户建亮

（山西晋能控股集团太原煤气化东河煤矿，山西 临汾 041200）

引言

矿用绞车是在采矿过程中通过卷筒上的钢丝绳来牵引材料的，又名卷扬机，在实际的采矿过程中发挥着至关重要的作用。根据绞车在采矿过程中的不同角色，可以大致分为提升绞车、凿井绞车、调度绞车等绞车类型。其中，调度绞车是用来将重物运上山的，并可以辅助其他装备进行工作。现如今，绞车存在零件多、成本高、安装难、制动效果差、噪音大等较多问题。基于以上问题分析，本文对JD-1型调度绞车进行优化设计，从绞车电动机、执行、传动、制动系统等角度进行设计。

1 调度绞车运行原理

目前，中国调度绞车（下文中直接称为绞车）的特点及运行环境参数如表1 所示。

表1 绞车工作特点及运行参数

绞车在实际的煤矿工程中主要存在三种状态，分别问工作状态、下放置状态、制动状态。其中工作状态和下方状态制动闸均处于松闸状态，但是下方状态的工作闸也处于释放状态，制动状态的制动闸是抱紧状态。本文所研究的绞车结构如图1 所示。

图1 绞车结构图

本文设计的JD-1型调度绞车的外层钢丝的最大静张力为10 kN；钢丝绳的速度为1 m/s；绞车的容绳量为400 m，总减速比为41。

2 调度绞车电动机的选型

对于电动机的传动效率，电动机各个部位的传动效率不一样，其中弹性联轴器的效率为0.995，滚动轴承的效率为0.99，卷筒的效率为0.975，传动的总效率约为0.886。根据电动机效率可以求得卷筒功率为Pw=Fwv=10×1=10 kW，进而可以求得PG=Pw/η=10÷0.886=11.286 kW。故基于矿场安全生产的考虑，本文选用型电动机，其功率为11.4 kW，转速为1 470（r/min），额定电压为380 V 或660 V。

3 调度绞车执行系统的设计

执行系统的设计主要包括卷筒和钢丝绳的设计，二者均对绞车的安全工作运行起到了极为重要的作用[1]。对于钢丝绳的选型，中国的矿井中主要采用两种型号，分别为1 570 N/mm2和1 770 N/mm2[2]。且根据相关规定，对于安全系数，一条绳子缠绕式的钢丝绳应该高于6.5。根据公式钢丝绳整绳最小断拉力为钢丝绳的最大静拉力于其安全系数之积，带入相应数值可以求得钢丝绳的断拉力应大于65 kN。因此钢丝绳公称直径选择为11 mm，其允许的偏差为不大于+50%，钢丝绳最小的断拉力为78.4 kN，公称抗拉强度为1 678 MPa，综上数据分析，可得钢丝绳单位长度的质量约为45.7 kg/100 m。

对于卷筒的设计，卷筒的基础参数如表2 所示。

表2 卷筒基础参数表

根据卷筒名义直径的计算数值为钢丝绳直径乘以22.4，可求得卷筒的卷绕直径为246.4 mm，若考虑到绳子在多层缠绕时的不均匀分布，可以适当地增加卷筒的长度，带入数据可以得到卷筒的长度为307 mm。根据卷筒长度、安全系数、绳槽节距以及钢丝绳直径求得每层钢丝绳的圈数为25，进而求得钢丝绳的最大缠绕直径为532 mm，最后根据钢丝绳的牵引速度和最大缠绕直径可以求得卷筒的转速为36 r/min。

4 调度绞车传动系统的设计

本文所设计的传动结构为一级定轴轮系和行星轮系所组成的复合轮系传动形式，结构图如图2 所示。

图2 传动结构形式

根据原始数据[3]，可以结合电动机的转速，得到总的传动比为41，根据相应的分配原则可以得到高速的定轴轮系传动比为4.5，低级的定轴轮系的传动比为9.1。

根据各轴的转速、转矩、功率可以求出轴的运动参数：对于转速方面，高速轴的转速为1 511 r/min；传动主轴的转速为330.87 r/min；行星轮轴为36.12 r/min；制动轴为39.78 r/min，对于功率方面，高速轴的功率为10.98 kW；传动主轴的功率为10.34 kW；行星轮轴功率为9.65 kW；制动轴功率为10.12 kW，对于转矩方面，高速轴的转矩为72.98 N·m；传动主轴的转矩为320.43 N·m；行星轮轴的转矩为2 629.45 N·m；制动轴的转矩为2 399.65 N·m。

对于定轴轮系的设计本文结合绞车的工况以低速重载为主的特性，选用7 级精度的圆柱齿轮传动[4]，同时，为了使得传动机构的顺畅运行，小齿轮齿数应当大于17。

对于行星轮系的设计，本文的传动形式采用NGW型轮系结构，选用42CrMo 作为内齿圈的调质材料。根据相应的公式和参数计算处配齿数为19，此配齿数复合传动比条件、装配条件、邻接条件和同心条件。再根据接触强度计算a-c的传动中心距以及模数。各齿轮的基本参数和尺寸如表3 所示。

5 调度绞车制动系统的设计

众所周知，制动系统是保证绞车安全工作的前提和重要保障，若绞车的制动系统出现问题，则在煤矿煤矿的日常生产中可能会出现重大问题，比如可能损坏机器，一旦发生严重事故无法快速应急反应，损坏货物，造成不必要的经济损失。因此绞车制动系统的设计及其关键。本文所研究的制动系统是由制动器和操作杆等环节组成的，当制动手柄被施加以压力，制动力即传递到活塞，制动液随即就可以被推入到油管之中，进而进入到增压缸中，由于制动液的进入，管路制动液的压力很快增大，制动液经过轮缸的作用，可以使得摩擦块做相应的运动，进而完成制动系统的功能。制动系统如图3 所示。

图3 制动系统示意图

对于制动器的设计，现有的盘式制动器主要由摩擦块、制动钳等固定在轮毂上的结构所组成。制动器可以按照驱动的动力源分别问电力、液体压强、气体压强分为电力液压驱动、气压驱动以及液压驱动。如果按照制动的动作分类，可分为浮动和固定两类。

浮动盘制动器是摩擦块由于受到液压的作用进而给制动盘一个液压作用力，此时制动钳体会带动摩擦块移动进而对制动盘产生压力的作用。因此制动盘的选型至关重要。本文设计的制动盘的相关参数如表4 所示。

表4 制动盘相关参数表

对于复位弹簧的选型，由于在实际工程应用中需要使得制动系统在松开闸之后可以自动地回到初始位置上，所以需要将复位弹簧安装于制动主缸内部。由于碟形弹簧的刚度大，而且对于震动的缓冲吸收能力较强，故本文使用碟形弹簧作为复位弹簧。本文所设计的弹簧的相关参数如表5 所示。

表5 碟形弹簧相关参数 mm

6 结论

本文所设计的三大部分是绞车中最核心的三大部分，执行、传动、制动系统的优化设计可以大大提高绞车运行的安全性和工作的适应度，可极大地提高实际工程的效率。