王国庆

（天津市祥威传动设备有限公司，天津 300380）

1 开槽机的用途和结构

开槽机是用于在煤层内掏槽的采煤机械，在炮采工作面煤壁上截割出截槽，增加自由面以提高爆破落煤的效果，应用于开采中硬和软煤层，也可开采其它成层的矿产，但不能截割坚硬的夹石和硫铁矿等。

在现代机械化采煤过程中，大规模的应用采煤机等机械设备落煤，机械效率很高，但是存在一个难以解决的问题，就是机械截割部分的截齿相互之间的距离是有限的，造成落煤块度小，在产量一定时，降低了煤的价值，也降低了利润。同时，在一些中小型的煤矿中，由于资金相对不足，大型的机械设备不能得到很好的应用，仍然采用人工落煤，生产效率也不高。开槽机就能一定程度地解决这些问题。首先用开槽机在采煤工作面底部开出一道深槽，然后在上方煤壁上打眼放炮，达到落煤块度大、效率高的目的。

如图1所示即为开槽机的主要构成简图，电动机两端出轴，分别驱动截割部和牵引部。

2 开槽机牵引机构及钢丝绳的缠绕方法

2.1 牵引机构简述

开槽机的牵引是利用牵引钢丝绳，这时，绳子的一端系在固定支柱上，另一端则绕在机器的卷筒上，这个卷筒是由主电动机经过牵引机构减速器而带着转动的，这个减速器跟绳筒合在一起被称为牵引机构。

图1 开槽机的构成

通常牵引机构可保证开槽机产生几种速度，司机根据煤的坚硬性的不同而选择一种牵引速度，这个牵引速度要使电动机的负荷刚好达到额定功率。但是由于开槽机上没有控制电动机负荷的仪器，所以选择牵引速度是由司机听电动机发出来的声音而决定的，这在很大程度上取决于司机的经验。除了工作速度外，牵引机构还应保证有一个比工作速度大得多的调动速度。

经验证明，把绳筒放在开槽机底部的垂直轴上是最为合适的。这时，卷筒直径不应大于机器机壳的宽度，同时又要让卷筒上容得下20～30m的钢丝绳。

开槽机的工作牵引速度不高，一般都在1.4m/min以下。应用得最多的是很低的速度，大致为0.3～0.5m/min。因为绳筒直径一般为520～580mm，那么绳筒的每分钟转速应该在0.165～0.860r/min之间。

而在某些情况下，还要更低一些。这样，当电动机转速n0=1480r/min时，牵引减速器的传动比将为8970～1721之间。

由于我们还必须要保持减速器尺寸最小，所以如果用普通的齿轮来实现大的传动比在实际上是不可能的，因为这样就需要6～7对齿轮。因此，牵引机构减速器设计或者用行星轮传动，或者利用某些机构传动。

除了传动机构以外，牵引部减速器在某种情况下还加上保护装置，以防止钢丝绳内可能因负荷过大打坏齿轮。这种保护装置有摩擦离合器及弹簧牙嵌离合器。

2.2 钢丝绳的缠绕方法

我们把钢丝绳由直线位置变成曲线状态时算作弯曲半次，钢丝绳由曲线状态又变成直线状态，又由直线状态回复到曲线状态，我们就称之为弯曲一次。在以后弯曲时，如果钢丝绳弯曲方向与第一次弯曲方向相反这就认为在钢丝绳的每一个反向弯曲上又加上了一次弯曲。由这一观点出发，我们来比较两种不同的钢丝绳在卷筒上的缠绕方式，如图2与图3。

在图2上我们得到：（1）钢丝绳在滑轮上弯曲过去又反过来；（2）绕在绳筒上时弯曲；（3）绕在绳筒上的方向跟绕在滑轮上的弯曲方向相反。钢丝绳受到2.5次弯曲。

在图3上我们得到：（1）钢丝绳在滑轮上弯曲过去并又反过来；（2）绕在卷筒上时弯曲。钢丝绳受到1.5次弯曲。由于很多学者所做过的试验证明，减少弯曲次数可以大大增加钢丝绳的使用年限，因此，图3中的钢丝绳工作方式要比图2中的方式要好得多。所以，应用图3中的缠绕方式。

