雙筒提升機液壓調(diào)繩離合器的改進

雙筒提升機液壓調(diào)繩離合器改進

朱有良¹，牛國強¹，蘇文州¹，寇保福²

¹鶴壁萬豐礦山機械制造有限公司 河南鶴壁 456761

²太原科技大學機械工程學院 山西太原 030024

摘要：液壓調(diào)繩離合器的安全可靠運行是雙筒提升機工作的重要保障。由于液壓調(diào)繩離合器中撥動環(huán)與移動轂之間的轉(zhuǎn)動配合及潤滑方式不合理，時常引起油液泄漏并甩至制動盤上，影響制動效果；環(huán)境惡劣或潤滑不充分時，局部易干枯發(fā)生膠合事故。針對以上問題筆者將撥動環(huán)與移動轂之間的滑動面摩擦轉(zhuǎn)動配合方式為改進雙滾珠滾動摩擦，減少了接觸摩擦面積，且增加了撥動環(huán)與移動轂之間的潤滑空間，大大降低了摩擦磨損程度；同時設(shè)置了專用的潤滑脂儲存及輸送通道，進一步改善了其工作條件。理論分析及現(xiàn)場應用均表明：該液壓調(diào)繩離合器的改進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)繩離合器的維護成本和時間。

關(guān)鍵詞：調(diào)繩離合器；撥動環(huán)；移動轂；潤滑模式；轉(zhuǎn)動接觸摩擦

中圖分類號：TD444    文獻標志碼：A    文章編號：

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

基金項目：山西省重點研發(fā)計劃指南項目國際合作專項(201803D421041)；山西省應用基礎(chǔ)研究項目(201701D121071)

作者簡介：朱有良，男，1966年6月出生、本科，工程師，主要從事礦山提升機機械設(shè)計和研發(fā)工作。

雙筒提升機主軸裝置工作時經(jīng)常需要調(diào)繩，尤其是用于多水平提升作業(yè)時，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構(gòu)，其結(jié)構(gòu)合理性及運行安全可靠性直接關(guān)系到整機提升作業(yè)任務的完成和工作效率的高低^[2]。

常用的雙筒調(diào)繩離合機構(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)繩離合機構(gòu)操作繁瑣，作業(yè)人員勞動強度大；蝸輪蝸桿式調(diào)繩離合機構(gòu)調(diào)整耗工費時，且由于結(jié)構(gòu)不對稱易造成主軸裝置旋轉(zhuǎn)時產(chǎn)生不平衡力矩；軸向齒輪式調(diào)繩離合機構(gòu)的調(diào)繩液壓缸除完成離合動作外還負責傳遞力矩，使用一段時間后其缸體擠壓變形，從而導致漏油嚴重，泄露的油液極易流到制動盤上，影響制動效果^[4]；徑向齒輪式調(diào)繩離合機構(gòu)對齒方便，調(diào)繩更加快速、可靠、且易于實現(xiàn)自動化控制；因此，徑向齒輪式調(diào)繩離合機構(gòu)是目前雙筒提升機上較為先進的調(diào)繩離合器。

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

筆者針對以上問題，通過現(xiàn)場調(diào)研，提出了一種新型的徑向調(diào)繩離合機構(gòu)，從根本上解決了調(diào)繩離合機構(gòu)中撥動環(huán)與移動轂之間磨損膠合或稀有潤滑甩出等難題。

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調(diào)節(jié)鋼絲繩長度的重要機構(gòu)，安裝布置于游動卷筒的左側(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, 提升時與主軸一起轉(zhuǎn)動；而游動卷筒與主軸之間為間隙配合，游動卷筒與主軸一起轉(zhuǎn)動的動力源自于調(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。提升機運行過程中, 當提升容器無法到達指定裝卸位置或提升鋼絲繩產(chǎn)生彈塑性伸長時，會嚴重影響物料或人員的準確到位, 這時需通過調(diào)繩離合器將游動卷筒與主軸分離, 從而調(diào)節(jié)鋼絲繩的長度、更換提升位置或更換鋼絲繩。

1.調(diào)繩離合器 2.游動卷筒 3.固定卷筒 4.支輪 5.主軸

圖1 雙筒礦井提升機的主軸裝置

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50 mm。該裝置由齒塊，內(nèi)齒圈等工作機構(gòu)，油缸，移動轂等驅(qū)動機構(gòu)，操作聯(lián)鎖等控制機構(gòu)三部分組成。如圖2所示。此外，內(nèi)齒圈與游動卷筒的腹板通過高強螺栓剛性連接。

