矿用无极绳绞车总体方案设计

梁起龙

（大同煤矿集团永定庄煤业有限责任公司，山西　大同　037024）

引言

在矿山运输场合，无极绳绞车作为是煤矿运输的主要辅助设备。根据无极绳绞车煤矿运输的两种不同应用工况，提出无极绳绞车的总体设计方案。对无极绳绞车的传动系统进行设计并对钢丝绳进行计算选型，确定各传动部分的参数。

1　无极绳绞车的组成部分

无极绳绞车由机械部分以及配套的电器、钢丝绳、通讯系统等构成[1-2]。其中，绞车机械部分主要由以下六个部分组成：

1）底座：由型材焊接成整体，在其上可以安装电动机、行星差速器、磨擦轮变速离合闸、滚筒及常闭式液压安全闸等各部件，并通过地脚螺栓将绞车与基础固定。

2）电动机：采用防爆型电机，电动机输出轴直联行星差速器[3]。

3）行星差速器：通过一双联内齿圈，圈内安装两级行星轮系，以及两套液压块式制动器进行变速。一套制动第一级行星轮架，另一套制动双联内齿圈。当电动机空载起动时，两块式制动器全部打开，行星差速器空转。载货时能通过两套液压块式制动器交互使用形成慢速、快速的转换。

4）停机制动器：通过一套液压块式制动闸，制动二级行星轮架，可以在较小的制动力矩下实现绞车停车。上述三套制动器的支座安装孔位对称布置，以满足不同的巷道对绞车的布置要求[4]。

5）末级传动装置：末级传动装置由一对锥齿轮、一对直齿轮及减速箱体组成，采用封闭结构，以便于甩油润滑。

6）滚筒部分：滚筒内孔采用锥形内孔，采用双平键与减速器锥形输出轴连接，便于滚筒拆装[5]。

2　无极绳绞车布置方案

2.1　方案介绍

1）如图1的排布方式，将电机、减速器和制动系统放置在滚筒的两边；

2）如图2的排布方式，电机和制动系统放置在滚筒的两边，将减速器放置在滚筒的内部；

3）如图3的排布方式，将减速器、电机和制动系统都放在滚筒内部；

4）如图4的排布方式，将电机、减速器和制动系统都放置在滚筒的一侧。

图1　绞车布置方案一

图2　绞车布置方案二

图3　绞车布置方案三　

图4　绞车布置方案四

2.2　方案的选择

我们选择的排布方案有两种，一种是将行星齿轮减速器放置在滚筒内部，这种排御方式的优点是整体结构的体积比较小，对称性好，但是将减速器放置在内部对安装精度要求会高很多，对每个零件的加工工艺也要求比较高，如果机械出现故障维修非常不方便。

或者选择将所有制动系统、行星齿轮减速器都放在滚筒内部的排布方式，这种方式比上。种结构还要紧凑，但是问题和上个方案一样也是要求加工精度非常高，同时机构的轴向尺寸非常的大，虽然整体机构体积很小，可是布置不太方便。还有一个关键问题，就是制动器和电动机的散热比较困难，无论维修还是调试都带来了很大的不方便。

本设计所采用的方案为电动机、制动器和行星减速器都布置在滚筒的同一侧，即采用方案四。我们在考虑绞车机构的排布问题外，还要考虑其他的问题，如下：

1）由于减速箱需要传递的扭矩和转速都很大，所以最好采用电动机到滚筒逐级降低传动比的方式来选择减速箱传动比问题。

2）滚筒的直径越小越好。原因是滚筒的直径越大，滚筒需要的扭矩越大，而需要配合滚筒的机构尺寸也会变大。除了提升高度非常大的环境要求外，一般都是尽量小的选取滚筒直径。

3）越来越多的需要绞车完成多种器械的运输，所以我们要对绞车设计部分组合式的滚筒，来应对可能需要的快速换装。

4）除了滚筒外，整个牵引设备的滑轮组对机构的影响也比较大，滑轮组的倍率也不能去的太大。目前我们选取滑轮组的要求是绳索的受力不能大于50 kN。当小于50 kN时一般用的倍率是2。起升载荷小于等于250 kN时，倍率取3～6，载荷量更大时，倍率可取8以上。

5）绞车的制动器同样非常关键，它直接决定了机构可不可以安全的生产工作。所以制动器一般要求安装在扭矩小的驱动轴上。

无极绳绞车传动原理图如图5所示。

图5　无极绳绞车的传动系统

3　钢丝绳的设计与选择

根据无极绳绞车应用现场的工况特点，设计的无极绳绞车应满足运输长度2 500 m，最大坡度13°，运输总重量20 t，无转弯的要求，根据依据MT/T 988—2006《无极绳连续牵引车》标准规定，选用牵引钢丝绳直径为Φ24.5mm。