3 牵引钢丝绳的选择

3.1 钢丝绳的结构及类型

钢丝绳丝绳是由一定数量（一般为6根）的细钢丝捻成绳股，再由股（一般为6股）捻制成绳，绳的中间夹有含油麻芯。制造钢丝绳的钢丝为优质碳素结构钢，其抗拉强度为1400～2000MPa。在承受相同终端载荷的条件下，抗拉强度过高的钢丝绳韧性差。抗拉强度大，钢丝绳在承受相同的载荷下，绳径可以小一些，但其弯曲疲劳性能差一些。钢丝绳有光面和镀锌的两种，后者可以防止锈蚀。由于钢丝绳中股数和捻向的不同，以及股中钢丝数目、钢丝直径、断面形状和排列方式的不同，钢丝绳可以有许多不同的类型，因而性能不相同，使用条件也不一样。

图2

图3

钢丝绳的绳芯是由苎麻、线麻或马尼拉麻等具有较大抗拉强度的纤维捻制而成，其作用是储存绳油，以便减小钢丝绳工作时内部钢丝的相互磨损，并防止生锈和腐蚀，可增加储油性，并起垫衬作用，减少绳股挤压变形。

采煤机械用的牵引钢丝绳构造比较简单，且成本比较低。但是，绕在卷筒上时，钢丝绳工作条件很恶劣，因为它不仅拉力很大，同时又要在直径较小的滑轮上弯曲。

钢丝绳有很多种，根据不同的特点有不同的分类方法：

（1）按钢丝类型分类

钢丝有光面和镀锌两种类型，室内工作时通常使用光面钢丝绳，露天和潮湿环境中使用镀锌钢丝绳。钢丝按韧性分为特号、Ⅰ号和Ⅱ号。特号钢丝用于载人提升，Ⅰ号用于起重和牵引机械，Ⅱ号通常用于捆绑货物等次要用途。

（2）按捻制方向分类

按钢丝捻成股与股捻成绳的方向相同或相反，分为同向捻和交互捻钢丝绳。同向捻钢丝绳挠性好，使用寿命长，但容易自行扭转和松散，通常用作牵引绳，在自由悬挂的提升、起重机械中不宜采用，只有在具有刚性轨道的提升机械（如电梯）中才使用。交互捻钢丝绳不易自行松散，在起重机械中广泛应用，但是挠性小、寿命较短。

按股捻成绳的方向，这两种钢丝绳又分为左旋和右旋两种类型，一般多用右旋绳。

（3）按绳芯材料分类

按绳芯材料种类，钢丝绳分为纤维芯（棉、麻芯）、石棉芯和钢丝芯三种类型。纤维芯和石棉芯钢丝绳挠性大、弹性好，但不能承受横向压力，区别是前者不耐高温，后者耐高温。钢丝芯钢丝绳强度高，能够承受高温和横向压力，但挠性较差。

通常使用纤维芯钢丝绳，高温、重载和多层卷绕的情况下使用钢丝芯钢丝绳。

（4）按钢丝接触状态分类

按股中钢丝与钢丝的接触状态，钢丝绳分为点接触式、线接触式和面接触式。

点接触钢丝绳股中各层钢丝直径相同，捻距不同，形成点接触，因而钢丝接触应力很高，容易磨损和断裂，寿命较低，但制造容易而且价廉。

线接触钢丝绳股中各层钢丝的捻距相等，直径不同，外层粗钢丝位于内层细钢丝的沟缝里，形成线接触，因而钢丝接触应力低，挠性好，结构紧密，寿命长，承载能力大，应优先选用。线接触钢丝绳有三种结构型式：粗细型（W型，也称为瓦林吞型）、外粗型（X型，也称为西鲁型）和填充型（T型）。通常使用粗细型，外粗型适用于磨损较严重的场合。

面接触钢丝绳的钢丝间为面接触，耐磨损，能够承受大的横向压力，通常用于索道的承载索。

（5）按股的断面形状分类

按照股的断面形状，钢丝绳分为圆形股和异形股。圆形股制造方便，广泛使用。异形股有三角形股、椭圆形股等，与卷筒或滑轮的接触面大，强度高、耐磨损、寿命长，但是制造复杂。