1.驅(qū)動油缸 2.移動轂 3.開關(guān)4.撥動環(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，固定在左端軸承座上的驅(qū)動油缸推動移動輪轂沿主軸在固定輪轂滑動，從而帶動連桿，并使齒塊沿固定輪轂的垂直方向滑槽滑動，使齒塊與內(nèi)齒圈嚙合，如圖中處于a的工作狀態(tài)。此時，動力從主軸傳遞至外齒圈，再到齒塊上，通過兩側(cè)滑槽傳遞到活動滾筒上。主軸帶動滾筒一起轉(zhuǎn)動，完成提升或下放任務。（2）調(diào)節(jié)繩長時，制動器先鎖緊卷筒制動盤，驅(qū)動油缸拉動移動輪轂沿主軸在固定輪轂滑動，從而帶動連桿，使齒塊與內(nèi)齒圈分離，如圖中處于b的工作狀態(tài)。即可進行調(diào)繩操作。

2 存在問題及分析

2.1 潤滑方式帶來的問題分析

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

2.2 轉(zhuǎn)動配合方式帶來的問題分析

提升機運行時，撥動環(huán)與移動轂之間始終處于完全滑動摩擦副的轉(zhuǎn)動，一旦出現(xiàn)潤滑不及時，就會導致兩者之間的嚴重磨損；環(huán)境惡劣時，撥動環(huán)與移動轂之間局部易出現(xiàn)缺油干枯，會發(fā)生膠合現(xiàn)象，進而會造成撥動環(huán)與移動轂之間轉(zhuǎn)動不順暢甚至出現(xiàn)不同程度的卡阻情況，極端情況下將會導致調(diào)繩離合機構(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)繩離合器改進方案

針對液壓調(diào)繩裝置機構(gòu)所存在的問題，筆者提出了一種新型的調(diào)繩離合機構(gòu)，將液壓調(diào)繩裝置的撥動環(huán)與移動轂之間的轉(zhuǎn)動配合改進為滾珠軸承點接觸滾動配合結(jié)構(gòu)，以減少兩者之間的摩擦力；采用潤滑脂潤滑并輔以儲油通道，從根本上解決因漏油引起的制動效果差、以及避免兩者之間的轉(zhuǎn)動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)計的新型雙筒提升機液壓調(diào)繩器如圖3所示。

a）

b)

1.軸承座 2.主軸 3.固定輪轂 4.移動轂 5.滾珠 6.撥動環(huán)

7.連桿 8.齒塊 9.內(nèi)齒圈 10.游動卷筒 11.壓注油杯位

12.加注通道13.移動通道 14.潤滑通道 15.潤滑管 16.套筒

圖3 新型雙筒提升機液壓調(diào)繩器

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

固定輪轂與移動轂之間的滑動動作較少，僅在需要調(diào)繩的情況下進行此滑動動作，潤滑方式采用具有儲油通道的潤滑脂潤滑，其潤滑脂儲存及供脂通道如圖3b所示。

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

潤滑脂通道包括壓注油杯位、加注通道、移動通道和潤滑通道，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通道連通，移動通道的一端設(shè)有焊接封堵，移動通道與豎向的潤滑通道連通，潤滑通道的一端通至移動轂與撥動環(huán)之間，潤滑通道的另一端通至移動轂與固定輪轂之間。

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，調(diào)繩液壓油缸推動撥動環(huán)，撥動環(huán)通過移動轂上環(huán)形槽的右端面將推力傳遞給移動轂，從而帶動與移動轂鉸接的連桿，連桿再帶動齒塊在固定輪轂的導向槽內(nèi)上移，進而完成齒塊與內(nèi)齒圈的嚙合。提升機正常工作狀態(tài)下，移動轂與撥動環(huán)之間就像裝設(shè)了一個采用潤滑脂潤滑的雙列滾珠軸承，兩者之間的轉(zhuǎn)動更加靈活不卡阻，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，調(diào)繩液壓油缸拉動撥動環(huán)，撥動環(huán)通過移動轂上環(huán)形槽的左端面將拉力傳遞給移動轂，從而帶動與移動轂鉸接的連桿，連桿再帶動齒塊在固定輪轂的導向槽內(nèi)下移，進而完成齒塊與內(nèi)齒圈的脫離，方便鋼絲繩的調(diào)節(jié)。

