一种液压驱动的新型自动罐笼门设计.pdf

设计与制造 2 0 1 5 年 第4 期 第2 8 卷 ， 总 第1 3 8 期 机械研究与应用 一 种液压驱 动的新型 自动罐 笼 门设计 陈 竞 河南工业和信息化职业学院 ， 河 南 焦作4 5 4 0 0 0 摘要 为了提高煤矿生产安全、 实现煤矿高产高效、 改善工人劳动条件 ， 综合现有罐笼 门存在的问题研究了一种能 有效利用罐笼空间、 运行平稳、 开闭迅速、 安全可靠、 维修简便的新型 自动罐笼门。通过对罐笼门横杆受力进行有限元 分析 ， 横杆 的刚度 和强度均满足受 力要 求， 在 阻车 器失灵 时能承 受满载矿车对其的重 大撞击 ， 满足使 用需要。 关键词 矿井提升 系统； 自动罐笼门； 液压驱动式； 优化设计 中图分类号 T D 5 3 1 文献标志码 A 文章编号 1 0 0 7 - 4 41 4 2 0 1 5 0 4 - 0 1 6 8 - 0 4 De s i g n o f a Ne w Ty p e o f Hy dr a u l i c -Po we r e d Au t o m a t i c Ca g e Do o r C HEN J i n g H e n a n C o l l e g e o fI n d u s t r yI n f o r m a t i o n T e c h n i c a l S c h o o l ， J i a o z u o H e n a n 4 5 4 0 0 0 ， C h i n a Ab s t r a c t I n o r d e r t o i mp r o v e t h e c o a l mi n e s a f e t y p r o d u c t i o n，a c h i e v e h i【g h y i e l d a n d h i g h e ffi c i e n c y，i mp r o v e t h e w o r k i n g c o n d i t i o n s o f w o r k e r s ，t h e e x i s t i n g p r o b l e ms o f t h e c a g e d o o r a r e c o mp o s i t e d ，a n d a n e w t y p e o f a u t o ma t i c c a g e d o o r wh i c h i s s p a c e s a v i n g，s t a b l e o p e r a t i o n，r a p i d o pe n i n g a n d c l o s i n g ，s a f e a n d r e l i a b l e ，c o n v e n i e n t r e p a i rin g i s d e s i g n e d i n t h i s p a p e r ． T h r o u g h t h e f i n i t e e l e me n t a n a l y s i s o n t h e b a r s t r e s s o f c a g e d o o r ， t h e b a r s t i f f n e s s a n d s t r e n g t h c o u l d me e t t h e r e q u i r e me n t s o f s t r e s s a n d w i t h s t a n d t h e f u l l i m p a c t o f t h e m a j o r mi n e c a r i n t h e e ar a r r e s t e r ma l f u n c t i o n ． Ke y wo r d s mi n e h o i s t i n g s y s t e m ；a u t o ma t i c c a g e d o o r ；h y d r a u l i c d ri v e ；o p t i mi z a t i o n d e s i g n 0 引 言 在矿山立 井提升 系统 中 J ， 罐笼作 为一种多用 途的提升容器 ， 是煤矿专用设备 中的主要运输设备。 