 車削裝置實(shí)體圖

受天輪井架安裝環(huán)境的影響，車槽裝置無法正常安裝在井架上，需要專門的托架提供車槽裝置提供安裝平面。由于井架上缺少定位基準(zhǔn)面，缺少安裝校核的手段。

車槽裝置的定位方法如下：

1)先通過卷尺將機(jī)架抬到距離天輪軸線垂直面1.800m的前方位置，保證機(jī)床的車削位置適宜，同時(shí)使機(jī)架前端面與天輪軸線保持平行。

2)使用框式水平儀測(cè)量機(jī)架的上端面的前后兩側(cè)邊線，通過在機(jī)架底部加墊片的方式調(diào)節(jié)兩端水平位置，使其左右兩端保持水平。

3)使用粉筆畫出托架頂部螺栓孔的位置，向右滑移機(jī)架，使用金屬電鉆對(duì)畫出螺栓孔位置進(jìn)行打孔，之后將機(jī)架通過螺栓組固定在平臺(tái)面上，經(jīng)微調(diào)后預(yù)緊。

4)抬出機(jī)床，通過螺栓組將切削機(jī)床固定在機(jī)架上端的傾斜平面上，并使機(jī)床與機(jī)架傾斜工作面保持平行。

根據(jù)車槽裝置的定位方法，車削時(shí)的誤差可以分為如下幾個(gè)部分：系統(tǒng)機(jī)械部分的傳動(dòng)誤差、定位基準(zhǔn)的偏移誤差、安裝傾角的偏移誤差以及天輪的制作和安裝誤差。

2 誤差分析

2.1 系統(tǒng)誤差

礦井多繩摩擦提升機(jī)天輪車槽裝置的運(yùn)動(dòng)機(jī)械部分是由步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)滾珠絲杠推動(dòng)切削平臺(tái)移動(dòng)。車槽裝置的系統(tǒng)誤差由滾珠絲杠和步進(jìn)電機(jī)決定，車槽裝置選用的滾珠絲杠的精度為C0級(jí)，進(jìn)給方向的滾珠絲杠長度為500mm，總導(dǎo)程誤差為6μm，平移方向的滾珠絲杠的長度為1200mm，總導(dǎo)程誤差為9μm；步進(jìn)電機(jī)的累積誤差在旋轉(zhuǎn)一周后會(huì)相互抵消，對(duì)切削結(jié)果的影響很小。

2.2 定位誤差

定位時(shí)由于天輪的軸心無法直接測(cè)出，在實(shí)際操作時(shí)是通過對(duì)天輪多點(diǎn)取值測(cè)量得出天輪直徑的平均值作為天輪的直徑，通過目測(cè)得到天輪軸心位置，通過卷尺測(cè)出車槽裝置的安放位置，在定位時(shí)無法保證車削裝置與天輪軸心的平行度。在定位打孔后，車槽裝置的實(shí)際安裝位置與理想安裝位置會(huì)發(fā)生偏離。車削裝置平行度偏移誤差示意圖如圖2所示。

圖2 車削裝置平行度偏移誤差示意圖

車槽裝置在出現(xiàn)定位誤差后，不僅會(huì)導(dǎo)致進(jìn)給量出現(xiàn)誤差，同時(shí)會(huì)導(dǎo)致對(duì)襯墊單側(cè)進(jìn)給量偏大。以天輪的軸心作為X軸，以車削裝置的進(jìn)刀方向?yàn)閅軸建立坐標(biāo)系，其中點(diǎn)A為第一天輪對(duì)應(yīng)的對(duì)刀位，點(diǎn)C為第四天輪對(duì)到位。

以第一天輪對(duì)刀位A基準(zhǔn)，刀頭進(jìn)給量誤差Δx1為：

Δx1=atanθ1

(1)

式中，a為刀頭沿X方向的位移，mm；θ1為車削裝置的偏移角度，(°)。

各個(gè)天輪的距離經(jīng)測(cè)量后為300mm，對(duì)各個(gè)天輪對(duì)刀位在不同偏角下的進(jìn)給量誤差結(jié)果如圖3所示。

圖3 刀位在不同偏角下的進(jìn)給量誤差

由于偏轉(zhuǎn)角在0°～4°時(shí)，偏轉(zhuǎn)量很小，所以誤差曲線近似與直線，車槽裝置長12000m，偏移角為1°時(shí)，左右兩端偏移距離在20mm內(nèi)時(shí)，實(shí)際偏移角度可以控制在0.5°以內(nèi)。

由于偏角導(dǎo)致車削裝置的進(jìn)給方向發(fā)生偏移，最終對(duì)繩槽單側(cè)面車削過量，由于偏角導(dǎo)致的車削誤差Δx2為：

Δx2=(h-Δx1)tanθ1

(2)

式中，h為無偏時(shí)的進(jìn)給距離，mm。

根據(jù)安裝流程，計(jì)算出設(shè)計(jì)的刀頭進(jìn)給距離為78.5mm，通過與Δx1聯(lián)立可以求出對(duì)襯墊單側(cè)的車削誤差值Δx2如圖4所示。

