雙筒提升機(jī)液壓調(diào)繩離合器的改進(jìn)

雙筒提升機(jī)液壓調(diào)繩離合器改進(jìn)

朱有良¹，牛國(guó)強(qiáng)¹，蘇文州¹，寇保福²

¹鶴壁萬豐礦山機(jī)械制造有限公司 河南鶴壁 456761

²太原科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 山西太原 030024

摘要：液壓調(diào)繩離合器的安全可靠運(yùn)行是雙筒提升機(jī)工作的重要保障。由于液壓調(diào)繩離合器中撥動(dòng)環(huán)與移動(dòng)轂之間的轉(zhuǎn)動(dòng)配合及潤(rùn)滑方式不合理，時(shí)常引起油液泄漏并甩至制動(dòng)盤上，影響制動(dòng)效果；環(huán)境惡劣或潤(rùn)滑不充分時(shí)，局部易干枯發(fā)生膠合事故。針對(duì)以上問題筆者將撥動(dòng)環(huán)與移動(dòng)轂之間的滑動(dòng)面摩擦轉(zhuǎn)動(dòng)配合方式為改進(jìn)雙滾珠滾動(dòng)摩擦，減少了接觸摩擦面積，且增加了撥動(dòng)環(huán)與移動(dòng)轂之間的潤(rùn)滑空間，大大降低了摩擦磨損程度；同時(shí)設(shè)置了專用的潤(rùn)滑脂儲(chǔ)存及輸送通道，進(jìn)一步改善了其工作條件。理論分析及現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用均表明：該液壓調(diào)繩離合器的改進(jìn)從根本上避免了由于調(diào)繩離合器引起的提升安全事故，大幅減少調(diào)繩離合器的維護(hù)成本和時(shí)間。

關(guān)鍵詞：調(diào)繩離合器；撥動(dòng)環(huán)；移動(dòng)轂；潤(rùn)滑模式；轉(zhuǎn)動(dòng)接觸摩擦

中圖分類號(hào)：TD444    文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A    文章編號(hào)：

Improvement of hydraulic rope adjusting clutch for double-drum hoist

ZHU Youliang¹，NIU Guoqiang¹，SU Wenzhou¹，KOU Baofu²

¹Hebi Wanfeng Mining Machinery Manufacturing Co., Ltd., Hebi 456761, Henan, China

²College of Mechanical Engineering, Taiyuan University of Science and Technology, Taiyuan 030024, Shanxi, China

Abstract: The safe and reliable operation of the hydraulic rope adjusting clutch is an important guarantee for the efficient operation of the double-drum hoist. Due to the unreasonable rotation coordination and lubrication mode between the toggle ring and the moving hub in the hydraulic rope adjusting clutch, the oil leakage is often caused and thrown onto the brake disc, affecting the braking effect; when the environment is bad or the lubrication is not sufficient, the local part is easy to dry and cause the scuffing accident. In view of the above problems, the author puts the friction and rotation matching mode of the sliding surface between the toggle ring and the moving hub as improving the rolling friction of double balls, reducing the contact friction area, increasing the lubrication space between the toggle ring and the moving hub, reducing greatly the friction and wear degree; at the same time, a special grease storage and transmission channel is set up, further improving its working conditions. Theoretical analysis and field application show that the improvement of the hydraulic rope adjusting clutch fundamentally avoids the lifting safety accident caused by the rope adjusting clutch, and greatly reduces the maintenance cost and time of the rope adjusting clutch.

Key Words: rope adjusting clutch; toggle ring; moving hub; lubrication mode; rotating contact friction

基金項(xiàng)目：山西省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃指南項(xiàng)目國(guó)際合作專項(xiàng)(201803D421041)；山西省應(yīng)用基礎(chǔ)研究項(xiàng)目(201701D121071)

