礦用索道固定抱索器夾緊力與力矩確定
(１北京昊華能源股份有限公司 大安山煤礦ꎬ北京?。保埃玻矗保?#41915;２? 長沙正忠科技發(fā)展有限公司ꎬ湖南 長沙 ４１０００４)
摘 要:為了得出礦用索道固定抱索器抗滑力和夾緊力定量關(guān)系ꎬ確保固定抱索器安全可靠運(yùn)行ꎬ通
過對固定抱索器進(jìn)行受力分析ꎬ得出了固定抱索器抗滑力與夾緊力、夾緊力與固定抱索器尾部螺栓力
矩的力學(xué)關(guān)系ꎬ推導(dǎo)出了抱索器夾緊力的計(jì)算公式并給出計(jì)算步驟ꎬ提供了不同運(yùn)行坡度下抱索器下
滑力、夾緊力、緊固扭力扳手的力矩參考值ꎮ
關(guān)鍵詞:礦用索道ꎻ固定抱索器ꎻ抗滑力ꎻ夾緊力ꎻ力矩
中圖分類號:ＴＤ５２ 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:Ａ 文章編號:０２５３－２３３６(２０１３)１０－０１０２－０３
作者簡介:程 軍(１９７１—)ꎬ男ꎬ山西運(yùn)城人ꎬ高級工程師ꎬ現(xiàn)任大安山煤礦副礦長ꎮ 通信作者:寫義明ꎬＴｅｌ:１３５４８９８２６２５
引用格式:程 軍ꎬ寫義明ꎬ王 宇ꎬ等.礦用索道固定抱索器夾緊力與力矩確定[Ｊ].煤炭科學(xué)技術(shù)ꎬ２０１３ꎬ４１(１０):１０２－１０４ꎬ１２４.
０ 引 言
固定抱索器是在礦用索道上應(yīng)用最廣的一種抱
索器ꎬ是礦用索道的重要關(guān)鍵部件ꎬ其可靠性是安全
運(yùn)行的重要指標(biāo)ꎬ直接影響礦用索道的運(yùn)行安全ꎮ
抗滑力是固定抱索器的一個(gè)重要性能指標(biāo)ꎬ相關(guān)的
國家 標(biāo) 準(zhǔn) ( ＧＢ ２１００８—２００７)、 行 業(yè) 標(biāo) 準(zhǔn) ( ＭＴ/ Ｔ
８７３—２０００、 ＭＴ/ Ｔ １１１７—２０１１)、 安 全 標(biāo) 準(zhǔn) ( ＡＱ
１０３８—２００７)均對其數(shù)值嚴(yán)格規(guī)定[１－４]ꎬ如 ＭＴ/ Ｔ
８７３—２０００ 規(guī)定:抱索器的抗滑力不應(yīng)小于重車在
最大坡度時(shí)下滑力的２ 倍[２]ꎮ 合理的抗滑力是確保
礦用索道安全運(yùn)行的保障ꎬ抗滑力檢測是產(chǎn)品出廠
檢驗(yàn)和型式檢驗(yàn)的必檢項(xiàng)目[４]ꎮ 固定抱索器的抗
滑力通過其尾部螺栓的夾緊力提供ꎬ而夾緊力則由
作用在螺栓上的力矩獲得ꎬ雖然作用在螺栓上的力
矩越大ꎬ抗滑力越大ꎬ但是過大的力矩ꎬ會使抱索器
對鋼絲繩造成嚴(yán)重的損傷ꎬ縮短鋼絲繩的壽命ꎬ帶來
新的安全隱患ꎮ 經(jīng)查詢ꎬ國內(nèi)外沒有文獻(xiàn)對礦用索
道固定抱索器抗滑力和夾緊力以及作用在固定抱索
器尾部螺栓上的力矩做定量研究ꎮ 在設(shè)計(jì)、生產(chǎn)和
使用過程中ꎬ通常是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)對該力矩值進(jìn)行選取ꎬ
這導(dǎo)致固定抱索器的抗滑力大小選取不合理ꎬ帶來
了諸多問題和安全隱患ꎮ 研究固定抱索器抗滑力、
夾緊力和力矩的關(guān)系ꎬ對提高固定抱索器的運(yùn)行可
靠性具有重要意義ꎮ
１ 固定抱索器夾緊力與抗滑力的關(guān)系
