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技术资料

矿用索道固定抱索器夹紧力与力矩确定

矿用索道固定抱索器夹紧力与力矩确定
 
(1北京昊华能源股份有限公司 大安山煤矿ꎬ北京 102419ꎻ2? 长沙正忠科技发展有限公司ꎬ湖南 长沙 410004)
摘 要:为了得出矿用索道固定抱索器抗滑力和夹紧力定量关系ꎬ确保固定抱索器安全可靠运行ꎬ通
过对固定抱索器进行受力分析ꎬ得出了固定抱索器抗滑力与夹紧力、夹紧力与固定抱索器尾部螺栓力
矩的力学关系ꎬ推导出了抱索器夹紧力的计算公式并给出计算步骤ꎬ提供了不同运行坡度下抱索器下
滑力、夹紧力、紧固扭力扳手的力矩参考值ꎮ
关键词:矿用索道ꎻ固定抱索器ꎻ抗滑力ꎻ夹紧力ꎻ力矩
中图分类号:TD52   文献标志码:A   文章编号:0253-2336(2013)10-0102-03
 
作者简介:程 军(1971—)ꎬ男ꎬ山西运城人ꎬ高级工程师ꎬ现任大安山煤矿副矿长ꎮ 通信作者:写义明ꎬTel:13548982625
引用格式:程 军ꎬ写义明ꎬ王 宇ꎬ等.矿用索道固定抱索器夹紧力与力矩确定[J].煤炭科学技术ꎬ2013ꎬ41(10):102-104ꎬ124.
0 引  言
  固定抱索器是在矿用索道上应用最广的一种抱
索器ꎬ是矿用索道的重要关键部件ꎬ其可靠性是安全
运行的重要指标ꎬ直接影响矿用索道的运行安全ꎮ
抗滑力是固定抱索器的一个重要性能指标ꎬ相关的
国家 标 准 ( GB 21008—2007)、 行 业 标 准 ( MT/ T
873—2000、 MT/ T 1117—2011)、 安 全 标 准 ( AQ
1038—2007)均对其数值严格规定[1-4]ꎬ如 MT/ T
873—2000 规定:抱索器的抗滑力不应小于重车在
最大坡度时下滑力的2 倍[2]ꎮ 合理的抗滑力是确保
矿用索道安全运行的保障ꎬ抗滑力检测是产品出厂
检验和型式检验的必检项目[4]ꎮ 固定抱索器的抗
滑力通过其尾部螺栓的夹紧力提供ꎬ而夹紧力则由
作用在螺栓上的力矩获得ꎬ虽然作用在螺栓上的力
矩越大ꎬ抗滑力越大ꎬ但是过大的力矩ꎬ会使抱索器
对钢丝绳造成严重的损伤ꎬ缩短钢丝绳的寿命ꎬ带来
新的安全隐患ꎮ 经查询ꎬ国内外没有文献对矿用索
道固定抱索器抗滑力和夹紧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 在设计、生产和
使用过程中ꎬ通常是根据经验对该力矩值进行选取ꎬ
这导致固定抱索器的抗滑力大小选取不合理ꎬ带来
了诸多问题和安全隐患ꎮ 研究固定抱索器抗滑力、
夹紧力和力矩的关系ꎬ对提高固定抱索器的运行可
靠性具有重要意义ꎮ
1 固定抱索器夹紧力与抗滑力的关系
  对于固定抱索器夹紧力的计算方法ꎬ矿山乘人程 军等:矿用索道固定抱索器夹紧力与力矩确定
索道标准未有涉及ꎬ在此笔者借鉴客运索道抱索器
的成熟技术ꎬ结合矿用索道固定抱索器的应用实际ꎬ
得出了一系列固定抱索器夹紧力计算公式、步骤和
数据ꎮ 固定抱索器在有倾角的巷道中运行将产生沿
钢丝绳方向的下滑力ꎬ该下滑力主要由吊椅重车总
重力和巷道的最大倾角决定ꎮ 根据矿用索道运送人
员时固定抱索器在巷道中运行的实际情况ꎬ固定抱
索器受力分析如图 1 所示ꎮ
图 1 固定抱索器受力示意
  Q 为吊椅重车总重力ꎬα 为巷道的倾角ꎬF1为 Q
在巷道倾角方向产生的下滑分力ꎮ 上述三者满足以
下关系:
F1= Qsin α
(1)
