矿用卡轨车气动压绳梁的设计

王乃松，许延晖

（河北煤炭科学研究院有限公司，河北邢台 054000）

1 概况

在处于复杂巷道条件下的无极绳牵引卡轨车的运输过程中，“坡底压绳”已经成为一个行业难题。当前国内矿区中所使用的无极绳绞车或者无极绳牵引卡轨车辅助运输设备，在巷道起伏点大多采用的是压绳轮的结构，其工作原理是将工作过程中飘起的钢丝绳压到轮体的内侧，从而令其保持与行进轨道平行的状态。但是在实际的使用过程中，这种结构在坡度较小的巷道中效果相对明显，随着巷道的条件越来越复杂，起伏变坡工况下的压绳问题就会逐渐突显出来，在起伏较大的地方，此时钢丝绳受到的垂直方向的力更大一些，受到磨损较多的压绳轮往往会出现压不住钢丝绳的情况，也就是跳绳现象，存在着钢丝绳弹起伤人的安全隐患。

针对这一问题，有些矿区采用在底板用定滑轮将钢丝绳固定的方法，当牵引车通过时手动对压绳滑轮进行拆卸，待牵引车经过后再安装。但这样的操作步骤即增加人工成本，又降低运输效率。通过查询国外相关的网站，尚未发现有关于改善该方面的研究，因此本文在参考气动压绳轮研究应用的基础上对其进行改进，利用气动系统设计一种气动压绳梁的装置，通过气动工作循环使得处于不同情况的巷道的压绳效果都能够安全稳定的运行，进一步解放劳动力，提高生产效率，减少事故发生率。

2 装置设计及工作原理

气动压绳梁装置是由一套气动系统包括气缸、控制阀、管路等，以及压绳梁的机械结构共同组成。其主要工作原理是利用巷道中的气源为装置内的气缸提供动力，装置后侧的气缸推动压绳梁将钢丝绳压住，此时装置内的另外一个气缸推动销子将下压的压绳梁锁住，待到卡轨车通过的时候，再利用气动解除锁销，进而将压绳梁通过气缸的作用抬起，实现一个工作循环。

根据对于跳绳现象的研究还有不同巷道下存在的实际问题的考察，该气动压绳梁装置的技术方案大致可以分为3 步：首先要设计出一套气动系统，该系统要能够兼顾压绳梁的起落还有插销的插拔2个动作，二者通过气管连接实现联动，对装置的气动原理进行推导研究，分析其中气源、各部分开关对系统的影响，再利用CAXA 软件对该原理图进行绘制；其次是设计压绳梁的机械装置，包括压绳梁上下梁体的设计、托绳轮的设计、插销部分设计以及压绳梁的连接固定装置的设计等，利用CAXA3D 等绘图软件绘制出三维模型，进行运动仿真，该装置要在有限的空间内实现可靠的内绳压绳功能和外绳导绳功能；最后设计出气动压绳梁的布置方案，尤其对于特定巷道坡度特定牵引力下还需要确定出相应的压绳梁布置方案。

基于以上的背景研究，对气动压绳梁的整体进行三维结构设计，如图1 所示。当卡轨车经过时，操作人员打开手动阀，气压被送入气缸内推动滑杆使压绳梁向下移动，从而压住钢丝绳让其与轨道保持平行，同时另一方面，气动系统也带动着另一边推进锁销，将销子插进压好的压绳梁的孔中，把压绳梁锁住；同理，卡轨车通过后，按动按钮带动气动系统向后拔出锁销，让压绳梁可以通过气缸往上抬起回归原位，完成一次工作循环。