對于固定抱索器夾緊力的計(jì)算方法ꎬ礦山乘人程 軍等:礦用索道固定抱索器夾緊力與力矩確定
索道標(biāo)準(zhǔn)未有涉及ꎬ在此筆者借鑒客運(yùn)索道抱索器
的成熟技術(shù)ꎬ結(jié)合礦用索道固定抱索器的應(yīng)用實(shí)際ꎬ
得出了一系列固定抱索器夾緊力計(jì)算公式、步驟和
數(shù)據(jù)ꎮ 固定抱索器在有傾角的巷道中運(yùn)行將產(chǎn)生沿
鋼絲繩方向的下滑力ꎬ該下滑力主要由吊椅重車總
重力和巷道的最大傾角決定ꎮ 根據(jù)礦用索道運(yùn)送人
員時(shí)固定抱索器在巷道中運(yùn)行的實(shí)際情況ꎬ固定抱
索器受力分析如圖 １ 所示ꎮ
圖 １ 固定抱索器受力示意
Ｑ 為吊椅重車總重力ꎬα 為巷道的傾角ꎬＦ１為 Ｑ
在巷道傾角方向產(chǎn)生的下滑分力ꎮ 上述三者滿足以
下關(guān)系:
Ｆ１＝ Ｑｓｉｎ α
(１)
根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)中對抗滑力的規(guī)定ꎬ固定抱索器與鋼
絲繩產(chǎn)生的抗滑力 Ｆ 應(yīng)滿足:
Ｆ ≥ ２Ｆ１＝ ２Ｑｓｉｎ α
(２)
固定抱索器與鋼絲繩的抗滑力 Ｆ 是通過固定
抱索器鉗口的夾緊力 Ｐ 產(chǎn)生的ꎬ即固定抱索器鉗口
夾緊力 Ｐ 大小直接決定抗滑力 Ｆ 的大小ꎮ 固定抱
索器抗滑力 Ｆ 的大小與鉗口的夾緊力 Ｐ、內(nèi)外鉗口
的形狀以及鉗口與鋼絲繩之間的摩擦因數(shù) μ 有關(guān)ꎮ
由于各生產(chǎn)廠商采用的加工工藝不同ꎬ固定抱索器
的鉗口形狀各異ꎬ實(shí)際生產(chǎn)中ꎬ使用最多的是圓弧形
鉗口ꎬ如圖 ２ 所示ꎮ
圖 ２ 圓弧形鉗口
根據(jù)受力分析ꎬ采用圓弧形鉗口的固定抱索器
抗滑力 Ｆ 與夾緊力 Ｐ 的關(guān)系如下:
Ｆ ＝ ２μ∑Ｐ１＝ ２Ｐμ′
(３)
其中:∑Ｐ１為鉗口對鋼絲繩的壓力ꎻμ′為鉗口
處的平均粘著系數(shù)ꎮ 由于圓弧形鉗口各處的摩擦因
數(shù)不同ꎬ考慮到計(jì)算的方便ꎬ引入鉗口處的 μ′ꎬ與摩
擦因數(shù) μ 相區(qū)別ꎮ 粘著系數(shù)的計(jì)算方法如下:
μ′ ＝ ４μｓｉｎ(γ/２) / (γ ＋ ｓｉｎ γ)
(４)
式中ꎬγ 為圓弧形鉗口與鋼絲繩接觸范圍角度ꎮ
抱索器的 ２ 個(gè)鉗口均與牽引鋼絲繩接觸ꎬ２ 個(gè)
鉗口處的粘著系數(shù)略有不同ꎮ 假如設(shè)定外鉗口處的
粘著系數(shù)為 μ′１ꎬ內(nèi)鉗口處的粘著系數(shù)為 μ′２ꎬ則整個(gè)
抱索器的 μ′值可用下式計(jì)算
μ′ ＝ (μ′１＋ μ′２) /２
(５)
根據(jù)式(１)—式(５)ꎬ以及 ２ 倍抗滑力的臨界值
可知:
２Ｐμ′ ＝ Ｆ ≥ ２Ｆ１＝ ２Ｑｓｉｎ α
(６)
則可得出夾緊力 Ｐ≥Ｆ１/ μ′＝Ｑｓｉｎ α/ μ′ꎮ
根據(jù) ＡＱ １０３８—２００７«煤礦用架空乘人裝置安
全檢驗(yàn)規(guī)范»中第 ７? ６? １ 條規(guī)定ꎬ吊椅重車總重力 Ｑ
按 １ １００ Ｎ 計(jì)算ꎬ可得:
Ｐ ≥ １ １００ｓｉｎ α/ μ′
(７)
