座钩式自动翻矸装备的工艺设计

程平阳

（武汉星宇建设工程监理有限公司，湖北武汉430070）

座钩式自动翻矸装备的工艺设计

程平阳

（武汉星宇建设工程监理有限公司，湖北武汉430070）

运用设计的座钩式自动翻矸工艺装置，在巷道的掘进中的装渣和出渣过程中，能够改进装运岩石的工作，实现了不借助外动力源的情况下，吊桶自动翻转倒渣，提高其机械化水平，从而加快掘进速度，提高劳动效率和工艺施工水平，大大减轻在巷道、竖井施工中最繁重、最费工时的工序强度，节约了人工成本。

自动翻矸装备；座钩；出渣；排矸方式；吊桶；工艺设计

巷道的掘进中的装渣和出渣是最繁重、最费工时的工序，约占掘进循环时间的40%~50%，是决定竖井施工速度的主要因素。因此应不断研究和改进装运渣石（主要为岩石）的工作，提高其机械化水平，以便加快掘进速度，提高劳动效率。

掘进产生的岩石、粹渣一般经过抓岩机，将其装入吊桶，岩石经吊桶提到翻矸台上后，需要翻卸在溜矸槽内或卸在井口矸石仓内，以便用自卸汽车或者矿车运走。这就需要将吊桶自动翻矸，座钩式自动翻矸装置使用效果最好。运用设计的座钩式自动翻矸工艺装置，在巷道的掘进中的装渣和出渣过程中，实现了不借助外动力源的情况下，吊桶自动翻转倒渣，从而改进在巷道、竖井施工中装运岩石这一最繁重、最费工时的工作，节约了人工成本。

1翻矸方式

座钩式自动翻矸装置（见图1）是由底部带中心圆孔的吊桶、座钩、托梁及支架等组成。翻矸装置通过支架固定在翻矸门上。

装满岩石的吊桶提到翻矸平台后，关上翻矸门，吊桶下落，使钩尖进入桶底中心孔内。钩尖处于提升中心线上，而托梁的转轴中心偏离中心线200 mm.吊桶借偏心作用开始向前倾倒，直到钩头钩住桶底中心孔边缘钢圈为止。翻矸后，上提吊桶，座钩自行脱离，并借自重恢复到原来位置。

这种翻矸装置具有结构简单，加工安装容易，翻矸动作可靠，翻矸时间较短等优点，现在已经在不少矿井广泛应用。

2翻矸装置的设计

2.1 结构设计

机械中所有转动轴都要用轴承来支撑。轴安装在轴承中的部分称为轴颈。轴颈与轴承构成转动副。当载荷垂直于轴颈的几何轴线时称为径向轴颈和径向轴承。

翻矸装置是一个十字架钢梁轴，因为滑动轴承具有较大的承载能力、抗振性好、寿命长、噪声小、运转平稳等优点，所以钢梁轴的两端制作成光滑的圆柱形轴，放入轴承座中的两端部必须进行简单的热处理。轴颈与轴承被制作处间隙配合。它们之间通过人工滴注机油进行润滑（见图1）。

轴颈在吊桶自重力矩M的作用下（见图1），在轴承中克服与轴承的摩擦力而滑动。摩擦力相对吊桶的偏心扭矩可以忽约不计。只要吊桶的垂直重心力G偏离轴承座向上的支撑力N的中心线而使吊桶偏心，围绕轴承座中心轴线产生力矩M，从而使吊桶翻转；吊桶的中心线偏离轴承轴线的距离越大，产生的力矩越大，吊桶就越容易翻转，因为吊桶的底盘直径一般为1 000 mm，半径500 mm，吊桶底盘中心坐落在十字架轴的座钩上，座钩沿图中的X轴伸出200 mm，足够使吊桶产生偏心力，吊桶底盘的另外300 mm部分也容易坐落在十字架轴梁上。其受力分析图如下图1.

图1 吊桶在十字架座钩上受力图

为了将吊桶放在圆轴上，圆轴的中间必须设计成矩形截面。圆轴与矩形截面轴结合处形成台阶。通过该台阶在轴承座上轴向定位。

十字架的另外一条梁的一端做成弯钩，垂直伸出转轴200 mm，使吊桶产生偏心。另一端的端部需要翘起，以阻止吊桶向该方向滑移。

吊桶的底部必须做成凹进的圆柱形状，以便与十字架的向上的弯钩配合，使吊桶借助自身重力，当吊桶落到十字架上，吊绳放松后，能够自动翻转，而不滑移。

2.2 吊桶的受力分析

一个物体上的作用力系，作用线都在同一平面内，且汇交于一点，这种力系称为平面汇交力系。如图1所示，吊桶在十字架钢梁轴的平面汇交力系的平衡条件是，作用力，再加上力矩的平衡

通过上面分析，吊桶的重量通过钢丝绳吊着呈平衡状态，当吊桶落在十字架轴上时，如果沿X轴方向的吊桶的重力与十字架的支撑力N重合，吊桶底部受到转轴垂直向上的作用力N，等于吊桶向下的于重心的重量G产生的作用力，这时吊桶处于静止状态；一旦吊桶的重力沿Y轴偏离十字架轴的支撑力N，吊桶就以转轴为原点，吊桶的重心作用力G就产生力矩M，而使吊桶翻转。因为吊桶刚接触转轴时偏心距离最短，力臂最小，吊桶的重心作用力G对于转轴翻矸时产生的力矩M也就最小。当在该点最小力矩使吊桶能够翻转时，那么吊桶在其他位置产生的力矩就都能使吊桶翻转。如图1所示，钩尖处于提升中心线上，而托梁的转轴中心线偏离吊桶中心线200mm.