目前多数矿井都 已经或开始采用气控或液控方式 ， 基 本上实现了井 口和井底运输系统的 自动化操作 ， 只有 罐笼门的启闭这一重要环节仍采用传统的手动方式 ， 使 自动化程度受到很大影响 ， 与现代化矿井生产不相 适应 ， 是煤矿现代化生产环节的一个落后死角。因 此 ， 研究一种能有效利用罐笼空间、 运行平稳 、 开闭迅 速 、 安全可靠 、 维修简便的新型 自动罐笼门， 对于提高 煤矿生产安全 、 实现煤矿高产高效 、 改善工人劳动条 件具有重要意义。 1 罐 笼 门结构优化设计 罐笼在井筒 内做长距离 上下往 复运 动 ， 罐笼 门在罐笼内， 目前罐笼门的动力源多为置于罐笼顶部 的弹性元件或蓄电池 ， 但这种方式无法实现罐笼门的 远程集中控制。因此 ， 将动力源与罐笼分离 ， 应用 固 定在井 口和井底的固定动力源来控制罐笼 门的开合 ， 将能够有效地解决罐笼 门的远程集 中控制难题。 新型 自动罐笼 门采用上下滑动式罐笼 门， 如 图 1 所示。它由钢丝绳 串接横杆 而成 ， 链条固定横杆间距 为 2 0 0 m m， 罐笼门总高为 1 2 0 0 m l T I ， 其下部边缘距 罐笼底板 2 0 0 I n m， 上部边缘距罐体底板 1 4 0 0 I T I IT I ， 满足煤矿安全技术要求 。 罐笼门口两侧竖直 固定两根 4 , 2 0 n l m 的圆钢作 为滑杆 ， 采用规格 4, 3 0 ml n 、 壁厚 2 ． 5 m m的不锈钢钢 管 ， 钢管两端焊 接 u形 滑环 ， 套 在滑杆 上与滑 杆配 合 ， 钢管由钢丝绳 串接而成 ， 并用链条固定横杆间距 ， 其 中罐笼门下部横杆使用圆钢， 以达到配重 目的。 图 l 本研究罐笼门结构示意图 1 ． 横杆2 ． 链条3 ． 滑环4 ． 滑杆5 ． 钢 丝绳 设定滑杆 中心距为 1 0 5 0 m m， 则横杆总长度为 1 1 2 0 m m， 其中滑环长度为 7 0 m lT l ， 厚度 1 0 mm； 在横杆 上打两个 4 , 1 5 mm、 中心距为 6 5 0 I T I I ／ i 的孑 L ， 以便 于钢 丝绳对其进行 串接。 根据横杆的工作条件和载荷特点 ， 选用 4 5 钢为 收稿 日期 2 o 1 5 0 4 1 2 作者简介 陈竞 1 9 8 4一 ， 女 ， 河南偃师人 ， 硕士研究生 ， 助教 ， 研 究方向 机电一体化。 1 6 8 ‘ 劢 。 2 0 5 锑 4 期f 第2 8 卷 ， 总 第 3 8 期 设计与 制 造 材料， 其密度为 7 ． 8 x 1 0 k g ／ m m 。 在 P r o ／ E中建立横杆 的实体 模型 ， 经分析计算 得 空心横杆的质量 m窄 J D 1 ． 3 0 8 k g 空心横杆的质量 m实 p 5 ． 6 1 6 k g 链条的总重量 m 锛 2 ． 7 k g 根据工作需要和 煤矿安全规程 对罐笼门的要 求， 本罐笼门设置5根空心横杆和两根实心横杆， 实 心横杆位于罐笼门最下部， 各横杆之间间距为 1 7 0 mm， 罐笼 门下部 距底板 1 8 5 m m， 上部距底 板 1 4 1 5 m m， 罐笼门总高为 1 2 3 0 m m， 各项尺寸均满足设计 要求 。 