气动安全吊梁装置研制及在煤矿中的应用

崔红茹  张广江

(肥城矿业集团梁宝寺煤矿，山东济宁  272400)

   《煤矿安全规程》第三百七十条第四项规定：倾斜巷道在上部平车场接近变坡点处，安设能够阻止未连挂的车辆滑入斜巷的阻车装置。梁宝寺矿以前使用的是挡车棍，正在施工的上下山掘进迎头使用的是手动吊梁装置。挡车棍使用比较方便，但其安装较麻烦，工作量大，为此研制了自动吊梁装置，替代原手动吊梁装置。

1  设计方案

1．1  设计方案的优化确定

    第一方案：电力驱动。工作原理是由电机驱动卷简装置带动吊梁起落。这种方式结构复杂，设备多，且涉及电器防爆问题，成本高。

    第二方案：液压驱动由电机驱动液压泵，经执行元件(油缸)来升降吊梁。采用水压式相对简单，而水压随使用地点的变化而变化，同时也必需增加一种乳化液配比装置。

    第三方案：采用气动方式，气源各掘进迎头均设有。

    通过比较选择气动式系统。气动具有的特点：(1)压缩空气便于远距离输送。(2)工作压力低，结构简单，成本低。(3)气动动作迅速，适用于一般控制。(4)气动维修简单，介质清、管道不易堵塞。(5)在井下使用安全可靠。

1．2         工作原理(图1)

    其工作过程为：打开风源截止阀1，操纵手动换向阀3，压风经管路进入汽缸5的工作腔，使活塞杆伸出，活塞杆带动钢丝绳经动滑轮组件带动吊梁升起；矿车通过后，操纵换向阀2，汽缸工作腔与外界沟通卸压，吊梁在自重作用下回落至安全闭锁位置。

1．3结构组成

    (1)气缸。(2)控制元件。由方向控执阀、截止阀、单向阀和管路元件组成。(3)附件。由滑轮组、固定装置及Φ6mm钢丝绳组成。(4)吊梁。

2  设计参数计算

2．1  有关参数的确定   

    (1)吊梁重量G和长度L：吊梁用11#矿工字钢制作，其长度为巷道高度的1.3～1.4倍，根据架棚巷道锚网巷道的高度为2～2.4m，故吊梁长度为3．Om左右，11#工字钢单位重量为26kg/m，吊梁重量G=26×3=78kg，按G=80kg计算。

    (2)动力源：风压p=O.5MPa=5kg/cm²

    进风管Φ=25.4mm

    (3)吊梁升降速度：根据实际情况和经验数据，要求运动速度在O.3～O.5m／s范围内。

2．2  气缸的主要零部件设计

    (1)气缸作用力和缸径的确定

    气缸作用载荷按整体吊起吊梁来确定(实际上工作载荷小于吊梁重量)

    因为

    所以

式中：—活塞杆的推力，kg

    —气缸工作时的总阻力,kg；

    一气缸内径，cm；

    —活塞杆直径，cm；

    一气缸工作压力，kg／cm)。

    总阻力T包括惯性阻力、背压阻力以及活塞及活塞杆的摩擦力等在内。

式中：m一运动部件质量；

    一加速度；

    ＇一运动时背压；

    -摩擦力。

    根据气动设计标准的说明：总阻力在一般情况下，υ在0.5m／s以内，可取为气缸理论作用力的15％～50％。

    所以

    气缸最大作用力

  根据GB2822-81标准尺寸的要求，R20优选数值，结合单位实际选取缸径D=56mm。

    (2)气缸筒

    ①缸筒材料：结合实际选取铝合金LYl2。

    σ0.2=2900kg/cm²(查手册知)。

    ②由材料力学知，圆筒薄壁容器受压时，沿纵向破裂的危险大于沿横向截面的危险，即纵向截面为危险截面。

    气缸筒壁计算出来很薄，一般多从工艺考虑予以加厚，按标准优化，选取δ=4.5，故气缸外径Φ=65mm。

    ③气缸活塞行程：按GB2349-80活塞行程系列，结合吊梁起升高度，进行优选为900mm。

    (3)气缸盖

    ①材料：选用A3圆钢制作，查手册知[σ]=1700kg／cm²

    ②缸盖与缸筒连接采用缸筒螺纹式连接方式。

    ③缸底厚度，按材料力学的四周嵌圆盘的强度公式计算。结合缸底需连接气嘴，确定为δ=15mm。

    ④缸筒与气缸端盖螺纹连接处强度计算(略)

    (4)活塞与活塞杆

    活塞与活塞杆采用螺母固定，并设计有防松零件。

    活塞密封采用Y型皮碗结构的密封形式。

    活塞杆直径

    根据计算，并结合实际，确定活塞杆为Φ=36mm。

    (5)气缸进、(排)气口大小的计算

    根据设计要求，确定活塞最大平均速度υm=0．5m／s，每循环工作时间T=2.0／0.5=4(s)，有运动力学公式知：

    Q₂=0.23υm(2D²一d²)(p+1)×10^-5 =0.5(m³／min)

    根据(手册)，由Q₂、P查手册知d_i=3.6(mm)。

2．3  控制系统及元件的分析确定

    本装置采用单作用气缸速度控制回路。控制原理是通过安装两个相反可调单向节流阀。能分别控制活塞杆的伸缩速度，达到提升均匀稳定、回落快速的要求。

    控制元件，主阀采用23JR6型二位二通截止式手动换向阀，单向阀采用LA—L6型单向阀。

2．4  气缸的固定与安装

    (1)滑轮组的设计

    采用动滑轮组的原理：吊梁起落高度达到2.2～2.4m时，千斤顶工作行程较大，而设计气缸行程仅有O.9m，可从以下几方面解决气缸行程不足的问题。增加动滑轮组，使其牵引钢丝绳的工作行程增加到原来的2倍，解决的办法是从气缸活塞杆前端固定一个动滑轮，气缸后端处固定一个定滑轮，并与固定气缸的卡箍焊接成一体。

(2)气缸的安装方式

    该装置结合井下架棚和锚杆巷道两种支护方式，设计了两种安装固定方式。第一种采用螺纹式卡箍与锚网巷道的M14、M16、M22等强锚杆配合固定，适用于锚网巷道。

    第二种采用U型卡板的方式，适用于架棚巷道。

(3)工作位置示意图(图2)

3  结论

    气动安全吊梁装置经过井下试验，具有安全可靠、操作使用方便、工效较高、性能稳定等特点。

    该装置重量轻，安装和维护方便，各配件标准化、通用性强，可用于各种支护方式的巷道，如架棚、锚网、锚喷等。