，晨旭，，

(安徽理工大学 机械工程学院，安徽 淮南 232001)

天轮作为煤矿提升钢丝绳的支撑和导向的重要部件，其中绳槽内的衬垫为缓解钢丝绳磨损和改善钢丝绳受力条件起到决定性作用。目前，市场上的绳槽车削装置都是针对主提升机，尚没有很好的针对天轮工况的车槽装置。目前，天轮衬垫车削多采用操作人员通过在天轮下方安装工作平台，操作人员悬空对天轮衬垫进行手动修整。目前，大部分是采用在制动轮边缘上拉线测量绳槽深度，而这种办法测量麻烦、精度差，难以满足生产要求。同时由于没有专用绳槽深度测量工具，需要在切削时反复测量绳槽深度，防止车削过量[1]。

根据煤矿安全规程第422条，天轮的各段衬垫磨损达到1根钢丝绳直径的深度时，或沿侧面磨损达到钢丝绳直径的1/2时，必须更换[2]。对于衬垫的报废衬垫的更换，每个天轮有四条绳槽，对应绳槽内有90副衬垫，上下两个天轮共有1440块衬垫，传统是通过将钢丝绳通过小葫芦将钢丝绳脱离绳槽，再通过手锤凿子等工具将衬垫拆除，更换任务需要超过24h以上，期间会影响人员和物资的的运输，因此会导致煤矿停产[3]。同时缺少修整的天轮衬垫绳槽会加剧新钢丝绳的磨损，并会导致每根钢丝绳张力不均，严重影响钢丝绳的使用寿命[4-7]。为减少由于衬垫磨损对煤矿生产效率的影响，洛阳百科特公司以车铣复合加工的方式设计出了一种便携式的矿井多绳摩擦提升机天轮车槽装置。该装置采用单刀多次进给的加工方式，操控系统采用数控操作系统，能够精确控制进给量，相比传统加工方式理论加工精度可达0.02mm，减少了多余车削导致的衬垫浪费，同时避免了反复测量，极大的节省的人力物力。

1 车槽装置的介绍

车槽装置分为机械部分和数控部分，其中机械部分由底座和车削移动平台组成，底座和移动平台通过两对相互垂直的滚珠丝杠副连接，车削电机安装在车削移动平台上；数控部分是由触摸屏、PLC、步进电机组成，步进电机通过减速器与滚珠丝杠副连接，操作人员通过与PLC相连的触摸屏调节步进电机的转速和切削电机的移动动方向。车削装置实体图如图1所示。

图1 车削装置实体图

受天轮井架安装环境的影响，车槽装置无法正常安装在井架上，需要专门的托架提供车槽装置提供安装平面。由于井架上缺少定位基准面，缺少安装校核的手段。

车槽装置的定位方法如下：

1)先通过卷尺将机架抬到距离天轮轴线垂直面1.800m的前方位置，保证机床的车削位置适宜，同时使机架前端面与天轮轴线保持平行。

2)使用框式水平仪测量机架的上端面的前后两侧边线，通过在机架底部加垫片的方式调节两端水平位置，使其左右两端保持水平。

3)使用粉笔画出托架顶部螺栓孔的位置，向右滑移机架，使用金属电钻对画出螺栓孔位置进行打孔，之后将机架通过螺栓组固定在平台面上，经微调后预紧。

4)抬出机床，通过螺栓组将切削机床固定在机架上端的倾斜平面上，并使机床与机架倾斜工作面保持平行。

根据车槽装置的定位方法，车削时的误差可以分为如下几个部分：系统机械部分的传动误差、定位基准的偏移误差、安装倾角的偏移误差以及天轮的制作和安装误差。

2 误差分析

2.1 系统误差

矿井多绳摩擦提升机天轮车槽装置的运动机械部分是由步进电机带动滚珠丝杠推动切削平台移动。车槽装置的系统误差由滚珠丝杠和步进电机决定，车槽装置选用的滚珠丝杠的精度为C0级，进给方向的滚珠丝杠长度为500mm，总导程误差为6μm，平移方向的滚珠丝杠的长度为1200mm，总导程误差为9μm；步进电机的累积误差在旋转一周后会相互抵消，对切削结果的影响很小。

2.2 定位误差

定位时由于天轮的轴心无法直接测出，在实际操作时是通过对天轮多点取值测量得出天轮直径的平均值作为天轮的直径，通过目测得到天轮轴心位置，通过卷尺测出车槽装置的安放位置，在定位时无法保证车削装置与天轮轴心的平行度。在定位打孔后，车槽装置的实际安装位置与理想安装位置会发生偏离。车削装置平行度偏移误差示意图如图2所示。

图2 车削装置平行度偏移误差示意图

车槽装置在出现定位误差后，不仅会导致进给量出现误差，同时会导致对衬垫单侧进给量偏大。以天轮的轴心作为X轴，以车削装置的进刀方向为Y轴建立坐标系，其中点A为第一天轮对应的对刀位，点C为第四天轮对到位。