图1 气动压绳梁总体设计Fig.1 Overall design drawing of pneumatic pressure rope beam

下面对于装置内部的气动系统及压绳梁的机械结构部分进行设计分析。

3 气动系统的设计

气动系统的工作本质上就是一种能量变换的过程，相较于液压系统，气动系统中的各部分原件的结构要相对复杂，它的动态特性从本质上看可以理解为气容充气阶段、惯性阶段以及放气阶段等。其中各个阶段通过气动元件所受力、压力、位移、转速等参数相互之间所产生的一定影响。考虑到巷道中应用条件，设计一套气动系统帮助装置循环，并且该系统需要兼顾锁销部分和压绳梁的机械动作。该系统的气动原理图如图2 所示。

图2 气动原理Fig.2 Pneumatic schematic diagram

矿下巷道中存在的气源可以用来驱动机械装置，实现特定的工作功能，合理利用巷道中的气源不仅可以降低能源成本，还有助于环保和资源的可持续应用。在该气动系统中，气源作为动力源推动气缸的运动，通过气压的变化驱动气缸内部进行活塞运动，从而推动连接在气缸上的活塞杆进行运动，带动其余部分。整个管道部分分布在外侧连接气动压绳梁和锁销两个部分，其中控制锁销的部分设置有三通气控阀，其开关控制总气源能否进入推动或拔出锁销。

由气动原理图可得，当卡轨车经过，需要系统运作时，打开截止阀引进气源，二位五通手动换向阀进行手动换向开始工作，此时，节流阀控制气流流入的流量大小，机控换向阀平时处于关闭状态，只有在气体流过时才打开，随后压力气体进入销轴气缸，活塞杆缩回，解除压绳梁的锁扣；同时，压力气体流进横梁气缸中，推动活塞杆向上，进而带动压绳梁的顶梁抬起，让卡轨车可以正常通过。

没有卡轨车经过的时候，关闭截止阀，气源不再输送气体进入系统内部，2 个机控换向阀保持关闭，横梁气缸的活塞退回原位，压绳梁的顶梁被放下，重新压住钢丝绳；同时，销轴气缸内没有气体支持，拉杆又把销子推送进顶梁相应的插口处，锁紧压绳梁。在执行压绳梁抬起或落下的任务时，运输系统一直处于制动状态，确保卡轨车以及操作人员的安全。

4 压绳梁结构设计

压绳梁的操作方式为气动控制，且控制压力在0.48 MPa 以上。使用时所有的动作都是由1 名操作人员来控制1 个手动阀，当手动阀打开时，锁紧气缸松开、翻转气缸推出，此时压绳梁被打开并保持该状态；当手动阀闭合时，翻转气缸退回，压绳梁重新被压回到位后锁紧气缸再次闭合锁紧，该系统中2 个气缸都是由行程阀控制顺序来完成动作，且该机械系统部分不需要用到电气元件，压绳梁需要能够压住钢丝绳并且要在巷道中易于安装。

4.1 顶梁的结构设计

顶梁的两侧需要连接底梁和推动压绳梁的气缸，因此在顶梁的头尾处设计连接孔利用接头进行连接，并且根据尺寸来调节连接板的位置，需要用2 个加强板来与托绳轮进行连接。锁紧销对应的销孔设计为长孔，可以用于补偿一部分因为压绳梁梁体形变而产生的位移误差。另外在顶梁与气缸连接的部分用行程阀挡板来限制气缸推动活塞的移动范围，从而控制顶梁部分的下压和抬起范围。顶梁设计的结构外形如图3 所示。

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图3 顶梁设计结构Fig.3 Roof beam design structure

顶梁的尾部连接气缸，气缸推动顶梁进行移动。考虑到巷道空间有限，因此气缸设计成竖直状态，节省空间，安装时在气缸部分下部挖出适当空间供活塞部分移动即可。选取气缸组件的缸径125 mm、长度350 mm。

气缸推力计算公式是：

式中：F 为气缸出力，N；A 为截面积，m2；P 为使用的压力，Pa；f 为摩擦阻力，N。此处摩擦阻力f 忽略不计，通过计算可以得出，气缸推动活塞杆施加给梁的力F=23562 N。