圖4 單側(cè)進(jìn)給偏移

2.3 安裝誤差

根據(jù)安裝方法，托架通過增減墊片調(diào)整傾角，使車削裝置與天輪軸心平面保持一致，由于缺少測(cè)量天輪軸心的工具，在安裝車削裝置時(shí)進(jìn)給平面會(huì)與天輪軸心平面出現(xiàn)偏移，實(shí)際進(jìn)刀方向與軸心方向出現(xiàn)偏移。車削裝置傾角誤差示意圖如圖5所示。安裝時(shí)首先將托架固定在天輪井架的工字鋼上，車削裝置最后安放，托架在反復(fù)安裝后會(huì)發(fā)生變形，對(duì)車銑裝置的平行度產(chǎn)生影響。

圖5 車削裝置傾角誤差示意圖

圖5中O為天輪軸心點(diǎn)，E為車削裝置安裝點(diǎn)，F(xiàn)為偏移后刀頭的車削點(diǎn)。連接三點(diǎn)構(gòu)成三角形根據(jù)余弦定理可以求出實(shí)際需要的進(jìn)給量h2：

式中，h2為實(shí)際需要進(jìn)給量，mm；h為控制進(jìn)給量，mm；θ2為安裝偏角，(°)；R1為天輪半徑，mm。

托架與天輪的安裝距離是確定的，托架對(duì)應(yīng)的傾角取0°～5°，帶入式(4)可以求出進(jìn)給距離的誤差Δx3，如圖6所示。

Δx3=h2-h

(5)

圖6 進(jìn)給距離的誤差

2.4 天輪的制造與安裝誤差

根據(jù)天輪制作質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)與流程，天輪在制作時(shí)，繩槽底圓直徑在1600mm以上的天輪在制作后，需要進(jìn)行靜平衡試驗(yàn)，需要保證天輪轉(zhuǎn)動(dòng)軸線的偏心距小于5mm。

根據(jù)天輪的種類不同，組裝后的偏差等級(jí)也不同，其中模壓天輪組裝后的偏差規(guī)定見表1。

表1 模壓天輪組裝偏差

鑄鋼天輪組裝后輪緣基準(zhǔn)端面對(duì)軸中心線的徑向圓跳動(dòng)和端面跳動(dòng)應(yīng)在GB1184規(guī)定中的12級(jí)精度要求以上。

3 試驗(yàn)結(jié)果

車槽裝置在安徽省阜陽市謝橋礦進(jìn)行車削試驗(yàn)，使用所述的定位安裝方案進(jìn)行試車后的結(jié)果，由于天輪繩槽的直徑無法直接測(cè)量，在試驗(yàn)結(jié)束后通過對(duì)連接裝置油缸伸長量的改變對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，連接裝置原始伸長量如圖7所示，車削后連接裝置油缸伸長量如圖8所示。

圖7 連接裝置原始伸長量

圖8 車削后連接裝置油缸伸長量

經(jīng)過修圓試驗(yàn)后，油缸伸長量均值對(duì)比圖如圖9所示。

圖9 油缸伸長量均值對(duì)比圖

4 試驗(yàn)結(jié)果分析及改善方法

在試驗(yàn)后，各天輪連接裝置的油缸伸長量都有改善，但未達(dá)到理想值，經(jīng)過修整后的天輪尺寸仍存在誤差。其中1號(hào)天輪相較4號(hào)天輪改善程度更高，2號(hào)天輪相較3號(hào)天輪改善程度反而較低。通過上述理論分析導(dǎo)致誤差出現(xiàn)的原因?yàn)榍邢餮b置同時(shí)發(fā)生定位和安裝的誤差，由于定位偏角導(dǎo)致的誤差大于安裝誤差，故分析得出車槽裝置的4號(hào)天輪的一端向遠(yuǎn)離天輪的一端發(fā)生偏移導(dǎo)致2號(hào)、3號(hào)4號(hào)天輪油缸伸長量改善程度都小于1號(hào)天輪，且4號(hào)天輪改善量最小；同時(shí)1號(hào)天輪對(duì)應(yīng)的車槽裝置一端在垂直方向上的偏角偏大，其中3號(hào)天輪對(duì)應(yīng)的傾角與天輪軸心平面的傾角最接近，使得3號(hào)天輪的改善程度大于2號(hào)天輪。經(jīng)過分析后，說明車槽裝置仍有改進(jìn)空間。

針對(duì)車槽裝置的特點(diǎn)提出以下改進(jìn)意見：

1)增加在線檢測(cè)系統(tǒng)，對(duì)天輪的直徑的實(shí)時(shí)檢測(cè)，在天輪繩槽內(nèi)增加輪式編碼器，通過測(cè)量出天輪繩槽的線速度和角速度可以直接得到天輪繩槽的直徑。對(duì)于切削結(jié)果可以做到更加精確的控制。

2)設(shè)計(jì)可微調(diào)的機(jī)床托架，與在線檢測(cè)系統(tǒng)相結(jié)合，得到實(shí)際進(jìn)給量和控制進(jìn)給量的誤差后，根據(jù)理論推導(dǎo)，可以得出導(dǎo)致誤差的原因，通過對(duì)托架的微調(diào)可以控制更加精確的進(jìn)給量，尤其是對(duì)襯墊側(cè)面的的保護(hù)，減少多余的切削損耗可以提高經(jīng)濟(jì)效益。

3)針對(duì)安裝環(huán)境的不同，在缺少調(diào)整空間的情況下，將在線檢測(cè)系統(tǒng)與控制系統(tǒng)相連，通過誤差分析模型可以手動(dòng)調(diào)節(jié)進(jìn)給量，達(dá)到精確的切削結(jié)果。