可摘挂抱索器的改造及应用

杨栓栓

目前，大斗沟矿使用的RJY90/25/1800型索车，索车巷全长1 720 m，共计使用的可摘挂抱索器有208个，备品30个。矿上使用的索车是2005年安装使用的，运行服务年限长，有些安全方面标准达不到国家煤安办的规定，所以在2014我单位不断对其进行改造，加装了各种相关的保护，并在2017年对机头部分进行了彻底更换；但座椅和抱索器一直使用可摘挂式结构。参照国家煤安办GB50127-2007中7.1.3条第7款规定，抱索器的内、外抱卡应采用优质合金钢，不得采用铸造方法制造。而在大斗沟矿使用的过程中发现，有些产品依然采用整体铸造，再进行后续的机加工处理，这样处理过的抱索器外观看起来更整洁，难以分辨抱索器是否采用锻造工艺生产。为此，决定对抱索器进行改造处理，一来可以保证作业安全可靠，二来节省成本，改造方案确定采用分体式结构取代原结构，本文主要对改造后抱索器的结构设计、工作原理、应用情况等进行简述。

1 改造前的可摘挂抱索器的工作原理

改造前的可摘挂抱索器又可以称为整体式重力自锁抱索器，简单的可以分为底座，上、下卡片，定位销几部分，具体结构如图1所示；它是在人和座椅的自身重力作用下，上、下卡片在钢丝绳上形成作用力和反作用力，这对作用力和反作用力将抱索器同钢丝绳紧紧的抱成一体，从而达到自锁的目的。具体操作如图2所示，下井人员拿上座椅，将卡口插入运行的钢丝绳上，在重力作用下，底座旋转90度，呈c字型上卡片会因重力作用挂在钢丝绳上形成作用力，呈c字型的下卡片会在反作用力的作用下卡在钢丝绳的下面，即在重力方向上，上、下卡片利用重力和钢丝绳的张力同钢丝绳抱紧从而达到自锁的目的。

图1 改造前的可摘挂抱索器

图2 结构操作

2 可摘挂抱索改造的原因

改造前的可摘挂抱索是整体式结构，卡片是有弧度的上下内错结构，不适宜采用机加工生产；生产厂家为节省成本基本上都采用铸造工艺，而不会选择锻造工艺。模锻抱索器属于精锻件，这对生产厂家的技术水平和生产设备的要求较高，每生产一批可摘挂抱索器都需要一整套模具（6个模具），模具本身的生产成本就很高；加之，锻件本身毛坯成型后就很难进行脱模处理，生产厂家需要成熟的技术，因此生产厂家一般对生产量有严格的要求，单个生产任务普通都是1 000件起生产；另外，可摘挂抱索器卡片的边缘应是光滑的，所以每个抱索器都需要进行切边处理，整个过程不仅费时，还费生产成本。这样以来，生产厂家一般都会选择铸造生产；或对卡片进行压制，后焊接在主体底座上。这两种工艺的生产成本都很低，生产出来的抱索器质量也一般，抱索器常因生产质量问题需进行更换。下面是我矿根据2016—2017年可摘挂抱索器易发生的故障及原因所列的一份统计（见表1）：

表1 故障原因统计

从可摘挂抱索器的故障发生率来看，主要是卡片断裂和卡片边缘磨损；故此次改造将不在采用传统的一体式结构，而要把卡片独立分开，改造成一种简单的、维修方便的、节约成本的可拆卸式结构。

3 可摘挂抱索器的改造

改造后的可摘挂抱索器主要分为：基础底座，上、下卡片，卡片定位销等三部分，下面将从结构方面简单的说明这三部分的作用。具体改造后的可摘挂抱索器的三维图如图3所示：

图3 抱索器的三维图

3.1 基础底座

可摘挂抱索器的底座是主要的承力部件，基础底座在材质选用、受力分析及结构尺寸方面的设计，直接关系到可摘挂抱索器整体的安全性、可靠性及使用寿命等。材料方面，可摘挂抱索器选择煤矿上常用的优质合金钢(20CrMnTi),或者选择部分底座完好的旧抱索器底座（锻造生产)，这样可以很好地保证抱索器的强度、硬度、耐磨性。结构方面，此次改造中增加了支撑部位的高度25 mm（如图4），这个高度是根据标准件螺栓（M12，L60）、螺母和底座高度决定的，通过增加支撑部分的高度可以增大螺栓的支撑面积，进一步加大了螺栓的使用寿命。基础底座的选取煤矿常用的15 mm厚的钢板，或选用完好的旧的12 mm厚抱索器底座。底座其它方面的结构尺寸如图4所示，具体三维结构图如图5所示：

图4 底座加工尺寸

图5 底座三维结构

3.2 卡片

改造前的可摘挂抱索器常因卡片边缘磨损、变形、断裂而报废，故卡片在抱索器中的作用地位很重要。此次改造中也主要针对卡片进行了深度地改造。

首先，材料方面依然选用优质合金钢。因为卡片会和钢丝绳接触，在考虑材质方面，不单单需要考虑强度、硬度，更需要把材料的韧性、耐磨性考虑进来，综合各方面因素，在材料方面依然选用矿上常见的20CrMnTi。