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

3.3 關(guān)鍵參數(shù)分析

新型調(diào)繩離合器中的移動轂、撥動環(huán)以及固定輪轂三者之間的摩擦因數(shù)是調(diào)繩離合器在提升機正常工作狀態(tài)下很重要的參數(shù)。移動轂、撥動環(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)繩離合器的撥動環(huán)與移動轂之間為滑動摩擦，滑動摩擦因數(shù)與接觸物體的材料、表面光滑程度、干濕程度、表面溫度、相對運動速度等都有關(guān)系^[5]。因此，原調(diào)繩離合器對潤滑要求極高，對溫升也極其敏感，一旦潤滑不足或局部溫升大，就極易產(chǎn)生嚴重磨損破壞甚至膠合事故。

筆者所研發(fā)的新型調(diào)繩離合器中的撥動環(huán)與移動轂之間為滾動摩擦。相關(guān)文獻^[6]建立了基于摩擦界面熱力耦合過程的滑動摩擦系數(shù)計算模型，計算結(jié)果表明：滑動摩擦系數(shù)隨相對滑動速度增大而增大；當摩擦界面實際接觸面積與載荷呈線性關(guān)系時，滑動摩擦系數(shù)與接觸面積無關(guān)；當實際接觸面積接近名義接觸面積時，滑動摩擦系數(shù)隨載荷的增加而減小。滾動摩擦是物體滾動時其接觸面一直處于變化著，物體所受的摩擦力實質(zhì)上是靜摩擦力。接觸面軟，形狀變化愈大，則滾動摩擦力就愈大。物體之間的滾動摩擦力遠小于滑動摩擦力。由此可見，新型調(diào)繩離合器中的撥動環(huán)與移動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)繩器中撥動環(huán)與移動轂之間滑動摩擦系數(shù)：（鋼-鑄鐵）充分潤滑狀態(tài)下為0.05～0.15；原調(diào)繩器中撥動環(huán)與移動轂之間滾動摩擦系數(shù)：（淬火鋼-淬火鋼）有潤滑狀態(tài)下為0.001；改進前后的滑動摩擦力與滾動摩擦力之比為：0.05/0.001=50。同等作業(yè)工況下，原調(diào)繩離合器中撥動環(huán)與移動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)點及現(xiàn)場應用情況

新型調(diào)繩離合器優(yōu)點：將撥動環(huán)與移動轂之間的轉(zhuǎn)動配合方式改進為雙列滾珠軸承點接觸滾動配合機構(gòu)，即將原來的滑動面摩擦為雙滾動摩擦，減少了接觸面積，同時增加了撥動環(huán)與移動轂之間的潤滑空間，大大降低摩擦磨損程度；設(shè)置了專用的潤滑脂儲存及供潤滑脂通道，進一步改善撥動環(huán)與移動轂之間的配合條件。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)繩離合器的維護成本和時間，延長了其使用壽命。

新型調(diào)繩離合器已在山東省寧陽縣某礦的2JK3.0×1.5P雙筒單繩纏繞式提升機得到應用，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

筆者針對目前雙筒單繩纏繞式提升機液壓調(diào)繩離合器存在漏油、磨損嚴重等問題，對其進行了改進設(shè)計，重點對調(diào)繩離合器中撥動環(huán)與移動轂之間的轉(zhuǎn)動配合方式和潤滑方式進行了全新設(shè)計，理論分析和現(xiàn)場應用均驗證了其合理性。

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

參 考 文 獻

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

[2] 郭學功,吳 君. 礦井纏繞式雙筒提升機調(diào)繩系統(tǒng)存在的問題及應對措施[J]. 煤礦機械，2014，35(1)：176-177.

[3] 張益民,牛振華. 一種新型提升機用多齒塊徑向調(diào)繩離合器的設(shè)計[J]. 礦山機械，2010，38(05)：53-55.

[4] 梁應昌，趙少普，宋東坡. 提升機調(diào)繩裝置的改進設(shè)計及應用[J]. 河北煤炭，2002，(04)：42-43.

[5] 胡冰琳. 測動摩擦因數(shù)的方法[J]. 課程教育研究，2015，(19)：154-155.

[6]龔中良,黃平. 基于熱力耦合的滑動摩擦系數(shù)模型與計算分析[J]. 華南理工大學學報(自然科學版)，2008，(04)：10-13.

審稿人：太原科技大學晉民杰院長