此时罐笼门的质量为 m帘 5 m空 2 m实 m链 2 0 ． 4 7 2 k g 1 其重力为 G 帘 m窭g 2 0 ． 9 4 5 k g x 9 ． 8 N ／ m 2 0 1 N 2 设定 罐笼 门全部 打 开 时最 下 端距 底 板 2 0 0 0 m m， 则其行程 z 帘1 8 0 0 m m， 全部打开时间为 升 1 0 s ， 因此 ， 罐笼 门上升速度为 升 Z 帘 ／ t 升1 8 0 0 m m 1 0 s 0 ． 1 8 m／ s 3 此种罐笼门钢管重量轻， 不 占用罐笼内有效空 间 ， 且 U形滑环在横杆 因拥挤而变 形时不会卡在滑 杆上而影响罐笼的正常使用。 2 动力源选用及其执行机构优化设计 2 ． 1 自动罐笼门驱动装置优选 结合实际工作环境 ， 选择液压驱动的方式作为动 力源 。液压传动与机械传动 、 电气传动相 比， 具有 以 下优点 。 1 液压传动的各种元件 ， 可以根据需要方便 、 灵活地来布置 。 2 重量轻 、 体积小 、 运动惯性小 、 反应速度快 。 3 操纵 控制方便 ， 可实现 大范 围的无 级调速 调速范围达 2 0 0 0 1 。 4 可 自动实现过载保护。 5 一般采用矿物油作为工作介质 ， 相对运动面 可自行润滑， 使用寿命长。 6 很容易实现直线运动 。 7 很容易实现机器的 自动化 ， 当采用电液联合 控制后 ， 不仅可实现更高程 度的 自动控制过程 ， 而且 可以实现遥控 。 2 ． 2 自动罐笼门执行机构优选 根据 自 动罐笼门执行机构传动效率高 ] 、 运行 平稳可靠 、 尽量不需人工操作等工作要求 ， 笔者选用 滑块牵拉传动式动力执行机构如图 2所示 ， 以液压缸 为驱动源 ， 当罐笼到达指定停车位置 ， 需要进 出人员或 物料时 ， 液压缸活塞杆推出， 压块沿井架上的导轨压制 滑块沿罐笼侧面的导轨向下移动， 钢丝绳牵拉外部滚 筒转动， 从而使传动轴带动罐笼内部滚筒缠绕罐笼门 钢丝绳 ， 打开罐笼 门； 需要关 闭罐笼门时 ， 液压拉杆收 回， 压块稳定 向上移动 ， 滑块被放松 ， 罐笼门利用 自重 以压块上升的速度下降， 从而实现罐笼门的自 动闭合。 图 2 滑块牵拉传动式罐笼门 1 ． 导轨2 ． 弯曲导轨3 ． 井架4 ． 滑块5 ． 压块6 ． 液压缸 7 、 9 ． 滚筒8 ． 轴承座1 O ． 传动轴1 】 ． 罐笼门 此种执行机构结构简单 ， 对罐笼位置有误差补偿 功能 ， 运行平稳 ， 传动效率高 ， 能将动力可靠地传递到 罐笼， 配合已选定的液压动力源， 便于实现罐笼门开 闭的自动化 。 3 罐笼门横杆受力分析 3 ． 1 MG1 ． 1 6 A矿车的技术特征及其受力分析 本罐 笼 使 用 的矿 车 为 MG I ．1 6 A 固定 式 矿 车_ 5 J ， 其技术特征如表 1 所列。它主要用于煤矿井下 大巷道运输 ， 中小斜井筒 ， 小斜井顺槽 和矿井地面运 输 。固定式系列矿车具有结构简单 、 坚 固耐用 、 承载 能力大 、 维修方便等特点 ， 矿车卸载时用 翻车机将整 个车体翻转 。 表 1 MG 1 ． 1 - 6 A矿车技术特征 矿车满载时总重力 G M总g 1 0 0 0 5 9 2 x 9 ． 8 1 5 6 0 1 ． 6 N 4 煤矿安全规程 规定 6 ] 提升容器的罐耳在安 装时与罐道之间所留的间隙 使用滑动罐耳的刚性罐 道每侧不得超过 5 m m， 木罐道每侧不得超过 1 0 m m； 钢丝绳道的罐耳滑套直径与钢丝绳直径之差不得大 于 5 m m； 采用滚轮罐耳 的组合钢罐道 的辅助滑动罐 耳 ， 每侧间隙应保持 l 0～1 5 mm。 1 t 单绳普通罐笼 长度方 向罐 耳的 中心 距 Z 1 ．】 