  根据标准中对抗滑力的规定ꎬ固定抱索器与钢
丝绳产生的抗滑力 F 应满足:
F ≥ 2F1= 2Qsin α
(2)
  固定抱索器与钢丝绳的抗滑力 F 是通过固定
抱索器钳口的夹紧力 P 产生的ꎬ即固定抱索器钳口
夹紧力 P 大小直接决定抗滑力 F 的大小ꎮ 固定抱
索器抗滑力 F 的大小与钳口的夹紧力 P、内外钳口
的形状以及钳口与钢丝绳之间的摩擦因数 μ 有关ꎮ
由于各生产厂商采用的加工工艺不同ꎬ固定抱索器
的钳口形状各异ꎬ实际生产中ꎬ使用最多的是圆弧形
钳口ꎬ如图 2 所示ꎮ
图 2 圆弧形钳口
  根据受力分析ꎬ采用圆弧形钳口的固定抱索器
抗滑力 F 与夹紧力 P 的关系如下:
F = 2μ∑P1= 2Pμ′
(3)
  其中:∑P1为钳口对钢丝绳的压力ꎻμ′为钳口
处的平均粘着系数ꎮ 由于圆弧形钳口各处的摩擦因
数不同ꎬ考虑到计算的方便ꎬ引入钳口处的 μ′ꎬ与摩
擦因数 μ 相区别ꎮ 粘着系数的计算方法如下:
μ′ = 4μsin(γ/2) / (γ + sin γ)
(4)
式中ꎬγ 为圆弧形钳口与钢丝绳接触范围角度ꎮ
  抱索器的 2 个钳口均与牵引钢丝绳接触ꎬ2 个
钳口处的粘着系数略有不同ꎮ 假如设定外钳口处的
粘着系数为 μ′1ꎬ内钳口处的粘着系数为 μ′2ꎬ则整个
抱索器的 μ′值可用下式计算
μ′ = (μ′1+ μ′2) /2
(5)
  根据式(1)—式(5)ꎬ以及 2 倍抗滑力的临界值
可知:
2Pμ′ = F ≥ 2F1= 2Qsin α
(6)
  则可得出夹紧力 P≥F1/ μ′=Qsin α/ μ′ꎮ
  根据 AQ 1038—2007«煤矿用架空乘人装置安
全检验规范»中第 7? 6? 1 条规定ꎬ吊椅重车总重力 Q
按 1 100 N 计算ꎬ可得:
P ≥ 1 100sin α/ μ′
(7)
  由式(6)、式(7)可知ꎬ根据现有标准规定ꎬ在吊
椅重车总重力一定的情况下ꎬ固定抱索器的最小抗
滑力与巷道的倾角成正比ꎬ与抱索器钳口处的粘着
系数成反比ꎮ 因此ꎬ可以得出:①固定抱索器的最小
抗滑力在不同倾角的巷道中不同ꎬ应根据实际巷道
倾角情况ꎬ确定不同的抗滑力ꎻ②固定抱索器的最小
抗滑力与抱索器钳口的形状有关ꎬ在实际使用过程
中ꎬ应根据不同钳口形状ꎬ分析计算其钳口粘着系
数ꎬ以便确定合适的抗滑力ꎮ
图 3 固定抱索器结构示意
2 固定抱索器夹紧力与尾部螺栓力矩关系
  普通固定抱索器和碟簧固定抱索器的结构如图
3 所示ꎮ 在实际工作中ꎬ通过拧紧固定抱索器尾部
螺栓ꎬ使内抱体压紧牵引钢丝绳ꎬ从而获得所需要的
夹紧力ꎮ 从力矩到夹紧力的传递是一个过程ꎬ受到
多种因素的影响ꎮ 力矩扳手处的力矩 Ma为[11]
Ma= Mp+ Mt
(8)
Mp= PDctan(θ ± ρ) /2
(9)
2013 年第 10 期
煤 炭 科 学 技 术
第 41 卷
Mt= Pfdt/3
(10)
tan ρ = f(1 + cos2θtan2β/2) /2
(11)
  其中:Mp为外抱体尾端丝扣处的力矩ꎬN?mꎻ
Mt为顶轴端部的力矩ꎬN?mꎻdt为顶轴直径ꎬmmꎻ
Dc为螺丝中径ꎬmmꎻθ 为螺旋导程角ꎬ(°)ꎻρ 为螺纹
当量摩擦角ꎬ(°)ꎻf 为螺母与螺杆接触表面间的摩
擦因数ꎻβ 为牙型角ꎬ(°)ꎮ 由式(8)—式(11)可得
P = Ma/ [(Dctan(θ ± ρ) /2 + fdt/3)]
(12)
  从式(12)可以看出ꎬ固定抱索器的夹紧力 P 与
