片簧在單軌吊起吊梁棘輪減速機(jī)中的應(yīng)用

趙姣紅，王金良

（太原礦機(jī)電氣股份有限公司，山西太原 030032）

0 引言

自2000 年以來，國內(nèi)各煤業(yè)集團(tuán)開始大規(guī)模引進(jìn)使用單軌吊輔助運(yùn)輸系統(tǒng)，單軌吊輔助運(yùn)輸系統(tǒng)的運(yùn)輸設(shè)備主要為單軌起吊梁。國家煤炭工業(yè)局于2000 年發(fā)布MT/T 888—2000《單軌吊車起吊梁》標(biāo)準(zhǔn)并開始執(zhí)行，對(duì)單軌起吊梁的液壓葫蘆（即減速機(jī)）提出了自鎖性能要求：使用起吊梁將重物提升至某一高度，4 h 后自行滑落誤差≤100 mm，首次將單軌起吊梁的自鎖性能納入標(biāo)準(zhǔn)文件。

1 現(xiàn)狀分析

市場上現(xiàn)有的單軌吊車起吊梁自鎖結(jié)構(gòu)有兩種，棘輪逆止和液壓鎖止。液壓鎖止的方式通過在液壓馬達(dá)上增加摩擦片結(jié)構(gòu)，利用壓力達(dá)到自鎖，其缺點(diǎn)是馬達(dá)體積大，需要壓力才能鎖止。棘輪逆止的方式是通過棘爪自重落入棘輪齒槽內(nèi)（圖1），兩者配合實(shí)現(xiàn)反向鎖止。正向起吊時(shí)，棘輪順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，棘爪隨之上下擺動(dòng)；起吊停止時(shí)，重物反向帶動(dòng)棘輪逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，此時(shí)棘爪落入棘輪齒槽內(nèi)，實(shí)現(xiàn)了自鎖。

圖1 棘輪逆止原理

2 存在的問題

針對(duì)單軌吊車起吊梁的自鎖要求，生產(chǎn)廠家通過增加棘輪、棘爪結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)。在起吊重物較輕時(shí)沒有問題，當(dāng)重載起吊或坡道上起吊導(dǎo)致棘爪下落速度不足時(shí)，會(huì)造成棘輪旋轉(zhuǎn)速度大于棘爪的下落速度，導(dǎo)致起吊梁小范圍自落，存在重大安全隱患。

3 解決方案

針對(duì)現(xiàn)有棘輪逆止結(jié)構(gòu)，只要給棘爪一個(gè)壓力，保證其快速下落自鎖，即可解決自落問題。鑒于減速機(jī)箱體空間狹小等原因，此處引入了片簧結(jié)構(gòu)（圖2）。通過在棘爪上端增加片簧，經(jīng)過高度計(jì)算，保證片簧始終壓緊棘爪，并產(chǎn)生一定的壓力，使得棘爪可以快速逆止棘輪，經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證可以解決自鎖問題。

圖2 增加片簧原理

棘輪機(jī)構(gòu)安裝在減速機(jī)殼體內(nèi)，可旋轉(zhuǎn)；棘爪轉(zhuǎn)軸裝入減速機(jī)殼體內(nèi)，棘爪套入棘爪轉(zhuǎn)軸，可繞轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)；片簧安裝在棘爪上端的端面上，通過螺釘固定。棘爪在完全與棘輪齒嚙合的狀態(tài)下，片簧對(duì)棘爪具有一定的預(yù)緊彈力，這保證了棘爪在隨棘輪擺動(dòng)的范圍內(nèi)始終有預(yù)緊彈力，可以實(shí)現(xiàn)棘爪快速動(dòng)作，及時(shí)自鎖。