69 设计与制造 2 0 1 5 年 第4 期 第2 8 卷， 总 第1 3 8 期 机械研究与应用 8 8 0 mm ， 由煤矿安全规程知罐耳 与钢丝绳 直径差 为 5 mm， 为研究罐笼在运行过程中的倾斜角度 ， 在此 将钢丝绳简化为一根轴线 ， 则罐笼在运行过程 中摆动 最大时罐笼与钢丝绳的位置关系见图 3 分析得 一 l 0 ． 9 9 7C O S 5 l 一 5 丽 ‘ 3 a r c c o s 0 ． 9 9 7 4 ． 1 7 4 。 6 矿车在轨道上滑动 ， 忽略矿车与轨道之间的摩擦 力 ， 所以矿车在罐笼摇摆角度最大， 阻车器失灵 的情 况下撞向罐笼门的力见图 4 一 F G s i n 0 1 5 6 ． 1 0 6 x s i n 4 ． 1 7 4 。 1 1 3 5 N 7 矿车 图 3 罐笼最大倾角 图4 矿车受力分析图 3 ． 2力学模型建立 因为在制动过程中 ， 矿车对罐笼 门产生巨大的碰 撞力 ， 而且碰撞力随时间剧烈变化 ， 用传统 的方法难 以描述其特征。通常假定碰撞力为常数 ， 将动态过程 简化为静态过程。笔者应用仿真软件 A B A Q U S对矿 车与罐笼门的碰撞过程进行静态模拟 ， 以揭示矿车与 罐笼门的碰撞 时横杆的受力及变形情况 ， 为 自动罐笼 门的设计提供参考。 根据矿车基本参数和罐笼 门横杆布置情况 ， 得出 矿车在滑动时仅对罐笼门下部的 5根横杆产生碰撞 ， 其 中包括三根空心横杆和两根配重横杆 ， 撞击时矿车 与罐笼门的接触宽度 即矿车宽度 ， 8 8 0 m m。 矿车对罐笼门的碰撞可以简化为质点对等截面 简支梁 的横 向碰撞 。在碰撞过程 中罐笼 门横杆 的中 心轴在同一平面内， 而且碰撞力也在这个平 面内， 罐 笼门在这个平面内作横 向振动 ， 横杆的主要变形是弯 曲变形。为了简化模型， 将此过程中矿车对罐笼门的 压力均布到五根横杆上 ， 分别对空心横杆和配重横杆 进行分析 。 作用在横杆上的力为 F， F 1 1 3 5 5 2 2 7 N 8 、 横杆 中间截面的面积为 S 8 8 0 3 0 2 6 4 0 0 mm 0 ． 0 2 6 4 m 9 则矿车对单根横杆 的压强为 P 8 5 9 8 P a 0 0 0 8 5 9 8 MP a 1 O 1 7 0 ． 3 ． 3结果 分析 根据上述建立的力学模型建立 A B A Q U S仿真模 型。将如表2 所列的仿真参数代人已经建立的仿真 模型进行仿真。 表 2 钢 的性能参数 1 将压强 P均布施加在空心横杆的中间截面 上 ， 滑环在 轴的转动 自由度不受 限制。加载情况如 图5所示 。经 A B A Q U S软件 的仿 真分 析 ， 得 出空心 横杆 的应力分布图 图 6 、 7 。由图 6和 7知 ， 空心横 杆在滑 环 与 钢管 焊 接 处应 力 值 最 大， 3 1 ． 5 3 MP a ， 远小于 4 5钢 的屈服强度。空心横 杆的最大变 形部位为横杆中间部分 ， 最大变形量为 0 ． 7 8 2 9 mm， 如 图 8所示 。 图5 空心横杆受载图 图 6 空心横杆应力分量图 图7 空心横杆焊接处应力分量 、- ～ 一～ 图 8 空心横杆受载变形图 2 将压强 P均布施加在配重横杆的中间截面 上 ， 滑环在 z 轴的转动 自由度不受 限制。加载情况如 图 9所示 。经 A B A Q U S软件 的仿 真分析 ， 得 出配重 横杆 的应力分布图 图 1 0 。由图 1 0可知 ， 配重横杆 机械 研究 与应用 2 0 1 5 年 第4 期 第2 8 卷， 总 第1 3 8 期 设计与制造 在滑环与钢管焊接 处应力值最 大， 2 6 ． 6 7 MP a ， 远小于 4 5钢的屈服强度 。 图9 配重横杆受载图 图 1 O 配重横杆应力分量 图 空心横杆的最大变形部位为横杆 中间部分 ， 最大 变形量为 0 ． 