由式(６)、式(７)可知ꎬ根據(jù)現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定ꎬ在吊
椅重車總重力一定的情況下ꎬ固定抱索器的最小抗
滑力與巷道的傾角成正比ꎬ與抱索器鉗口處的粘著
系數(shù)成反比ꎮ 因此ꎬ可以得出:①固定抱索器的最小
抗滑力在不同傾角的巷道中不同ꎬ應(yīng)根據(jù)實(shí)際巷道
傾角情況ꎬ確定不同的抗滑力ꎻ②固定抱索器的最小
抗滑力與抱索器鉗口的形狀有關(guān)ꎬ在實(shí)際使用過程
中ꎬ應(yīng)根據(jù)不同鉗口形狀ꎬ分析計(jì)算其鉗口粘著系
數(shù)ꎬ以便確定合適的抗滑力ꎮ
圖 ３ 固定抱索器結(jié)構(gòu)示意
２ 固定抱索器夾緊力與尾部螺栓力矩關(guān)系
普通固定抱索器和碟簧固定抱索器的結(jié)構(gòu)如圖
３ 所示ꎮ 在實(shí)際工作中ꎬ通過擰緊固定抱索器尾部
螺栓ꎬ使內(nèi)抱體壓緊牽引鋼絲繩ꎬ從而獲得所需要的
夾緊力ꎮ 從力矩到夾緊力的傳遞是一個(gè)過程ꎬ受到
多種因素的影響ꎮ 力矩扳手處的力矩 Ｍａ為[１１]
Ｍａ＝ Ｍｐ＋ Ｍｔ
(８)
Ｍｐ＝ ＰＤｃｔａｎ(θ ± ρ) /２
(９)
３
０
１
２０１３ 年第 １０ 期
煤 炭 科 學(xué) 技 術(shù)
第 ４１ 卷
Ｍｔ＝ Ｐｆｄｔ/３
(１０)
ｔａｎ ρ ＝ ｆ(１ ＋ ｃｏｓ２θｔａｎ２β/２) /２
(１１)
其中:Ｍｐ為外抱體尾端絲扣處的力矩ꎬＮ?ｍꎻ
Ｍｔ為頂軸端部的力矩ꎬＮ?ｍꎻｄｔ為頂軸直徑ꎬｍｍꎻ
Ｄｃ為螺絲中徑ꎬｍｍꎻθ 為螺旋導(dǎo)程角ꎬ(°)ꎻρ 為螺紋
當(dāng)量摩擦角ꎬ(°)ꎻｆ 為螺母與螺桿接觸表面間的摩
擦因數(shù)ꎻβ 為牙型角ꎬ(°)ꎮ 由式(８)—式(１１)可得
Ｐ ＝ Ｍａ/ [(Ｄｃｔａｎ(θ ± ρ) /２ ＋ ｆｄｔ/３)]
(１２)
從式(１２)可以看出ꎬ固定抱索器的夾緊力 Ｐ 與
力矩扳手處的力矩成正比ꎬ同時(shí)還與抱索器尾部螺
栓的參數(shù)有密切關(guān)系ꎬ如螺絲中徑、螺旋導(dǎo)程角、螺
紋當(dāng)量摩擦角、螺母與螺桿接觸表面間的摩擦因數(shù)、
牙型角等ꎬ因此可以得出:①固定抱索器尾部螺栓的
力矩直接決定了固定抱索器的夾緊力大小ꎬ實(shí)際使
用過程中ꎬ應(yīng)確保力矩扳手的精度ꎬ并設(shè)置合適的調(diào)
定值ꎻ②應(yīng)選擇合適參數(shù)的尾部螺栓ꎬ確保夾緊力的
大小和穩(wěn)定性ꎮ
３ 固定抱索器夾緊力和力矩的計(jì)算實(shí)例
為了更直觀說明固定抱索器夾緊力和力矩的關(guān)
系ꎬ現(xiàn)以常用鋼絲繩直徑為 ２４ ｍｍ 的固定抱索器為
例對其夾緊力和力矩進(jìn)行計(jì)算ꎬ并給出不同傾角下
固定抱索器夾緊力和力矩的推薦值ꎮ
３? １ 夾緊力計(jì)算
ø２４ ｍｍ 固定抱索器鉗口如圖 ４ 所示ꎮ
圖 ４ ø２４ ｍｍ 固定抱索器鉗口示意
外抱體鉗口與鋼絲繩的接觸角 γ１＝ １４８°ꎬ即
２? ５８２ ｒａｄꎻ內(nèi)抱體鉗口與鋼絲繩接觸角 γ２＝ ９２°ꎬ即
１? ６０５ ｒａｄꎮ 所以:μ′１＝ ４μｓｉｎ(γ１/２) / (γ１＋ｓｉｎγ１)＝
０? １６１ ０ꎬμ′２＝４μｓｉｎ(γ２/２) / (γ２＋ｓｉｎ γ２)＝ ０? １４３ ９ꎮ