2.3 轴的材料选择

翻矸轴承梁材料比较容易得到，一般选价格低廉容易加工的A3普通碳素钢。为保证机械性能，应该进行调质或者正火处理。

常温、静载荷和一般工作条件下，A3普通碳素钢的许用应力σ=157 MPa（由常用材料的许应力表查得）。A3属于塑性材料。

2.4 轴的应力计算

在静载荷下，塑性材料的扭转许用剪应力τ和许用拉应力σ之间存在着如下关系：τ=（0.5~0.6）σ.考虑到传动轴受动载荷作用等因素的影响，其许用应力一般比上述值低。

为了圆轴不发生破坏，其最大工作应力不能超过材料的许用扭转剪应力τ.对于等直圆轴来说，最大剪应力发生在最大扭矩截面的边缘处，圆轴扭转的强度条件为：

式中，Mn为圆轴截面上的扭矩，应该取吊桶的重心到圆轴轴心线的垂直距离的最小值来计算。吊桶的尺寸由转扬机转筒轴的宽度决定。一般吊桶的直径取1.8m.吊重为1.75×1.8 t.吊桶重心垂直线偏移圆轴轴心线200 mm.故可以计算吊桶对转轴的力矩为：

Mn=2×103×200

其中抗扭矩截面模量Wn=πD3/16，D为圆轴直径。

故所以旋转圆轴直径选择为70mm.

2.5 刚度的校核

该轴的刚度

根据《机械设计手册》查得，精度要求不高的传动轴单位长度扭转角的许用θ的值一般为1~2.5.（°/m）.

故该轴的刚度在1~2.5.（°/m）之间，能够满足设计要求。

2.6 轴的尺寸确定

为了将吊桶放在圆轴上，圆轴的中间必须设计成矩形截面。对于两端自由的矩形杆来说，截面的翘曲不受限制，相邻截面的翘曲程度相同，它们的间距和纵向直线长度并未变化。因此截面上没有正应力，只有剪应力，这种扭转称为自由扭转。其最大剪应力发生在长边中点处，其值为τmax=Mn/ahb2

矩形截面尺寸h=100mm，b=50 mm，从《材料力学》矩形截面杆扭转时的系数表中查得a=0.246.

H，b越大，τmax越小，故矩形截面尺寸h=100 mm，b=50 mm满足强度条件。

3吊桶的定位分析

吊桶随吊绳落在在十字架平台的座钩上，通过自身重力与十字架平台接触产生的摩擦力及座钩的定位作用，而与十字架平台组成一个整体。吊桶的垂直中心线偏离十字架转轴中心线200 mm，导致吊桶沿十字架转轴轴线翻转。

为了保证吊桶能够自由正确翻转，就必须限制吊桶的自由度。应用“六点定位规则”来分析吊桶定位，把吊桶和十字架梁组成的结合体视为不产生变形的刚体，同时将其视为几何要素及几何关系（即不存在任何误差）几何体，其实际存在的误差或可能产生的变形已经在工件设计时考虑。分析如下：

吊桶其受力方向如图2所示。

图2 吊桶在座钩上的定位分析图

十字架的轴承座及轴台—限制X向转动自由度，Z移动自由度；十字架轴及座钩—限制X向移动自由度；吊桶和十字架的结合之间的摩擦力，加上轴承座的支撑力，以及座钩的定位作用—限制Y向移动和转动自由度。这样，吊桶随十字架转轴在沿Z转动自由度方向，作翻矸运动，其他方向的自由度都被限制，从而满足将矿渣倒入溜槽的工艺要求。该装置的实际应用如图3所示。

图3 该装置的实际应用图

4结束语

巷道的掘进的装渣和出渣是最繁重、最费工时的工序，是决定竖井施工速度的主要因素。本文设计了座钩式自动翻矸工艺装备。该座钩式自动翻矸工艺装备的结构设计，简单、明了、适用。它在不凭借外力作用条件下，通过自身的重量实现了翻矸，很好的解决了这个单调繁重的问题。

[1]李庆寿.机床夹具设计[M].北京：机械工业出版社，1982：12-13.

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[5]赵兴东.井巷工程[M].北京：冶金工业出版社，2012：243.

A Hook Type Automatic Equipmentof Coaland Gangue Process Design

CHEN Ping-yang
（Staryu Construction Engineering Supervision Co.，Ltd.Wuhan Hubei430070，China）

Using a hook type automatic turning device design process waste slag in the roadway，installed in tunneling and slag process，can improve the loading rock work，achieved without the aid of external power supply under the condition of automatic reversing slag bucket，raise the level of the machinery,thus speeding up the tunneling speed，improve work efficiency and the level of construction technology，greatly reduce the roadway and shaft construction in themost onerous,strength is themost time-consuming process，saving labor costs.

automatic equipment；turn the gangue hook；slag；conveyer；bucket；process design

TD262

A

1672-545X（2016）12-0090-03

2016-09-07

程平阳（1968-），男，湖北鄂州人，本科，机械高级工程师，全国注册监理工程师，总监理工程师，研究方向：机械工艺制造。