以第一天轮对刀位A基准，刀头进给量误差Δx1为：

Δx1=atanθ1

(1)

式中，a为刀头沿X方向的位移，mm；θ1为车削装置的偏移角度，(°)。

各个天轮的距离经测量后为300mm，对各个天轮对刀位在不同偏角下的进给量误差结果如图3所示。

图3 刀位在不同偏角下的进给量误差

由于偏转角在0°～4°时，偏转量很小，所以误差曲线近似与直线，车槽装置长12000m，偏移角为1°时，左右两端偏移距离在20mm内时，实际偏移角度可以控制在0.5°以内。

由于偏角导致车削装置的进给方向发生偏移，最终对绳槽单侧面车削过量，由于偏角导致的车削误差Δx2为：

Δx2=(h-Δx1)tanθ1

(2)

式中，h为无偏时的进给距离，mm。

根据安装流程，计算出设计的刀头进给距离为78.5mm，通过与Δx1联立可以求出对衬垫单侧的车削误差值Δx2如图4所示。

图4 单侧进给偏移

2.3 安装误差

根据安装方法，托架通过增减垫片调整倾角，使车削装置与天轮轴心平面保持一致，由于缺少测量天轮轴心的工具，在安装车削装置时进给平面会与天轮轴心平面出现偏移，实际进刀方向与轴心方向出现偏移。车削装置倾角误差示意图如图5所示。安装时首先将托架固定在天轮井架的工字钢上，车削装置最后安放，托架在反复安装后会发生变形，对车铣装置的平行度产生影响。

图5 车削装置倾角误差示意图

图5中O为天轮轴心点，E为车削装置安装点，F为偏移后刀头的车削点。连接三点构成三角形根据余弦定理可以求出实际需要的进给量h2：

式中，h2为实际需要进给量，mm；h为控制进给量，mm；θ2为安装偏角，(°)；R1为天轮半径，mm。

托架与天轮的安装距离是确定的，托架对应的倾角取0°～5°，带入式(4)可以求出进给距离的误差Δx3，如图6所示。

Δx3=h2-h

(5)

图6 进给距离的误差

2.4 天轮的制造与安装误差

根据天轮制作质量标准与流程，天轮在制作时，绳槽底圆直径在1600mm以上的天轮在制作后，需要进行静平衡试验，需要保证天轮转动轴线的偏心距小于5mm。

根据天轮的种类不同，组装后的偏差等级也不同，其中模压天轮组装后的偏差规定见表1。

表1 模压天轮组装偏差

铸钢天轮组装后轮缘基准端面对轴中心线的径向圆跳动和端面跳动应在GB1184规定中的12级精度要求以上。

3 试验结果

车槽装置在安徽省阜阳市谢桥矿进行车削试验，使用所述的定位安装方案进行试车后的结果，由于天轮绳槽的直径无法直接测量，在试验结束后通过对连接装置油缸伸长量的改变对试验结果进行分析，连接装置原始伸长量如图7所示，车削后连接装置油缸伸长量如图8所示。

图7 连接装置原始伸长量

图8 车削后连接装置油缸伸长量

经过修圆试验后，油缸伸长量均值对比图如图9所示。

图9 油缸伸长量均值对比图

4 试验结果分析及改善方法

在试验后，各天轮连接装置的油缸伸长量都有改善，但未达到理想值，经过修整后的天轮尺寸仍存在误差。其中1号天轮相较4号天轮改善程度更高，2号天轮相较3号天轮改善程度反而较低。通过上述理论分析导致误差出现的原因为切削装置同时发生定位和安装的误差，由于定位偏角导致的误差大于安装误差，故分析得出车槽装置的4号天轮的一端向远离天轮的一端发生偏移导致2号、3号4号天轮油缸伸长量改善程度都小于1号天轮，且4号天轮改善量最小；同时1号天轮对应的车槽装置一端在垂直方向上的偏角偏大，其中3号天轮对应的倾角与天轮轴心平面的倾角最接近，使得3号天轮的改善程度大于2号天轮。经过分析后，说明车槽装置仍有改进空间。

针对车槽装置的特点提出以下改进意见：

1)增加在线检测系统，对天轮的直径的实时检测，在天轮绳槽内增加轮式编码器，通过测量出天轮绳槽的线速度和角速度可以直接得到天轮绳槽的直径。对于切削结果可以做到更加精确的控制。

2)设计可微调的机床托架，与在线检测系统相结合，得到实际进给量和控制进给量的误差后，根据理论推导，可以得出导致误差的原因，通过对托架的微调可以控制更加精确的进给量，尤其是对衬垫侧面的的保护，减少多余的切削损耗可以提高经济效益。

3)针对安装环境的不同，在缺少调整空间的情况下，将在线检测系统与控制系统相连，通过误差分析模型可以手动调节进给量，达到精确的切削结果。