基于CAXA 3D 的新型插爪制动牵引车的设计研究

许延晖，王肖一，贾立辉，门志顺

（河北煤炭科学研究院有限公司，河北 邢台 054000）

1 概 况

近几年，矿用无极绳牵引车在煤矿开采的辅助运输中得到广泛应用，但随着矿井安全生产的要求逐步提高，矿方对无极绳牵引车的安全制动问题越来越重视。传统的无极绳牵引车的插爪制动装置是采用钢丝绳直接支撑插爪的结构形式[1]，插爪在钢丝绳松弛时下落插住枕木制动，这种结构存在诸多问题。当钢丝绳直径较大时，其硬度较大，不易弯曲，插爪很难落下，易发生不动作的问题；而当钢丝绳直径较小时，由于吸绳量淤绳现象的客观存在，极易发生插爪自动下落的误动作问题。由此，不动作、误动作成为插爪制动牵引车的使用难题。针对此现象，本文设计一种新型滑轮式弹簧插爪制动牵引车，有效地解决了以上问题。

2 新型滑轮式弹簧插爪制动牵引车的设计方案

从问题着手，要解决插爪装置因钢丝绳刚度大、插爪不易下落的问题，可以将钢丝绳直接支撑插爪的结构形式，改为用钢丝绳控制刚性杆、刚性杆支撑插爪的结构形式，这样在钢丝绳的控制下只要刚性杆一抽离，插爪便可自由下落，插住枕木制动，这样就解决了插爪不动作的问题。另外，要解决插爪误动作的问题，牵引车系统的吸绳量不足的客观存在，不可避免出现淤绳现象，故需增设一个储绳吸绳结构，使之能够在牵引车变坡、速度突变时，避免短时绳松的问题。由此，我们可以设计一种具有储绳吸绳功能的滑杆装置[2]。

从这一设计思路出发，吸绳功能可以通过增设弹簧结构实现，而在牵引车上要实现1 m 左右的储绳功能，考虑到车体长度和弹簧压缩量，需要借助动滑轮实现。由此，一种带有滑轮、弹簧、滑杆的插爪制动装置构思而成，其工作原理图如图1 所示。

图1 新型插爪制动工作原理Fig.1 The working principle diagram of new type claw brake

新型插爪制动工作原理为：牵引车的钢丝绳松弛后，动滑轮在压缩弹簧的推力下拉紧钢丝绳，当牵引车的钢丝绳松绳量达到1 m 时，滑轮及滑杆运动到极限位置，插爪落下，插住枕木制动。

3 新型插爪制动牵引车主要部件实体设计

新型插爪制动牵引车主要由制动器、滑轮弹簧滑杆装置、车体、滚筒、摆动转盘、轮对等组成，本文用CAXA 3D 对主要零部件逐一建模，并进行整车的虚拟装配设计，检查其干涉情况[3]，CAXA 3D 虽是国产三维实体设计软件，但在建模功能和适用性上绝不输UG、PRO/E、CATIA、Solidworks等外国软件，下面将在CAXA 3D（2021 版） 中对新型插爪制动牵引车的主要部件进行实体设计。

3.1 车 体

牵引车的车体主要是由车体顶板、加强槽钢、碰头、绳端固定板支撑块、滚筒支座、转盘座、磁钢固定板、钢丝绳导绳轮等部分组成，车体的外形结构如图2 所示。

图2 车体模型Fig.2 Car body model

车体是牵引车钢丝绳传递拉力的重要环节，牵引车的其他各大部件都固定在车体上，其设计强度尤为重要，故其所用的热轧钢板均在20 mm 以上，槽钢规格均在14 号以上。

3.2 制动器

制动器固定于牵引车车体底部，主要由插爪组件、悬挂钩、固定板、转轴、定位螺栓、加强筋等部分组成，制动器的外形结构如图3 所示。

图3 制动器模型Fig.3 Brake model

插爪组件是由4 个形状相同的单体插爪对称布置组成，插爪长度设计为650 mm，该结构能够使插抓制动后恰好插入深度轨道下面以下150 mm，保证了插入深度的准确性、受力均衡性、制动稳定性。

制动器两侧各设计有2 个定位螺栓，使插爪在运输和安装过程中，方便地固定插爪，使其顺利穿入滑杆。

3.3 滑轮弹簧滑杆装置

滑轮弹簧滑杆装置是新型插爪制动牵引车的主要创新部件[4]，其主要由压缩弹簧、弹簧支撑杆、动滑轮组件、限位支架、滑杆、支座等部分组成，滑轮弹簧滑杆装置的外形结构如图4 所示。

图4 滑轮弹簧滑杆装置Fig.4 Pulley spring slider device

压缩弹簧为丝径φ16 的定制弹簧，自由长度1 300 mm，工作压力2 275 kN~8 775 kN。受空间布置限制，动滑轮的直径不能太大，而直径太小会增大钢丝绳的变形阻力，故动滑轮直径最终确定为550 mm。限位支架作用有两个：一是作为动滑轮的滑道，对滑轮其支撑和导向作用；二是限位，将滑轮行程限定在500 mm 以内，也就是钢丝绳的储绳量在1 000 mm 以内。为增加强度，滑杆用φ30的实心棒料加工而成，头部设计带有过度圆角的尖状结构，以便顺利穿过插爪的悬挂孔。

3.4 滚 筒

滚筒是缠绕多余钢丝绳的装置，由储绳筒、摇把、滚筒支架、压绳块、轴承组件等组成，新型插爪制动牵引车的滚筒设计为2 个，对称布置在牵引车的车体两端。其布置形式如图5 所示。

图5 滚筒布置形式Fig.5 Layout form of drumt

滚筒支座上有22 个均匀布置的螺纹孔，用以调整滚筒在工作过程中位置。摇把结构设计为可拆

4 结 语

本文阐述了新型插爪制动牵引车的设计思路，在CAXA 3D 中对该新型插爪制动牵引车的主要零部件制动器、车体、滑轮弹簧滑杆装置、滚筒的具体结构进行了三维实体建模，并对牵引车整车进行了虚拟装配。通过对新型插爪制动牵引车的设计研究，有效解决了插爪制动牵引车不动作、误动作的使用难题。卸式，操作简单，前后各配置一把。

3.5 牵引车虚拟装配

在CAXA 3D 中将牵引车的各部件逐一建模完成后，然后对其组装，进行整车的虚拟装配。在CAXA 3D 的“工具”选项卡中利用工具进行干涉检查，排除干涉后其装配后的模型如图6 所示。

图6 牵引车虚拟装配Fig.6 Virtual assembly of tractor