一种可降低消耗的矿用紧绳器设计

2021-02-06侯晓晨侯克青

煤 2021年1期

王君，侯晓晨,侯克青

(1.长治职业技术学院，山西长治 046000；2.华新燃气集团有限公司，山西晋城 048000)

煤炭生产过程中，常常需要将所需的材料、工具或设备运送到井下各个工作场所，也要将井下出现故障、需要大修或更换的设备运输到井上。运输过程中，一般是用绑丝(常采用8号铁丝)将材料、工具或设备捆绑在矿车上，如图1所示。捆绑用的绑丝都是一次性的，当材料、工具或设备运达目的地以后，一般都是剪断后就随手丢弃了，一是会造成原材料的浪费，增加吨煤成本；二是随意丢弃的8号铁丝会混合到原煤里，不仅给原煤洗选增加工作量，还会出现捡拾不干净的现象。经过对原晋东南地区各个大中型煤矿进行仔细调研，每年仅绑丝一项就需要花费30～50万元。

图1 材料、工具和设备的捆绑情况

为了使煤炭企业降低消耗、节约成本，设计一种可以使绑丝重复利用的矿用紧绳器，以提高煤矿企业的经济效益，实现煤矿企业和谐、可持续发展和精细化管理。

1 紧绳器设计

1.1 选定设计方案

设计准则：①矿用紧绳器设计必须符合《煤矿安全规程》要求，严禁使用国家明令禁止或淘汰的危及生产安全和可能产生职业病危害的技术、工艺、材料和设备；②必须满足绑扎紧固，拆解容易的要求；③符合使用方便、尺寸小、结构紧凑的要求。

总体设计思路是将绑丝缠绕在滚筒上，依靠滚筒的转动来紧固或放松绑丝，从而实现材料、工具和设备的紧固或拆解，围绕滚筒驱动、绑扎省力、防止松动、结构简单等要求设计了三种不同方案。

1) 电动机驱动蜗杆转动。由蜗轮带动滚筒转动，优点是绑扎省力，运输过程中依靠蜗轮蜗杆传动的自锁性能，可以有效防止松动；缺点是需要用电、难以实现正反转、结构复杂、造价高等。

2) 用杠杆驱动滚筒，利用棘轮机构防止松动。优点是结构相对简单，缺点是得依靠人力进行绑扎和放松。

3) 用杠杆驱动滚筒，利用插销防止松动。结构简单，操作方便。

经与煤矿工程技术人员反复磋商，认真比对，最终确定按照第三种方案进行设计和试验。

1.2 紧绳器设计

图2所示的紧绳器共有10种不同零件。滚筒7与防松锁盘5、手动转盘10焊接成一体(或者制作成1个零件)，与心轴8采用间隙配合，滚筒7与手动转盘10能绕心轴8转动，实现拉紧或者放松钢丝绳的目的。心轴与轴承座采用紧过渡配合，工作时二者之间不发生相对转动。

图2 矿用紧绳器(mm)

锁扣钢丝绳9选用6NAT6×7(1+6)+WSC 1570 ZZ 30.5 18.8GB/T8918，钢丝绳采用普通套环 GB/T5974.1-6联接，如图3所示。

图3 锁扣钢丝绳

1.3 主要承载零件的强度校核

矿用紧绳器中的主要承载零件是防松插销和驱动滚筒转动的杠杆。

1.3.1最大绑扎力计算

经查《金属材料力学性能手册》，8号铁丝的许用拉应力为30～55 MPa，8号铁丝的直径约为4 mm，根据拉压杆强度条件，用式(1)计算8号铁丝的最大绑扎力。

(1)

式中：σmax为8号铁丝的最大拉应力，MPa；FNmax为8号铁丝的最大绑扎力，N；A为8号铁丝的截面面积，mm2；[σ]为8号铁丝材料的许用拉应力，MPa。

求得8号铁丝的最大绑扎力为：

1.3.2 防松插销剪切强度校核

用式(2)校核防松插销(防松插销的材料是Q235，直径d=10 mm，[τ]=80 MPa)的剪切强度：

(2)

式中：τ为防松插销的剪应力，MPa；Q为防松插销受剪面上的剪力，N；A为防松插销的受剪面积，mm2；[τ]为防松插销材料的许用剪应力，MPa。

防松插销剪切强度足够。

1.3.3 杠杆弯曲强度校核

用式(3)校核杠杆(如图2所示，滚筒直径d滚筒=100 mm，杠杆的材料是Q235，直径d杠杆=20 mm，[σ]=120 MPa)的弯曲强度：

(3)

式中：σ为杠杆的弯曲应力，MPa；M为杠杆危险截面最大弯矩，N·mm；W为杠杆的抗弯截面模量，mm3；[σ]为杠杆材料的许用应力，MPa。

M=FNmax×d滚筒÷2=690.8×50=34 540 N·mm

由此可得，杠杆弯曲强度足够。

1.4 紧绳器工作原理

紧绳器用螺栓联接或者焊接在矿车上，绑扎材料、工具或设备时，先将如图3所示的锁扣钢丝绳的一头挂接到预先在矿车侧面焊接好的挂钩上，另一头挂接在紧绳器上，如图4所示，用杠杆转动手动转盘，锁扣钢丝绳缠绕到滚筒上(绑紧)或者从滚筒上放出(放松)，绑扎紧材料、工具或设备以后，让防松锁盘上的锁孔对准轴承座上的锁孔，将防松插销插入锁孔并用开口销(GB91-86 5×16)进行轴向定位。

当材料、工具或设备运达目的地以后，拔出防松插销，松开锁扣钢丝绳并回收，以便重复使用。