提升機(jī)張力平衡裝置的設(shè)計(jì)

許興文

（山西焦煤集團(tuán)有限責(zé)任公司屯蘭礦， 山西 古交 030200）

0 引言

煤礦提升系統(tǒng)是煤礦運(yùn)輸?shù)摹把屎怼保沁B接煤礦生產(chǎn)、地面的重要組成部分。無(wú)論采用何種提升方式，由于煤礦的深度和載重地增加，都必須采用多股鋼絲繩提升，同時(shí)鋼絲繩由于其體積小、重量輕、提升能力大，已成為國(guó)內(nèi)煤礦提升工程的主要提升設(shè)備[1]。隨著煤礦生產(chǎn)規(guī)模地?cái)U(kuò)大，煤礦提升的載荷也在不斷增加，對(duì)其安全、可靠性的要求也日益提高，煤礦提升系統(tǒng)地高效率運(yùn)轉(zhuǎn)，必須保證其迅速反應(yīng)、安全可靠地工作，并具有充足的調(diào)整范圍。

1 提升鋼絲繩張力自動(dòng)平衡裝置研究現(xiàn)狀

為了解決提升系統(tǒng)中多股鋼絲繩的張力不平衡問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者和科研機(jī)構(gòu)進(jìn)行了大量的研究，開(kāi)發(fā)出了杠桿式、滑輪式等各種張力均衡設(shè)備，但是沒(méi)有一種能夠真正解決實(shí)際的問(wèn)題[2]。杠桿式平衡裝置的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1-1 所示，主要是由一組互相鉸鏈的桿組成，通過(guò)杠桿的旋轉(zhuǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)繩索的拉力平衡，重量輕、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、反應(yīng)靈敏，但是調(diào)節(jié)量少、精度差。彈簧式平衡裝置則是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、重量輕，在煤礦中使用很少，其調(diào)節(jié)能力很小。液壓平衡機(jī)構(gòu)是模仿瑞典的機(jī)構(gòu)，每個(gè)懸吊裝置都有一套可調(diào)節(jié)的液壓油缸。調(diào)繩時(shí)，先將螺絲帽松開(kāi)，用油泵壓、調(diào)繩，調(diào)好繩后，再旋緊螺絲，這樣可以使繩的拉力達(dá)到完全的平衡，但是其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、重量大，而且在整個(gè)起重過(guò)程中總是充滿油，容易漏油，維修工作量大，不能保證其可靠性和安全性。

圖1 杠桿式張力平衡及滑輪式張力平衡裝置示意圖

圖1-2 所示為滑輪式張力均衡機(jī)構(gòu)，升降鋼索與動(dòng)滑輪相連，將鋼絲繩的兩端緊固在升降集裝箱之上，然后依次繞過(guò)相應(yīng)的動(dòng)滑輪和定滑輪，定滑輪被固定在升降集裝箱之上，并可實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)，根據(jù)實(shí)際需求，可以根據(jù)需要調(diào)整鋼絲繩的長(zhǎng)度從而改變提升距離。然而，該設(shè)備的滑輪撓曲半徑較小，在惡劣的工作條件下，調(diào)節(jié)鋼絲繩極易損壞，而且在緊急剎車過(guò)程中，滑輪很容易脫落，從而產(chǎn)生安全隱患。除此之外還有螺桿式液壓調(diào)繩裝置，其調(diào)節(jié)精度高、操作簡(jiǎn)單、勞動(dòng)強(qiáng)度低，但僅靠手動(dòng)調(diào)節(jié)螺帽，不能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)平衡。

2 基于輪系調(diào)整的并聯(lián)鋼絲繩張力均衡裝置設(shè)計(jì)