作者簡(jiǎn)介：朱有良，男，1966年6月出生、本科，工程師，主要從事礦山提升機(jī)機(jī)械設(shè)計(jì)和研發(fā)工作。

雙筒提升機(jī)主軸裝置工作時(shí)經(jīng)常需要調(diào)繩，尤其是用于多水平提升作業(yè)時(shí)，調(diào)繩次數(shù)較為頻繁^[1]。液壓調(diào)繩裝置是該部件中的重要機(jī)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)合理性及運(yùn)行安全可靠性直接關(guān)系到整機(jī)提升作業(yè)任務(wù)的完成和工作效率的高低^[2]。

常用的雙筒調(diào)繩離合機(jī)構(gòu)包括：支輪連接式、蝸輪蝸桿式、軸向齒輪式和徑向齒輪式等^[3]。其中，支輪連接式調(diào)繩離合機(jī)構(gòu)操作繁瑣，作業(yè)人員勞動(dòng)強(qiáng)度大；蝸輪蝸桿式調(diào)繩離合機(jī)構(gòu)調(diào)整耗工費(fèi)時(shí)，且由于結(jié)構(gòu)不對(duì)稱易造成主軸裝置旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生不平衡力矩；軸向齒輪式調(diào)繩離合機(jī)構(gòu)的調(diào)繩液壓缸除完成離合動(dòng)作外還負(fù)責(zé)傳遞力矩，使用一段時(shí)間后其缸體擠壓變形，從而導(dǎo)致漏油嚴(yán)重，泄露的油液極易流到制動(dòng)盤上，影響制動(dòng)效果^[4]；徑向齒輪式調(diào)繩離合機(jī)構(gòu)對(duì)齒方便，調(diào)繩更加快速、可靠、且易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制；因此，徑向齒輪式調(diào)繩離合機(jī)構(gòu)是目前雙筒提升機(jī)上較為先進(jìn)的調(diào)繩離合器。

徑向齒輪式調(diào)繩離合器有幾處關(guān)鍵的潤(rùn)滑點(diǎn)：移動(dòng)轂與輪轂之間的滑動(dòng)配合面、齒塊與滑槽的滑動(dòng)配合面、撥動(dòng)環(huán)與移動(dòng)轂之間的轉(zhuǎn)動(dòng)配合面。目前，徑向齒輪式調(diào)繩離合器的撥動(dòng)環(huán)與移動(dòng)轂之間的轉(zhuǎn)動(dòng)配合面通常采用滑動(dòng)摩擦副，由于一直處于頻繁轉(zhuǎn)動(dòng)工作狀態(tài)，必須給予充分油潤(rùn)滑以降低其磨損并防止出現(xiàn)膠合卡阻事故；現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用油潤(rùn)滑過程中，多余溢出的潤(rùn)滑油時(shí)常會(huì)甩出，甚至附著于制動(dòng)盤導(dǎo)致制動(dòng)效果下降。

筆者針對(duì)以上問題，通過現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研，提出了一種新型的徑向調(diào)繩離合機(jī)構(gòu)，從根本上解決了調(diào)繩離合機(jī)構(gòu)中撥動(dòng)環(huán)與移動(dòng)轂之間磨損膠合或稀有潤(rùn)滑甩出等難題。

1徑向調(diào)繩離合器結(jié)構(gòu)及工作原理

徑向調(diào)繩離合器是雙筒提升機(jī)調(diào)節(jié)鋼絲繩長(zhǎng)度的重要機(jī)構(gòu)，安裝布置于游動(dòng)卷筒的左側(cè)（如圖1所示）。右側(cè)的固定卷筒與主軸之間通過支輪過盈連接, 提升時(shí)與主軸一起轉(zhuǎn)動(dòng)；而游動(dòng)卷筒與主軸之間為間隙配合，游動(dòng)卷筒與主軸一起轉(zhuǎn)動(dòng)的動(dòng)力源自于調(diào)繩離合器上齒塊與主軸剛性連接內(nèi)齒圈之間的嚙合，調(diào)繩離合器的輪轂與主軸采用過盈連接。提升機(jī)運(yùn)行過程中, 當(dāng)提升容器無法到達(dá)指定裝卸位置或提升鋼絲繩產(chǎn)生彈塑性伸長(zhǎng)時(shí)，會(huì)嚴(yán)重影響物料或人員的準(zhǔn)確到位, 這時(shí)需通過調(diào)繩離合器將游動(dòng)卷筒與主軸分離, 從而調(diào)節(jié)鋼絲繩的長(zhǎng)度、更換提升位置或更換鋼絲繩。