其次，在结构设计方面，把单一的整体结构改为可拆解式结构，一旦哪个卡片出现过度磨损，便可单一地拆换卡片，不需要整体报废。每一个卡片分别相应地做了焊接卡槽，用来插入橡胶，橡胶在卡片上不仅可以增大抱索力，而且还能延长卡片的寿命。为了避免因人为破坏而造成卡片的角度偏移，在每一个卡片上分别开了定位槽；当卡片安装在底座上，底座上的定位销会插入定位槽内，限制了卡片旋转的自由度，起到了防偏移的目的。具体卡片的加工尺寸图（上卡片）如图6，下卡片的宽度在尺寸上大上卡片一倍，其它方向的加工尺寸和上卡片一致，具体卡片的三维结构图如图7所示：

图6 上卡片加工尺寸

图7 卡片三维结构

最后，在尺寸方面（如上图），改造前的抱索器上、下卡片的宽度是一样的，但通过杠杆原理可知：

注解：F上是上卡片在钢丝绳上的作用力，L上是上卡片的作用力力臂，F下是下卡片在钢丝绳上的反作用力，L下是下卡片的反作用力力臂，上、下卡片如图3所示。

从整体三维结构图可以看出，L上基本是整个底座的长度，而 L下基本是底座长度的一半，从上面的公式中可以发现，F下≈2F上，为了减少F下，可以把下卡片的宽度增大一倍，这样不仅可以通过减少F下而减少钢丝绳的变形，还能使卡片通过托绳轮时降低颠簸感。另外需要注意的一点，卡片在加工和安装过程中，要注意卡片内橡胶所形成的圆要比钢丝绳的直径略大一点（1.1D钢＜D圆＜1.3D钢），D钢、D圆如图8所示：

图8 抱索器结构

3.3 定位销

改造后的可摘挂抱索器结构中多了两个定位销，这两个定位销的作用是限制卡片的旋转自由度。卡片在实际工作中是不会发生旋转的，从图2可以看出，在重力的作用下，卡片同钢丝绳呈自锁状态；但当人员坐完座椅，从钢丝绳上摘下座椅往巷道边或巷道边的挂杆上放置时，若放置不到位，卡片会接触其他物体，会处在一个受力状态，一旦卡片受力，便会有绕螺栓旋转的趋势，为防止卡片旋转设计了定位销这样的结构。因为座椅放置的状态不同，卡片的受力大小也不同，若处于座椅整体的重量（9 Kg-11 Kg)都加装在卡片上,定位销所受到的剪切力最大为110 N，实际使用过程中定位销的受力范围（0 N-110 N)；所以在材料方面选择方面很广泛，此次选用20CrMnTi优质合金钢。尺寸方面，需要注意它的直径和高度。直径的范围可根据材料力学中的剪切力公式,(F为剪切力，S为横截面积，σ为材料的屈服强度，其中20CrMnTi优质合金钢的屈服强度取材料商提供的92 MPa）通过计算定位销的直径范围为0-8 mm,本次改造中的定位销直径为8 mm。定位销在高度方面必需要保证定位销的高度要高于安装后卡片高度，从图4和图6可知，安装后卡片的高度为32 mm，为了便于加工和安装，取定位销的高度为40 mm.

4 可摘挂抱索器实际改造的效果

大斗沟煤业公司从2017年1月计划加工生产，到2月份成功加工出生产了20个底座，40个卡片。通过组装共生产了20个可摘挂抱索器样品，通过3个月的试运行，成功运用在410巷道的索车上。在3个月试运行中，我单位进行了实验跟踪记录，共更换橡胶47个，卡片16个，底座3个；而这三个月内在410巷道的索车上更换了改造前的抱索器67个，通过数据的对比结果，我们非常满意此次的改造成绩。具体改造后所带来的实际效果如下：

（一）改造后的抱索器虽然不是整体结构，但操作起来非常方便。索车维修工在实践操作中只要观察抱索器的卡片磨损量是否超过规定的磨损量，一旦磨损严重时，不需要取下索头，只需更换磨损严重的卡片即可，操作非常方便。

（二）改造前的抱索器一旦出现卡片的过度磨损，就必须整体更换抱索器，一个可摘挂抱索器的价格近百元。通过此次改造，配件材料都选用矿上常用的钢材，具体加工由矿上机电科独立完成，所投入的资金很少；在使用过程中，改造后的可摘挂抱索器运行很好，整体报废率基本为零，生产出的报废配件主要是橡胶和卡片，后期维修成本也很低。

5 结论

大斗沟矿从2017年1月试加工生产改造后的可摘挂抱索器，4月成功运用在410巷道索车；到目前为止，已经投入使用了一年的时间。通过这一年时间的成果运用，改造后的可摘挂抱索器成功的解决了成本问题、供货问题、维修及操作问题；相比改造前的抱索器，改造后的抱索器使用寿命更高，因为改造可摘挂抱索器实现了抱索器由整体结构变为可拆解的结构，这样能充分发挥好加工的每个配件的最大利用率，从而达到了维修方便，使用成本更低的实际效果。

[1]杨可桢，程光蕴，李仲生主表.机械设计基础.北京：高等教育出版社，2006.

[2]肖公平主编.煤矿井下架空乘人装置.中国矿业大学出版社，2017.

[3]王为，汪建晓主编.机械设计（第二版）.华中科技大学出版社，2011.

[4]机械工程手委员会电机工程手委员会主编.机械工程手册（第二版）.机械工业出版社，1997.

[5]曹静，贾雨顺主编.机械制图.机械工业出版社.2011.

[6]燕安京主编.Creo4.0.机械工业出版社.2014.