2.1 輪系- 液壓式張力均衡裝置的原理

目前使用的動(dòng)油缸的張力平衡器的調(diào)整范圍受限于其機(jī)械結(jié)構(gòu)，如要加大沖程，可使油缸及柱桿的長(zhǎng)度增加，而太長(zhǎng)的油缸會(huì)使其承載量下降，使系統(tǒng)不穩(wěn)定[3]。由于齒輪系可以通過(guò)齒輪的具體組合和嚙合關(guān)系來(lái)達(dá)到加速驅(qū)動(dòng)，所以可以采用齒輪系來(lái)增加張力均衡機(jī)構(gòu)的調(diào)整范圍。在輪系作為加速機(jī)構(gòu)時(shí)，可以采用環(huán)形油缸取代常規(guī)的運(yùn)動(dòng)油缸，并將其與環(huán)狀油缸的環(huán)狀活塞連接。環(huán)形液壓張緊器的結(jié)構(gòu)包括環(huán)形液壓缸、傳動(dòng)軸、加速機(jī)構(gòu)、卷筒、連通管路、提升鋼絲繩、軸承座以及閥門等結(jié)構(gòu)。其中，加速機(jī)構(gòu)可以采用定軸輪、行星輪系等，本文以單級(jí)行星輪系為例。環(huán)形液壓缸的氣缸通過(guò)連通管線彼此相連，以達(dá)到油壓均衡，環(huán)形液壓缸的驅(qū)動(dòng)軸與加速機(jī)構(gòu)的齒圈固定，加速機(jī)構(gòu)內(nèi)的行星支架固定在支座上，通過(guò)齒圈、行星輪和太陽(yáng)輪的嚙合來(lái)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速的調(diào)整，太陽(yáng)輪固定在滾輪上，提升鋼絲繩纏繞在滾輪上，支座固定在提升容器的表面。當(dāng)實(shí)際鋼絲繩的數(shù)量超過(guò)兩條時(shí)，可以通過(guò)不斷地增大拉力平衡裝置的數(shù)目，使其與液壓管道相連接。

本文首先對(duì)雙繩索張力平衡機(jī)構(gòu)進(jìn)行了研究，提出了以雙繩索為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)四根繩索并聯(lián)的張力平衡機(jī)構(gòu)。雙繩索張力均衡裝置中的兩級(jí)滾筒上的鋼絲繩纏繞方向相反，聯(lián)通軸的左端可與馬達(dá)聯(lián)接或緊固在支承基座上，一、二級(jí)環(huán)形齒輪由齒圈聯(lián)軸器固定連接，第一級(jí)太陽(yáng)輪與主動(dòng)軸連接，將其功率輸入傳輸，而第二級(jí)太陽(yáng)輪通過(guò)太陽(yáng)輪耦合被固定在末端支承支架上（該太陽(yáng)輪耦合器可以在增加車輪鏈時(shí)，作為兩個(gè)太陽(yáng)輪的固連），該雙繩索張力平衡裝置、齒圈連接裝置和太陽(yáng)輪連接裝置的構(gòu)造。四級(jí)串聯(lián)張力平衡器可以看成是兩個(gè)雙線機(jī)構(gòu)，兩個(gè)二級(jí)體系分別以兩個(gè)通軸為支撐，第一、二、三、四級(jí)環(huán)形圈分別由齒圈耦合，因?yàn)樵撓到y(tǒng)是差動(dòng)式的，所以兩個(gè)軸都可以用作動(dòng)力，當(dāng)兩個(gè)輸入速度之和不等于0 時(shí)，就可以完成提升系統(tǒng)的升降過(guò)程。表示出了鋼絲繩的纏繞方向，相鄰的兩個(gè)滾輪的繞線方向相反，第二、三個(gè)太陽(yáng)輪由太陽(yáng)輪連接件固定，太陽(yáng)輪連接部分由軸承支撐，所以第二和第三太陽(yáng)輪以同樣的角度旋轉(zhuǎn)。

2.2 并聯(lián)分布式張力均衡裝置的設(shè)計(jì)

為了方便裝置零件的空間布局，將行星架直接用鋼絲繩纏繞成絞盤，行星輪設(shè)計(jì)成雙行星輪，它的兩邊分別與太陽(yáng)和環(huán)形齒輪相嚙合，這樣，在太陽(yáng)齒輪和環(huán)形齒輪之間就形成了一個(gè)滾軸。當(dāng)特定的應(yīng)用環(huán)境受到空間的限制，串聯(lián)輪系的安裝不方便時(shí)，可以將四級(jí)輪系并聯(lián)，由兩組錐齒輪組成的兩個(gè)副輪系并聯(lián)連接，從而達(dá)到了同樣的張力平衡效果，其外部部件的連接方式與前面的結(jié)構(gòu)相似，四個(gè)行星支架上纏繞著一根鋼絲繩，作為容器的張力平衡裝置，是固定在集裝箱上面的，連接兩個(gè)錐齒輪的軸由一個(gè)軸承支承在集裝箱上部，當(dāng)作為提升卷軸張力平衡裝置時(shí)，與傳動(dòng)裝置相連。在并聯(lián)分布式張力平衡裝置中，齒圈聯(lián)接件及太陽(yáng)輪聯(lián)接件與串聯(lián)分布張力平衡設(shè)備所用相同，只是在空間結(jié)構(gòu)上采用了兩套傘齒輪，圖