4 片簧設(shè)計(jì)與驗(yàn)證

4.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

由于減速機(jī)的結(jié)構(gòu)特性，棘爪繞棘爪轉(zhuǎn)軸在減速機(jī)殼體槽內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)，空間緊湊，棘爪上端箱體有一個(gè)平面可以安裝。鑒于此，將片簧外形設(shè)計(jì)為T 形結(jié)構(gòu)，通過螺釘固定再平面上，片簧為懸臂結(jié)構(gòu)。由于棘爪外形為圓弧形，片簧截面也設(shè)計(jì)為圓弧形，保證貼合。高度尺寸設(shè)計(jì)為棘爪在完全與棘輪齒嚙合的狀態(tài)下，保證片簧對(duì)棘爪具有約15～20 N 的預(yù)緊彈力。為防止片簧與棘爪貼合面卡滯，將片簧接觸處設(shè)計(jì)為圓弧結(jié)構(gòu)，保證配合面光滑過渡。為防止應(yīng)力集中導(dǎo)致的質(zhì)量問題，將過渡部分設(shè)計(jì)為圓弧平滑過渡，減小應(yīng)力集中（圖3）。

圖3 片簧設(shè)計(jì)

4.2 材料與熱處理

（1）材料：片簧常用材料為銅合金和彈簧鋼，銅合金的使用場合為接觸器、儀表及自動(dòng)裝置等，彈簧鋼的使用場合為機(jī)械設(shè)備。單軌吊車起吊梁減速機(jī)屬于機(jī)械設(shè)備，因此選用彈簧鋼。根據(jù)市場材料供應(yīng)，選用彈簧鋼板材65Mn。

（2）熱處理：彈簧鋼經(jīng)淬火加中溫回火熱處理，具有較高的彈性強(qiáng)度、強(qiáng)度極限、疲勞性能，并具有一定的硬度與韌性，具備彈簧的特性。根據(jù)片簧的使用工況，將熱處理設(shè)計(jì)為淬火加中溫回火，熱處理后硬度為40～50 HRC，并保證所需的彈力、變形量與疲勞強(qiáng)度。

（3）表面處理：單軌吊車起吊梁減速機(jī)的使用工況為煤礦井下，所處環(huán)境惡劣，陰暗潮濕、粉塵量大，片簧存在腐蝕生銹的可能，影響使用壽命。選用表面發(fā)黑處理，達(dá)到防銹的目的，延長使用壽命。

4.3 片簧的尺寸與參數(shù)設(shè)計(jì)

懸臂片簧的設(shè)計(jì)需要確定以下參數(shù)：懸臂長度L、厚度h、寬度b、彈力P 與額定變形量F（圖4）。根據(jù)片簧安裝位置與空間，可以先確定一些參數(shù)，再根據(jù)片簧標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行對(duì)應(yīng)計(jì)算，最終確定各參數(shù)。

圖4 懸臂片簧設(shè)計(jì)

（1）寬度b：由于減速機(jī)殼體上的棘爪槽寬為16 mm，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)并保證一定的間隙，將片簧寬度b 設(shè)計(jì)為10 mm。

（2）厚度h：根據(jù)機(jī)械結(jié)構(gòu)使用所需預(yù)緊力及熱處理經(jīng)驗(yàn)，將片簧厚度h 設(shè)計(jì)為1 mm。

（3）懸臂長度L：根據(jù)棘爪槽長度及安裝空間尺寸，將懸臂長度L 設(shè)計(jì)為41 mm，外形為圓弧結(jié)構(gòu)。

（4）彈力P：片簧材料為65Mn，彈性模量E=196 500 MPa，許用應(yīng)力［σ］=570 MPa。根據(jù)片簧標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算公式：

可知，彈力P 比設(shè)計(jì)要求的15～20 N 略大。

（5）額定變形量F：根據(jù)片簧標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算公式：

片簧隨棘爪擺動(dòng)的實(shí)際變形量為5 mm，設(shè)計(jì)后額定變形量不足。

通過以上分析計(jì)算，片簧各參數(shù)已確定，待使用驗(yàn)證。

（6）實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證：按上述參數(shù)生產(chǎn)制作片簧，安裝在減速機(jī)進(jìn)行疲勞壽命計(jì)算，持續(xù)試驗(yàn)3 件樣品，平均9 h 片簧根部斷裂。經(jīng)轉(zhuǎn)速、棘輪齒數(shù)等參數(shù)計(jì)算循環(huán)次數(shù)n 為81 萬次。實(shí)際煤礦井下使用需達(dá)到200 萬次，因此需改進(jìn)。且彈力P 略大，片簧與棘爪磨損較嚴(yán)重，彈力需設(shè)計(jì)在12～15 N 較符合實(shí)際情況。經(jīng)分析，片簧實(shí)際變形量超過額定變形量后，壽命會(huì)嚴(yán)重下降，因此片簧尺寸需重新設(shè)計(jì)保證使用的壽命，上述實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了這一點(diǎn)。