1.調(diào)繩離合器 2.游動(dòng)卷筒 3.固定卷筒 4.支輪 5.主軸

圖1 雙筒礦井提升機(jī)的主軸裝置

徑向齒塊式調(diào)繩離合器，使調(diào)繩過程更加 快速、可靠。該離合器的調(diào)繩精度達(dá)50 mm。該裝置由齒塊，內(nèi)齒圈等工作機(jī)構(gòu)，油缸，移動(dòng)轂等驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，操作聯(lián)鎖等控制機(jī)構(gòu)三部分組成。如圖2所示。此外，內(nèi)齒圈與游動(dòng)卷筒的腹板通過高強(qiáng)螺栓剛性連接。

1.驅(qū)動(dòng)油缸 2.移動(dòng)轂 3.開關(guān)4.撥動(dòng)環(huán) 5.固定輪轂 6.齒塊

7.內(nèi)齒圈 8.開關(guān) 9.電磁閥 10.聯(lián)鎖閥 11.截止閥 12.連桿

圖2 調(diào)繩離合器

工作原理：（1）日常提升作業(yè)時(shí)，固定在左端軸承座上的驅(qū)動(dòng)油缸推動(dòng)移動(dòng)輪轂沿主軸在固定輪轂滑動(dòng)，從而帶動(dòng)連桿，并使齒塊沿固定輪轂的垂直方向滑槽滑動(dòng)，使齒塊與內(nèi)齒圈嚙合，如圖中處于a的工作狀態(tài)。此時(shí)，動(dòng)力從主軸傳遞至外齒圈，再到齒塊上，通過兩側(cè)滑槽傳遞到活動(dòng)滾筒上。主軸帶動(dòng)滾筒一起轉(zhuǎn)動(dòng)，完成提升或下放任務(wù)。（2）調(diào)節(jié)繩長(zhǎng)時(shí)，制動(dòng)器先鎖緊卷筒制動(dòng)盤，驅(qū)動(dòng)油缸拉動(dòng)移動(dòng)輪轂沿主軸在固定輪轂滑動(dòng)，從而帶動(dòng)連桿，使齒塊與內(nèi)齒圈分離，如圖中處于b的工作狀態(tài)。即可進(jìn)行調(diào)繩操作。

2 存在問題及分析

2.1 潤(rùn)滑方式帶來的問題分析

提升機(jī)正常工作（非調(diào)繩狀態(tài)）下，撥動(dòng)環(huán)與移動(dòng)轂之間始終處于完全滑動(dòng)摩擦副的轉(zhuǎn)動(dòng)，兩者之間的充分潤(rùn)滑非常重要。因此，通常在此處設(shè)置有油杯稀有潤(rùn)滑，為保證充分潤(rùn)滑，需要時(shí)常為其補(bǔ)油或充油，但由于無收油及儲(chǔ)油結(jié)構(gòu)，所以加注潤(rùn)滑油時(shí)易產(chǎn)生泄漏，泄露出的油液泄漏甩至制動(dòng)盤上，影響制動(dòng)效果；為提升機(jī)停車制動(dòng)帶來了極大的安全隱患。

2.2 轉(zhuǎn)動(dòng)配合方式帶來的問題分析

提升機(jī)運(yùn)行時(shí)，撥動(dòng)環(huán)與移動(dòng)轂之間始終處于完全滑動(dòng)摩擦副的轉(zhuǎn)動(dòng)，一旦出現(xiàn)潤(rùn)滑不及時(shí)，就會(huì)導(dǎo)致兩者之間的嚴(yán)重磨損；環(huán)境惡劣時(shí)，撥動(dòng)環(huán)與移動(dòng)轂之間局部易出現(xiàn)缺油干枯，會(huì)發(fā)生膠合現(xiàn)象，進(jìn)而會(huì)造成撥動(dòng)環(huán)與移動(dòng)轂之間轉(zhuǎn)動(dòng)不順暢甚至出現(xiàn)不同程度的卡阻情況，極端情況下將會(huì)導(dǎo)致調(diào)繩離合機(jī)構(gòu)中的齒塊和內(nèi)齒圈無法可靠嚙合或脫離，從而引起生產(chǎn)事故。