由以上計(jì)算得ꎬ整個(gè)鉗口上的平均粘著系數(shù) μ′ ＝
(μ′１＋μ′２) /２＝０? １５２ ４５ꎬ取 μ′＝０? １６ꎮ 代入式(６)得
普通剛性抱索器夾緊力 Ｐ 為
Ｐ ≥ １ １００ｓｉｎ α/ μ′ ＝ ６ ８７５ ｓｉｎ α
(１３)
當(dāng)選用碟簧式固定抱索器(圖 ３ｂ)時(shí)ꎬ其碟簧產(chǎn)
生的張力應(yīng)略大于螺栓擰緊時(shí)的夾緊力 Ｐꎬ一般可
乘以 １? １ 的系數(shù)ꎬ則碟簧固定抱索器的夾緊力 Ｐ′為
Ｐ′ ≥ １? １Ｐ ＝ ７ ５６３ ｓｉｎ α
(１４)
?。粒?１０３８—２００７ 規(guī)定固定抱索器最大適應(yīng)傾角
不大于 ３５°ꎬ根據(jù)式(１３)、式(１４)ꎬ不同傾角下固定
抱索器最小夾緊力和最小力矩見表 １ꎮ
表 １ 不同傾角下固定抱索器最小夾緊力和最小力矩
巷道傾
角/ (°)
最小夾緊力/ Ｎ
普通
碟簧
最小力矩/ (Ｎ?ｍ)
普通
碟簧
３５
３ ９４３
４ ３３７
４１
４５
３０
３ ４３８
３ ７８２
３６
４０
２５
２ ９０６
３ １９６
３０
３３
２０
２ ３５１
２ ５８７
２５
２７
１５
１ ７７９
１ ９５７
１８
２０
１０
１ １９４
１ ３１３
１３
１５
注:不同直徑鋼絲繩對應(yīng)的抱索器鉗口所形成的包角會略有出
入ꎮ 要得到準(zhǔn)確的數(shù)值ꎬ應(yīng)按鉗口實(shí)際形狀和尺寸計(jì)算折合粘著
系數(shù)ꎮ
３? ２ 力矩計(jì)算
目前礦山乘人索道固定抱索器其緊固最常見的
為 Ｍ２０ 螺栓ꎬ可推知:①普通固定抱索器夾緊力對
應(yīng)緊固扭力扳手力矩 Ｍ≥ＰＲ＝ ６ ８７５Ｒｓｉｎ αꎬ其中:Ｒ
為力矩扳手的力臂ꎮ ②碟簧固定抱索器的夾緊力對
應(yīng)緊固扭力扳手的力矩 Ｍ′≥Ｐ′Ｒ＝７ ５６３Ｒｓｉｎ αꎮ 實(shí)
際抱索器使用一段時(shí)間后ꎬ鉗口的內(nèi)壁會形成繩紋
槽ꎬ其粘著系數(shù)通常會超過計(jì)算值ꎬ因 μ 不等同于
μ′ꎬ所以用 μ ＝ ０? １３ 直接代入公式計(jì)算求出的夾緊
力 Ｐ 偏大ꎮ
３? ３ 固定抱索器夾緊力和力矩推薦值
根據(jù)以上計(jì)算ꎬ單人吊椅的固定抱索器礦山乘
人索道在不同運(yùn)行坡度下的抱索器下滑力、夾緊力、
力矩推薦值見表 ２ꎮ 根據(jù)上述方法ꎬ對于特殊雙人
乘座吊椅的固定抱索器夾緊力也可參照按上述公式
逐步計(jì)算出來ꎬ此處不再論述ꎮ
表 ２ 單人吊椅固定抱索器下滑力、夾緊力與力矩推薦值
運(yùn)行坡
度/ (°)
下滑
力/ Ｎ
夾緊力/ Ｎ
普通
碟簧
推薦力矩/ (Ｎ?ｍ)
普通
碟簧
３０~３５
６３１
４ １００
４ ５００
４１
４５
２５~３０
５５０
３ ６００
４ ０００
３６
４０
２０~２５
４６５
３ ０００
３ ３００
３０
３３
１５~２０
３７６
２ ５００
２ ７００
２５
２７
１０~１５
２８５
１ ８００
２ ０００
１８
２０
０~１０
１９１
１ ３００
１ ５００
１３
１５
注:表中數(shù)值含有一定的富裕量ꎬ實(shí)際選擇時(shí)不應(yīng)超過表中給出
的數(shù)值ꎮ
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