4.4 片簧的優(yōu)化設(shè)計(jì)

（1）懸臂長度L：為保證片簧的使用壽命循環(huán)次數(shù)，將額定變形量F 設(shè)計(jì)為片簧使用中的實(shí)際變形量，厚度h 保持不變，可得F=5 mm。由公式F=2L2［σ］/（3Eh），可得5=2×L2×570/（3×196 500×1），則L=51 mm。

（2）寬度b：彈力P 設(shè)計(jì)為12～15 N，取13 N 進(jìn)行設(shè)計(jì)。由公式P=bh2［σ］/（6L），可得13=b×1×570/（6×51），則b=7 mm。

經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計(jì)后，懸臂長度L=51 mm、厚度h=1 mm、寬度b=7 mm、彈力P=13 N、額定變形量F=5 mm（圖5）。優(yōu)化后的彈力P 適中，在滿足使用要求的前提下大幅降低磨損；額定變形量F 滿足了實(shí)際變形量，大大提高了使用壽命。

圖5 改進(jìn)后的片簧設(shè)計(jì)

（3）實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證：按改進(jìn)后的參數(shù)生產(chǎn)制作新片簧，安裝在減速機(jī)進(jìn)行疲勞壽命計(jì)算，持續(xù)試驗(yàn)3 件樣品，平均80 h 片簧根部斷裂。經(jīng)轉(zhuǎn)速、棘輪齒數(shù)等參數(shù)計(jì)算循環(huán)次數(shù)n 為720 萬次，循環(huán)壽命大大提升，滿足了實(shí)際需求。且彈力P 適中，片簧與棘爪磨損不明顯。

（4）結(jié)果分析：實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了優(yōu)化方向是正確的，在厚度不變的情況下，懸臂長度越長額定變形量越大，寬度越窄彈力越小。優(yōu)化設(shè)計(jì)通過調(diào)整寬度保證了彈力適中，通過改變結(jié)構(gòu)加大懸臂長度保證了變形量，提升了使用壽命。

5 結(jié)論

通過以上對(duì)片簧的設(shè)計(jì)、優(yōu)化與驗(yàn)證，結(jié)合實(shí)際工況，可得出片簧的設(shè)計(jì)應(yīng)用的理論及經(jīng)驗(yàn)：片簧的關(guān)鍵參數(shù)包括懸臂長度、厚度、寬度、彈力與額定變形量。其中，彈力可根據(jù)工況要求按經(jīng)驗(yàn)暫定一個(gè)值；厚度根據(jù)彈力需求與加工工藝確定，一般按經(jīng)驗(yàn)給出；額定變形量直接影響片簧的使用壽命，因此額定變形量設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)不小于實(shí)際工作變形量，以提高使用壽命；由額定變形量可推算出懸臂長度；再由懸臂長度與彈力可推算出寬度。

設(shè)計(jì)片簧時(shí)，應(yīng)盡可能加大懸臂長度，同時(shí)需要考慮安裝空間是否足夠，空間小的可通過更改機(jī)械結(jié)構(gòu)加大懸臂長度，以保證足夠的使用壽命，滿足工作時(shí)間的需求。彈力可通過更改調(diào)整寬度，保證彈力的設(shè)計(jì)要求，寬度約小彈力越??；彈力設(shè)計(jì)應(yīng)適中，以保證片簧的磨損性能與一定的使用壽命。片簧材料應(yīng)選用屈服強(qiáng)度高的彈簧鋼，經(jīng)淬火熱處理和表面防腐處理，保證使用的彈力與壽命。