3 液壓調(diào)繩離合器改進(jìn)方案

針對(duì)液壓調(diào)繩裝置機(jī)構(gòu)所存在的問題，筆者提出了一種新型的調(diào)繩離合機(jī)構(gòu)，將液壓調(diào)繩裝置的撥動(dòng)環(huán)與移動(dòng)轂之間的轉(zhuǎn)動(dòng)配合改進(jìn)為滾珠軸承點(diǎn)接觸滾動(dòng)配合結(jié)構(gòu)，以減少兩者之間的摩擦力；采用潤(rùn)滑脂潤(rùn)滑并輔以儲(chǔ)油通道，從根本上解決因漏油引起的制動(dòng)效果差、以及避免兩者之間的轉(zhuǎn)動(dòng)副膠合等安全事故發(fā)生。

3.1新型調(diào)繩離合器組成

筆者所設(shè)計(jì)的新型雙筒提升機(jī)液壓調(diào)繩器如圖3所示。

a）

b)

1.軸承座 2.主軸 3.固定輪轂 4.移動(dòng)轂 5.滾珠 6.撥動(dòng)環(huán)

7.連桿 8.齒塊 9.內(nèi)齒圈 10.游動(dòng)卷筒 11.壓注油杯位

12.加注通道13.移動(dòng)通道 14.潤(rùn)滑通道 15.潤(rùn)滑管 16.套筒

圖3 新型雙筒提升機(jī)液壓調(diào)繩器

圖3a為整體結(jié)構(gòu)示意圖，圖3b為撥動(dòng)環(huán)與移動(dòng)轂之間的轉(zhuǎn)動(dòng)配合局部放大圖。新型調(diào)繩離合器與原有調(diào)繩離合器不同之處在于：移動(dòng)轂、撥動(dòng)環(huán)以及固定輪轂三者之間的配合及潤(rùn)滑方式。

固定輪轂與移動(dòng)轂之間的滑動(dòng)動(dòng)作較少，僅在需要調(diào)繩的情況下進(jìn)行此滑動(dòng)動(dòng)作，潤(rùn)滑方式采用具有儲(chǔ)油通道的潤(rùn)滑脂潤(rùn)滑，其潤(rùn)滑脂儲(chǔ)存及供脂通道如圖3b所示。

移動(dòng)轂與撥動(dòng)環(huán)之間的配合方式由原來的完全滑動(dòng)摩擦改為類似于雙列滾珠軸承點(diǎn)接觸滾動(dòng)配合機(jī)構(gòu)。撥動(dòng)環(huán)嵌入到移動(dòng)轂的環(huán)形槽內(nèi)，且撥動(dòng)環(huán)與移動(dòng)轂之間增設(shè)有滾珠，在移動(dòng)轂上設(shè)有滾珠槽，滾珠可在滾珠槽內(nèi)自由轉(zhuǎn)動(dòng)；撥動(dòng)環(huán)、滾珠、及移動(dòng)轂之間采用潤(rùn)滑脂潤(rùn)滑，且設(shè)有專用儲(chǔ)存潤(rùn)滑脂通道（見圖3b）。調(diào)繩驅(qū)動(dòng)油缸推拉撥動(dòng)環(huán)后，撥動(dòng)環(huán)通過移動(dòng)轂上環(huán)形槽的兩個(gè)端面將推拉力傳遞給移動(dòng)轂。

潤(rùn)滑脂通道包括壓注油杯位、加注通道、移動(dòng)通道和潤(rùn)滑通道，壓注油杯位設(shè)在滑套的外端側(cè)，壓注油杯位與豎向的加注通道連通，加注通道與橫向的移動(dòng)通道連通，移動(dòng)通道的一端設(shè)有焊接封堵，移動(dòng)通道與豎向的潤(rùn)滑通道連通，潤(rùn)滑通道的一端通至移動(dòng)轂與撥動(dòng)環(huán)之間，潤(rùn)滑通道的另一端通至移動(dòng)轂與固定輪轂之間。