力矩扳手处的力矩成正比ꎬ同时还与抱索器尾部螺
栓的参数有密切关系ꎬ如螺丝中径、螺旋导程角、螺
纹当量摩擦角、螺母与螺杆接触表面间的摩擦因数、
牙型角等ꎬ因此可以得出:①固定抱索器尾部螺栓的
力矩直接决定了固定抱索器的夹紧力大小ꎬ实际使
用过程中ꎬ应确保力矩扳手的精度ꎬ并设置合适的调
定值ꎻ②应选择合适参数的尾部螺栓ꎬ确保夹紧力的
大小和稳定性ꎮ
3 固定抱索器夹紧力和力矩的计算实例
  为了更直观说明固定抱索器夹紧力和力矩的关
系ꎬ现以常用钢丝绳直径为 24 mm 的固定抱索器为
例对其夹紧力和力矩进行计算ꎬ并给出不同倾角下
固定抱索器夹紧力和力矩的推荐值ꎮ
3? 1 夹紧力计算
  ø24 mm 固定抱索器钳口如图 4 所示ꎮ
图 4 ø24 mm 固定抱索器钳口示意
  外抱体钳口与钢丝绳的接触角 γ1= 148°ꎬ即
2? 582 radꎻ内抱体钳口与钢丝绳接触角 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
由以上计算得ꎬ整个钳口上的平均粘着系数 μ′ =
(μ′1+μ′2) /2=0? 152 45ꎬ取 μ′=0? 16ꎮ 代入式(6)得
普通刚性抱索器夹紧力 P 为
P ≥ 1 100sin α/ μ′ = 6 875 sin α
(13)
  当选用碟簧式固定抱索器(图 3b)时ꎬ其碟簧产
生的张力应略大于螺栓拧紧时的夹紧力 Pꎬ一般可
乘以 1? 1 的系数ꎬ则碟簧固定抱索器的夹紧力 P′为
P′ ≥ 1? 1P = 7 563 sin α
(14)
  AQ 1038—2007 规定固定抱索器最大适应倾角
不大于 35°ꎬ根据式(13)、式(14)ꎬ不同倾角下固定
抱索器最小夹紧力和最小力矩见表 1ꎮ
表 1 不同倾角下固定抱索器最小夹紧力和最小力矩
巷道倾
角/ (°)
最小夹紧力/ 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:不同直径钢丝绳对应的抱索器钳口所形成的包角会略有出
入ꎮ 要得到准确的数值ꎬ应按钳口实际形状和尺寸计算折合粘着
系数ꎮ
3? 2 力矩计算
  目前矿山乘人索道固定抱索器其紧固最常见的
为 M20 螺栓ꎬ可推知:①普通固定抱索器夹紧力对
应紧固扭力扳手力矩 M≥PR= 6 875Rsin αꎬ其中:R
为力矩扳手的力臂ꎮ ②碟簧固定抱索器的夹紧力对
应紧固扭力扳手的力矩 M′≥P′R=7 563Rsin αꎮ 实
际抱索器使用一段时间后ꎬ钳口的内壁会形成绳纹
槽ꎬ其粘着系数通常会超过计算值ꎬ因 μ 不等同于
μ′ꎬ所以用 μ = 0? 13 直接代入公式计算求出的夹紧
力 P 偏大ꎮ
3? 3 固定抱索器夹紧力和力矩推荐值
  根据以上计算ꎬ单人吊椅的固定抱索器矿山乘
人索道在不同运行坡度下的抱索器下滑力、夹紧力、
力矩推荐值见表 2ꎮ 根据上述方法ꎬ对于特殊双人
乘座吊椅的固定抱索器夹紧力也可参照按上述公式
逐步计算出来ꎬ此处不再论述ꎮ
表 2 单人吊椅固定抱索器下滑力、夹紧力与力矩推荐值
运行坡
度/ (°)
下滑
力/ N
夹紧力/ N
普通
碟簧
推荐力矩/ (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:表中数值含有一定的富裕量ꎬ实际选择时不应超过表中给出
的数值ꎮ
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