2 是四級(jí)并聯(lián)分布張力平衡設(shè)備的三維模型。

如圖2 所示，右側(cè)的傘齒輪固定到太陽(yáng)輪上，其連接方式也是用上述的太陽(yáng)輪聯(lián)接件，通過(guò)兩個(gè)錐齒輪的傳動(dòng)，可以保證右邊的兩個(gè)太陽(yáng)輪的旋轉(zhuǎn)速度是相同的，如果要想進(jìn)一步提高鋼絲的數(shù)量，就必須在第一、四級(jí)的太陽(yáng)輪上添加一個(gè)第二級(jí)的輪系，不管是串聯(lián)還是并聯(lián)，都可以用太陽(yáng)輪聯(lián)接件來(lái)固定。

圖2 四級(jí)并聯(lián)分布張力平衡裝置三維模型

3 基于輪系調(diào)整的提升系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與驗(yàn)證

3.1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的搭建

為了節(jié)省加工時(shí)間，該設(shè)備采用了標(biāo)準(zhǔn)齒輪，并根據(jù)設(shè)備的設(shè)計(jì)要求進(jìn)行二次加工。實(shí)驗(yàn)臺(tái)有兩個(gè)驅(qū)動(dòng)器，可以實(shí)現(xiàn)各種轉(zhuǎn)速的輸入，如圖3 所示為該試驗(yàn)平臺(tái)的數(shù)據(jù)采集和驅(qū)動(dòng)控制。該試驗(yàn)電機(jī)采用松下MHMJ042G1V 交流伺服電機(jī)，因場(chǎng)地布置所限，選擇了與電機(jī)相匹配的直角行星減速器。試驗(yàn)平臺(tái)整體框架主要是采用工業(yè)鋁合金型材和鑄造鋁角構(gòu)件，共分為三層，上部為張力均衡裝置，剛性導(dǎo)軌固定端，壓繩輪和驅(qū)動(dòng)馬達(dá)，中間部分作為安裝振動(dòng)源，底部支撐地板，根據(jù)太陽(yáng)輪連接件與二、三級(jí)太陽(yáng)輪的連接方式，以及傘齒輪的使用，建立了并聯(lián)輪系連接方式的張力平衡試驗(yàn)平臺(tái)。

圖3 數(shù)據(jù)采集與驅(qū)動(dòng)控制平臺(tái)

3.2 實(shí)驗(yàn)測(cè)試及結(jié)果分析

手工調(diào)整四條鋼絲繩的松緊程度，將1 號(hào)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速設(shè)為梯形運(yùn)轉(zhuǎn)，2 號(hào)電動(dòng)機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)，從而使集裝箱在1 號(hào)電動(dòng)機(jī)的設(shè)定轉(zhuǎn)速下執(zhí)行升降的周期；從電動(dòng)機(jī)起動(dòng)到停止時(shí)，對(duì)四條鋼絲繩的張力進(jìn)行了測(cè)量，得出了該工作狀態(tài)下四條鋼絲繩的張力情況。由此可以看到，隨著電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，鋼絲繩的拉力數(shù)據(jù)呈現(xiàn)出階段性的變化，主要包括加速、勻速、減速、停止四個(gè)階段。在加速度階段，每一條鋼索都有一定的松馳，所以一開(kāi)始，四條鋼絲繩的張力在0 左右波動(dòng)，但在電動(dòng)機(jī)的作用下，鋼絲繩的張力突然變化；在均勻運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下，四股鋼絲繩張力差逐步消失，鋼絲繩的拉力基本一致；而在減速階段，由于電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩，各個(gè)鋼絲繩的拉力也發(fā)生了不均衡；當(dāng)電動(dòng)機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)后，張力失衡現(xiàn)象消除，所有的鋼絲繩都能在較短的時(shí)間內(nèi)保持平衡，從而證明了并聯(lián)張力均衡裝置的實(shí)用可行性。

4 結(jié)語(yǔ)

鋼絲繩是煤礦井下提升系統(tǒng)中的一個(gè)關(guān)鍵構(gòu)件，其承擔(dān)著煤礦起重系統(tǒng)中的全部活動(dòng)部件和提升容器的負(fù)荷。本文通過(guò)對(duì)多條鋼絲繩的拉力不平衡以及現(xiàn)有拉力平衡設(shè)備存在的不足以解決該問(wèn)題的現(xiàn)狀進(jìn)行了研究，通過(guò)理論探討與試驗(yàn)研究的對(duì)比，證明了該系統(tǒng)能有效地解決多股鋼絲繩的張力平衡問(wèn)題，既為井下提升系統(tǒng)的張力均衡提供了一種新途徑，也為井下的礦井提升工作尋求了新的保障。