3.2 新型調(diào)繩離合器工作原理

新型調(diào)繩離合器的工作原理與現(xiàn)有調(diào)繩裝置的工作原理類似，日常提升作業(yè)時(shí)，調(diào)繩液壓油缸推動(dòng)撥動(dòng)環(huán)，撥動(dòng)環(huán)通過移動(dòng)轂上環(huán)形槽的右端面將推力傳遞給移動(dòng)轂，從而帶動(dòng)與移動(dòng)轂鉸接的連桿，連桿再帶動(dòng)齒塊在固定輪轂的導(dǎo)向槽內(nèi)上移，進(jìn)而完成齒塊與內(nèi)齒圈的嚙合。提升機(jī)正常工作狀態(tài)下，移動(dòng)轂與撥動(dòng)環(huán)之間就像裝設(shè)了一個(gè)采用潤(rùn)滑脂潤(rùn)滑的雙列滾珠軸承，兩者之間的轉(zhuǎn)動(dòng)更加靈活不卡阻，大大降低其摩擦損傷，從根本上改善了其安全穩(wěn)定性。

調(diào)繩作業(yè)時(shí)，調(diào)繩液壓油缸拉動(dòng)撥動(dòng)環(huán)，撥動(dòng)環(huán)通過移動(dòng)轂上環(huán)形槽的左端面將拉力傳遞給移動(dòng)轂，從而帶動(dòng)與移動(dòng)轂鉸接的連桿，連桿再帶動(dòng)齒塊在固定輪轂的導(dǎo)向槽內(nèi)下移，進(jìn)而完成齒塊與內(nèi)齒圈的脫離，方便鋼絲繩的調(diào)節(jié)。

移動(dòng)轂上鉆設(shè)通道，包括壓住潤(rùn)滑脂的油杯位，然后通過油杯位壓住潤(rùn)滑脂至加注通道，移動(dòng)通道將加注通道來的潤(rùn)滑脂移動(dòng)至潤(rùn)滑通道，然后再輸送至潤(rùn)滑通道的兩端，即移動(dòng)轂與撥動(dòng)環(huán)之間和移動(dòng)轂與固定輪轂之間，加注通道、移動(dòng)通道和潤(rùn)滑通道均為直上直下的機(jī)構(gòu)，以便于在移動(dòng)轂上鉆孔。

3.3 關(guān)鍵參數(shù)分析

新型調(diào)繩離合器中的移動(dòng)轂、撥動(dòng)環(huán)以及固定輪轂三者之間的摩擦因數(shù)是調(diào)繩離合器在提升機(jī)正常工作狀態(tài)下很重要的參數(shù)。移動(dòng)轂、撥動(dòng)環(huán)以及固定輪轂三者摩擦因數(shù)決定了它們之間的摩擦損傷程度，對(duì)調(diào)繩離合器的故障率及安全性產(chǎn)生極其重要影響。

原調(diào)繩離合器的撥動(dòng)環(huán)與移動(dòng)轂之間為滑動(dòng)摩擦，滑動(dòng)摩擦因數(shù)與接觸物體的材料、表面光滑程度、干濕程度、表面溫度、相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度等都有關(guān)系^[5]。因此，原調(diào)繩離合器對(duì)潤(rùn)滑要求極高，對(duì)溫升也極其敏感，一旦潤(rùn)滑不足或局部溫升大，就極易產(chǎn)生嚴(yán)重磨損破壞甚至膠合事故。