3.1　牵引力的计算

牵引力的计算公式为：

式中：F 为牵引力，kN；G 为所拉物的质量，km/g；G0为梭车本身的质量，km/g；α为巷道最大坡度，（°）；μ1为梭车滚轮摩擦阻力系数；μ2为钢丝绳摩擦阻力系数；q为钢丝绳每米单重；L为运输线路的长度，m。

式中：F1为破断力，N。当拉人时此比值要大于6.5。

以下面两种常见工况验算钢丝绳的破断力是否满足需求。

3.2.1拉喷浆料车

拉喷浆料车按照4个车计算，最大坡度13°；一个料车料自重1 400 kg，车皮435 kg；梭车滚轮摩擦阻力系数μl取值0.02；钢丝绳摩擦阻力系数μ2取值0.25；钢丝绳的质量取2.165 kg/m；运输路线长度为2 500m。把以上数据带式（1），得出钢丝绳的牵引力F=45.01 kN（4 501 kgf），由于破断力为 320 N（32×l03kgf），带入式（2）得满

3.2　钢丝绳破断力计算

依据MT/T 988—2006《无极绳连续牵引车》标准规定：足需求。

3.2.2拉支架车

拉支架车按照3个车计算，最大坡度取13°；最大牵引质量取12 130 kg；大花车质量取530 kg（自制加工的估计达800 kg）；梭车滚轮摩擦阻力系数μl取值0.02；钢丝绳摩擦阻力系数μ2取值0.25；钢丝绳的重量为2.165 kg/m；运输路线长度取2 500m。把以上数据带入式（1），得出钢丝绳的牵引力F=72.84 kN（7 284 kgf），由于破断力为 320 kN（32×103kgf），带入式（2）得满足需求。

4　传动系统的参数确定

4.1　绞车所需功率

在上述两种工况下：牵引力为72.84 kN，取整数F1=80 kN时，滚筒以vl=1.0m/s的速度运行；牵引力为F2=45.01 kN，取整数F1=46 kN时，滚筒以v2=1.7 m/s的速度运行。

绞车所需最大功率为：

滚筒直径D先选为1 200mm，则转速为：

4.2　传动效率的计算

根据表查得：弹性联轴器的效率η1=0.995；圆柱滚子轴承的效率η2=0.98；圆锥滚子轴承的效率η3=0.98；深沟球轴承的效率η4=0.98；直齿圆锥齿轮的传动效率η5=0.96；直齿圆柱齿轮的传动效率η6=0.98；滚筒钢丝绳缠绕效率η7=0.97。

由以上传动效率计算整个系统的传动效率η为：

4.3　功率的计算

根据以上所计算的传动效率和工作机构所需的功率来计算电机的输出功率：

由功率选出电动机：

1）绞车工作于非工作面时，选用YB315L-6 110 kW电机。

2）绞车工作于非工作面时，选用（YBK2）315L-6 110 kW电机。

4.4　电动机功率的过载校验

绞车过载能力校验采用校验转矩的方法，启动转矩应满足：式中：Ts为基准负载持续时电动机的启动转矩，N/m；Ku为考虑电压损失、最大转矩和堵转转矩的允许偏差，试验载值和机构加速度等因素影响系数，取2.0～2.2；v 为钢丝绳的额定速度，m/s；n 为电动机额定转速，1 480 r/min；η为绞车整机效率。

代入数据计算得：

显然，Ts＞T额。

式中：P为电机的额定功率，110 kW。

4.5　传动比的计算及分配

电动机的转速n=1 480 r/min。由前面计算知工作机的转速为：n1=16 r/min，n2=27 r/min。则传动比为

根据各级传动比计算各级的传动参数，低速传动时，传动相关参数如下表1所示。

表1　低速传动参数

根据以上计算过程也可以得出高速传动时传动的相关系数。

5　结语

随着技术水平的提高，无极绳绞车逐渐向多功能化、数字化、设计制造现代化方向发展。大型计算机仿真软件技术越来越成熟，虚拟样机技术的使用也越来越宽泛，因此已经能够很方便地把这些技术应用在新型无极绳绞车的设计中。

[1]冯晋涛.SQ-120型无极绳绞车牵引技术在矿井中的应用[J].山东煤炭科技，2017（4）：81-83.

[2]李剑峰.无极绳绞车运输的工艺改进[J].煤矿机械，2010（3）：82-84.

[3]刘海平，李炳文，曲利.新型矿用无极绳绞车传动系统设计[J].煤矿机械，2005（11）：21-24.

[4]闫吉领.无极绳绞车在矿井生产中的应用及改进措施[J].煤矿机械，2002（1）：88-89.

[5]赵建强.无极绳绞车在矿井生产中的应用[J].山东煤炭科技，2015（7）：42-43.