不同断面形状的钢丝绳，其主要特点归纳如下：

（a）圆形股钢丝绳。易于用眼检查断丝，有相当大的挠性，制造简单，价格低。但随载荷变化有旋转趋势，且外部钢丝易磨损。

（b）三角股钢丝绳。易于用眼检查断丝，在相同条件下，比圆股绳强度大，寿命长；外部钢丝比圆股耐磨。但随载荷变化有旋转趋势，且挠性较圆股绳差。

（c）多层股钢丝绳。旋转性小，有相当大的挠性。但内部钢丝不易检查。

（d）密封、半密封钢丝绳。不旋转，外部钢丝耐磨，抗腐蚀性好，在相同条件下强度最大，弹性变形小。但内部钢丝不易检查，挠性小，直径大时断面易变形，制造复杂，价格高。

（e）扁钢丝绳。不旋转，易于检查，有很大的挠性。但易被磨损，手工生产效率低，价格高。

选择钢丝绳时，要根据使用条件和钢丝绳的特点来考虑，基于本次设计的是井下小煤矿用的开槽机械，故所选的钢丝绳的材料为优质碳素结构钢，Ⅰ号钢，类型是同向捻的线接触式圆股钢丝绳6W（19），绳芯为纤维芯。

式中，d-钢丝绳最小直径，mm；c-选择系数，在机械设计手册中可以查到；Fmax-钢丝绳最大静拉力，N。

由现场常用开槽机数据求得，钢丝绳的最大静拉力为：Fmax=Q=25989.6N

在机械设计手册中可知，牵引钢丝绳的最小安全系数不得小于4，故本人安全系数取5，而对应的钢丝绳公称抗拉强度为 1850MPa，c=0.096，带入式（1）得：

即最小直径为15.48mm，此处取16mm，查手册可得到其它参数如下：导向滑轮的直径90mm；钢丝绳直径16mm；钢丝中心直径1.2mm；钢丝总断面积107.74mm2；钢丝绳公称抗拉强度1700MPa；弹性模量E为200GPa。

即所选钢丝绳为：钢丝绳6W（19）-16-1700-Ⅰ-光-右同GB1102-74。

3.2 钢丝绳的应力计算及钢丝绳破断拉力的计算

钢丝绳的拉力是由拉绳子的力所引起的，它等于：σP=Q/F式中，F-钢丝绳的全部钢丝的断面积。

为了要考虑绳内的弯曲应力，我们来看一下绳在卷筒上缠绕的情形。在缠绕时，钢丝绳的钢丝发生变形，其变形可由图4求出。大家知道，绳内钢丝扭成股，而股则捻成钢丝绳。要精确地研究钢丝的扭曲变形是很困难的，因此，我们只研究一根假想的钢丝，这根钢丝正位于钢丝的中心线上，同时引进一个校正系数，以考虑钢丝的扭曲。

图4

把已选好的钢丝绳的参数带入可得：

所以钢丝绳内的总应力小于钢丝绳的许用应力（1700MPa）。故所设计的钢丝绳符合强度要求。

另外，还要保证以下公式满足［1］：F0≥FmaxS/φ式中，F0-钢丝绳中全部钢丝的破断拉力总和，N；Fmax-钢丝绳工作时的最大静拉力，N；S-最小安全系数，查表可得；φ-钢丝绳破断拉力换算系数。

将本次设计的参数带入，S＝5，Fmax=2652kg＝25989.6N，另根据机械设计手册知此形式的φ=0.85，则得：FmaxS/φ=25989.6×5/0.85＝152880N。

查表可知，当钢丝绳直径为16mm，公称抗拉强度为1700MPa时，钢丝绳破断拉力总和F0≥183000N，从以上计算的结果可知，所选钢丝绳符合要求。

钢丝绳的使用年限是不长的，大致是3～6个月。钢丝绳的使用年限还决定于它在工作中弯曲的次数，有很多学者做过实验证明，减少弯曲次数可以大幅度增加钢丝绳的使用年限。

4 结语

开槽机牵引机构，一定要根据实际情况选择适当规格的钢丝绳，选择合理的缠绕方法，并通过应力计算及破断拉力计算验证选择钢丝绳的可靠性，既不能选择可靠性差的钢丝绳，否则会给生产安全带来隐患，也不能选择过高的可靠性，造成大马拉小车的资源浪费。

［1］潘英编，矿山提升机械设计［M］.徐州：中国矿业大学出版社，2000.

［2］采矿手册编辑委员会.采矿手册：第5卷）M］.北京：冶金工业出版社，1999.

［3］布.勒.达维道夫.煤炭工业机械：第一卷［M］.北京：煤炭工业出版社，1956.

［4］徐灏主.机械设计手册［M］.北京：机械工业出版社，1995.