筆者所研發(fā)的新型調(diào)繩離合器中的撥動(dòng)環(huán)與移動(dòng)轂之間為滾動(dòng)摩擦。相關(guān)文獻(xiàn)^[6]建立了基于摩擦界面熱力耦合過程的滑動(dòng)摩擦系數(shù)計(jì)算模型，計(jì)算結(jié)果表明：滑動(dòng)摩擦系數(shù)隨相對(duì)滑動(dòng)速度增大而增大；當(dāng)摩擦界面實(shí)際接觸面積與載荷呈線性關(guān)系時(shí)，滑動(dòng)摩擦系數(shù)與接觸面積無關(guān)；當(dāng)實(shí)際接觸面積接近名義接觸面積時(shí)，滑動(dòng)摩擦系數(shù)隨載荷的增加而減小。滾動(dòng)摩擦是物體滾動(dòng)時(shí)其接觸面一直處于變化著，物體所受的摩擦力實(shí)質(zhì)上是靜摩擦力。接觸面軟，形狀變化愈大，則滾動(dòng)摩擦力就愈大。物體之間的滾動(dòng)摩擦力遠(yuǎn)小于滑動(dòng)摩擦力。由此可見，新型調(diào)繩離合器中的撥動(dòng)環(huán)與移動(dòng)轂之間的接觸工況得到了大幅改善，大大降低了兩者間的摩擦磨損。

原調(diào)繩器中撥動(dòng)環(huán)與移動(dòng)轂之間滑動(dòng)摩擦系數(shù)：（鋼-鑄鐵）充分潤(rùn)滑狀態(tài)下為0.05～0.15；原調(diào)繩器中撥動(dòng)環(huán)與移動(dòng)轂之間滾動(dòng)摩擦系數(shù)：（淬火鋼-淬火鋼）有潤(rùn)滑狀態(tài)下為0.001；改進(jìn)前后的滑動(dòng)摩擦力與滾動(dòng)摩擦力之比為：0.05/0.001=50。同等作業(yè)工況下，原調(diào)繩離合器中撥動(dòng)環(huán)與移動(dòng)轂之間接觸磨損是現(xiàn)有的50倍。

3.4 新型調(diào)繩離合器優(yōu)點(diǎn)及現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況

新型調(diào)繩離合器優(yōu)點(diǎn)：將撥動(dòng)環(huán)與移動(dòng)轂之間的轉(zhuǎn)動(dòng)配合方式改進(jìn)為雙列滾珠軸承點(diǎn)接觸滾動(dòng)配合機(jī)構(gòu)，即將原來的滑動(dòng)面摩擦為雙滾動(dòng)摩擦，減少了接觸面積，同時(shí)增加了撥動(dòng)環(huán)與移動(dòng)轂之間的潤(rùn)滑空間，大大降低摩擦磨損程度；設(shè)置了專用的潤(rùn)滑脂儲(chǔ)存及供潤(rùn)滑脂通道，進(jìn)一步改善撥動(dòng)環(huán)與移動(dòng)轂之間的配合條件。從根本上上避免了由于調(diào)繩離合器引起的提升安全事故，大幅減少調(diào)繩離合器的維護(hù)成本和時(shí)間，延長(zhǎng)了其使用壽命。

新型調(diào)繩離合器已在山東省寧陽(yáng)縣某礦的2JK3.0×1.5P雙筒單繩纏繞式提升機(jī)得到應(yīng)用，使用后沒有出現(xiàn)異常響聲及故障發(fā)生，使用效果良好，沒有安全事故隱患。

4結(jié)論

筆者針對(duì)目前雙筒單繩纏繞式提升機(jī)液壓調(diào)繩離合器存在漏油、磨損嚴(yán)重等問題，對(duì)其進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計(jì)，重點(diǎn)對(duì)調(diào)繩離合器中撥動(dòng)環(huán)與移動(dòng)轂之間的轉(zhuǎn)動(dòng)配合方式和潤(rùn)滑方式進(jìn)行了全新設(shè)計(jì)，理論分析和現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用均驗(yàn)證了其合理性。

新型調(diào)繩離合器的改進(jìn)有效降低了其故障率，節(jié)約了維護(hù)成本，提高了提升系統(tǒng)運(yùn)行的安全可靠性。具有良好的推廣應(yīng)用價(jià)值。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] 于勵(lì)民. 礦山固定設(shè)備選型使用手冊(cè)[M]. 煤炭工業(yè)出版社，2007：343-598.

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審稿人：太原科技大學(xué)晉民杰院長(zhǎng)