根据杠杆平衡条件得知，要使杠杆保持平衡，需要作用在杠杆两端（动力点和阻力点） 的2 个力的大小跟它们的力臂的长短成反比，即：

由设计的顶梁的尺寸大小可知，顶梁部分的阻力臂L阻=149.1 cm，气缸作用力的动力臂L动=10.3 cm，已知动力大小即F动=F=23562 N，由此可以推算出气缸的力作用在顶梁上的力的大小为1627.690 N。考虑到钢丝绳行进过程中对梁的磨损导致的形变，需要在顶梁中安装2 块加强板，用以加强顶梁的整体强度，同时针对顶梁的选材选定较为坚固的材料，保证顶梁的最大形变量不超过20 mm 即可。

4.2 气动底梁的结构设计

底梁部分是气动压绳梁结构组成的基础部分，负责衔接气动系统和压绳梁的机械结构，底梁的头部与矿下支护的部分进行连接，用以在巷道中固定装置，如图4（a） 所示；右侧图4（b） 则负责连接气缸。气动底梁采用的是分体式的结构，便于在矿下进行安装。将主体分为左右2 个部分，并通过连接钢板进行连接，在安装时在轨道下挖出一些安装空间让2 个组成部分可以分别经过卡轨车运行轨道的下方，用以把左右两部分进行连接，再用螺母在两部分之间固定钢板，装置整体由钻地销插进销孔进行固定，从而完成安装。

图4 气动底梁结构设计Fig.4 Pneumatic bottom beam structure design

4.3 托绳轮的结构设计

压绳梁将经过回绳导轮的钢丝绳压在下面的时候，钢丝绳在梁下仍会保持移动状态，此时就可能造成梁体本身和钢丝绳的磨损，甚至导致钢丝绳断裂等严重事故。因此在顶梁钢丝绳经过的位置设计安装托绳轮，让飘绳经过的时候托绳轮也会跟随绳子的移动而旋转，并且不会阻碍钢丝绳的移动，如图5 所示。

图5 托绳轮的结构设计Fig.5 Structure design of rope wheel

顶梁的托绳轮部分要求可以将固定卡轨车的钢丝绳压住并与轨道保持平行，所以对于过绳处的托绳轮的轴承强度也有一定要求。对其受力进行分析如下：

压绳梁受力计算：

式中：B 为飘绳下压的高度，m；S 为飘绳两端点的距离，m；F1为压绳梁受力，kN；F 为钢丝绳的静张力，取绞车最大牵引力的0.8 倍，kN。

绞车运行的过程中牵引的飘绳下压给到压绳梁上的力F1与飘绳本身的两端点距离S、下压高度B成反比，即所受到的最大牵引力作用下的力相同的情况下，飘绳的两端距离S 越长或是下压高度B越大，则压绳梁所受到的压力F1就会越小。以巷道中常见矿下卡轨车为例，其最大牵引力为90 kN，则钢丝绳的静张力F 为70 kN，飘绳下压高度B=1 m，飘绳两端点的距离S=10 m。代入式（3）算得托绳轮部分受力F1为18.04 kN。因此在选取托绳轮轴材质时，考虑其强度选用最低能够承受住计算所得的部分受力的材料，保证装置的可用性。

5 结论

（1） 通过阐述气动压绳梁装置的设计思路，建立该装置各个结构的二维、三维模型，介绍气动系统的组成以及顶梁、气动底梁、托绳轮等压绳梁的各个主要零部件的设计过程，在此基础上对于各部分的运行原理进行剖析证明该装置的可行性。

（2） 气动压绳梁装置的设计针对“坡底压绳”问题的解决具有很高的实用效果，可以完善无极绳牵引卡轨车的应用，在各种复杂条件的巷道中投入使用，填补我国矿用无极绳牵引卡轨车领域的相关技术空白，加强无极绳牵引卡轨车物料运输的安全保证，保障煤矿的安全生产，进一步实现采矿“无人化”与“自动化”，可以在各个矿区进行推广使用。