4 6 1 1 mm如 图 1 1所示 。 图 1 1 配重横杆受载变形图 上接 第 1 6 7页 6 检测结果 搭建上述算法 和原理 的 S i mu l i n k模 型 ， 并测 得到波形如图 7 。 搭建 A P F C与 S P M 的串联逆变硬件电路用示 波 器实测 A相电压电流波形 ， 如图 8 。 脚提 示 按 功 能 键 选 择 信 号 和 查 看 波 形 ． ． 圆 薹 、 ／ 、 ～ 圈 圄 6 鞠 入 信号 l a ire s 2 1 2 F 5 0 O 0 1 一 2 6 1 6 0 1 2 m e ／ 格 { ● - - I 碴 曼 遘 竖 八 ． ／ 、 八 ／ ＼ √八 ．／ 、 牾 孤 l ■ r J；爵 道切换 一 6 0 1 2 3 4 5 6 7 B 9 1 b I返回 2 O L O - O 6 - O 4 1 3 4 5 2 1 f 鬣翮 羼采集l l 保持l 图 8 实测波形 4 结语 由仿真分析结果可知， 罐笼门各横杆均满足受力 要求 ， 在阻车器失灵时能承受满载矿车对其的重大撞 击 ， 满足设计要求 。 参考文献 刘伟． 上摆折叠式矿井安全 门开启状态 防 自落方法 研究 [ J ] ． 煤矿 机械 ， 2 0 1 3， 3 4 1 2 0 1 - 2 0 2 ． 刘伟， 岳修科． 矿井乘人罐笼新型电动罐帘门[ J ] ． 煤矿机械， 2 0 0 7， 2 8 2 1 1 9 1 2 0 ． 金武飞， 曹云翔， 王海波， 等． 基于 P L C的平开式自动矿井安全 门的设计 [ J ] ． 制造业 自动化 ， 2 0 1 1 ， 3 3 1 0 1 2 7 1 2 8 ． 山西 焦 煤 集 团 有 限 责 任 公 司．罐 笼 自动 启 闭 装 置 中 国 ， 0 2 2 5 6 1 9 5 ． 1 [ P ] ． 2 0 1 3 ． 山东金 岭铁 矿． 矿 井罐 笼专 用卷 帘 门 中国 ， 2 0 0 5 2 0 1 0 4 7 8 0 ． 0 [ P ] ． 2 0 0 7 ． 陆继旺， 贾福音． 煤矿井口轴式安全门的设计 [ J ] ． 煤矿机电， 2 0 1 2， 1 1 2 3 1 2 4 ． 永煤集团股份有限公司新桥煤矿． 矿井插拨式罐笼门 中国， 2 0 0 8 2 0 1 4 9 7 9 9 ． 0[ P] ． 2 0 0 9 ． 7结语 有源功率因素校正器与智能功率模块串联逆变， 功率因素高， 电流畸变小； 从波形看开机有冲击电压， 应先打开 A P F C部分， 等 0 ． 1 s 后再开始打开逆变部 分 ； 由于开环运行所以相 电压有效值 I 8 3 V没达到理 想 2 2 0 V， 要取得更好 的控制性能可采用闭环调节 ； S V P WM可方便地实现逆变、 调压、 变频 ； 从波形可 以 看出仿真与实际具有较好的一致性 ； S V P WM 控制算 法在硬件平台上得到验证 。 参考文献 [ 1 ] 王晗， 杨喜军． 大功率单相数字 A P F C的研究与实现 [ D ] ． 上 海 上海交通大学 ， 2 0 0 9 ． [ 2 ] 林渭勋． 现代电力电子技术[ M] ． 北京 机械工业出版社， 2 0 0 6 ． [ 3 ] 林飞， 杜欣． 电力电子应用技术的 M A T L A B仿真 [ M] ． 北 京 中国电力出版社 ， 2 0 0 8 ． [ 4 ] 张崇巍， 张兴． P WM整流器及其控制 [ M] ． 北京 机械工业出 版社 。 2 0 0 3 ． [ 5 ] 李瑾， 吕树清， 陈显彪． 两种基于 D S P的S V P W M波形实现方 法[ J ] ． 湖北工程学院学报， 3 4 3 1 7 1 9 ． l 71 1j 1j 1J