提升机张力平衡装置的设计

许兴文

（山西焦煤集团有限责任公司屯兰矿， 山西 古交 030200）

0 引言

煤矿提升系统是煤矿运输的“咽喉”，是连接煤矿生产、地面的重要组成部分。无论采用何种提升方式，由于煤矿的深度和载重地增加，都必须采用多股钢丝绳提升，同时钢丝绳由于其体积小、重量轻、提升能力大，已成为国内煤矿提升工程的主要提升设备[1]。随着煤矿生产规模地扩大，煤矿提升的载荷也在不断增加，对其安全、可靠性的要求也日益提高，煤矿提升系统地高效率运转，必须保证其迅速反应、安全可靠地工作，并具有充足的调整范围。

1 提升钢丝绳张力自动平衡装置研究现状

为了解决提升系统中多股钢丝绳的张力不平衡问题，国内外很多学者和科研机构进行了大量的研究，开发出了杠杆式、滑轮式等各种张力均衡设备，但是没有一种能够真正解决实际的问题[2]。杠杆式平衡装置的结构示意图如图1-1 所示，主要是由一组互相铰链的杆组成，通过杠杆的旋转来实现绳索的拉力平衡，重量轻、结构简单、反应灵敏，但是调节量少、精度差。弹簧式平衡装置则是结构简单、重量轻，在煤矿中使用很少，其调节能力很小。液压平衡机构是模仿瑞典的机构，每个悬吊装置都有一套可调节的液压油缸。调绳时，先将螺丝帽松开，用油泵压、调绳，调好绳后，再旋紧螺丝，这样可以使绳的拉力达到完全的平衡，但是其结构复杂、重量大，而且在整个起重过程中总是充满油，容易漏油，维修工作量大，不能保证其可靠性和安全性。

图1 杠杆式张力平衡及滑轮式张力平衡装置示意图

图1-2 所示为滑轮式张力均衡机构，升降钢索与动滑轮相连，将钢丝绳的两端紧固在升降集装箱之上，然后依次绕过相应的动滑轮和定滑轮，定滑轮被固定在升降集装箱之上，并可实现旋转，根据实际需求，可以根据需要调整钢丝绳的长度从而改变提升距离。然而，该设备的滑轮挠曲半径较小，在恶劣的工作条件下，调节钢丝绳极易损坏，而且在紧急刹车过程中，滑轮很容易脱落，从而产生安全隐患。除此之外还有螺杆式液压调绳装置，其调节精度高、操作简单、劳动强度低，但仅靠手动调节螺帽，不能实现自动平衡。

2 基于轮系调整的并联钢丝绳张力均衡装置设计

2.1 轮系- 液压式张力均衡装置的原理

目前使用的动油缸的张力平衡器的调整范围受限于其机械结构，如要加大冲程，可使油缸及柱杆的长度增加，而太长的油缸会使其承载量下降，使系统不稳定[3]。由于齿轮系可以通过齿轮的具体组合和啮合关系来达到加速驱动，所以可以采用齿轮系来增加张力均衡机构的调整范围。在轮系作为加速机构时，可以采用环形油缸取代常规的运动油缸，并将其与环状油缸的环状活塞连接。环形液压张紧器的结构包括环形液压缸、传动轴、加速机构、卷筒、连通管路、提升钢丝绳、轴承座以及阀门等结构。其中，加速机构可以采用定轴轮、行星轮系等，本文以单级行星轮系为例。环形液压缸的气缸通过连通管线彼此相连，以达到油压均衡，环形液压缸的驱动轴与加速机构的齿圈固定，加速机构内的行星支架固定在支座上，通过齿圈、行星轮和太阳轮的啮合来实现转速的调整，太阳轮固定在滚轮上，提升钢丝绳缠绕在滚轮上，支座固定在提升容器的表面。当实际钢丝绳的数量超过两条时，可以通过不断地增大拉力平衡装置的数目，使其与液压管道相连接。

本文首先对双绳索张力平衡机构进行了研究，提出了以双绳索为基础，实现四根绳索并联的张力平衡机构。双绳索张力均衡装置中的两级滚筒上的钢丝绳缠绕方向相反，联通轴的左端可与马达联接或紧固在支承基座上，一、二级环形齿轮由齿圈联轴器固定连接，第一级太阳轮与主动轴连接，将其功率输入传输，而第二级太阳轮通过太阳轮耦合被固定在末端支承支架上（该太阳轮耦合器可以在增加车轮链时，作为两个太阳轮的固连），该双绳索张力平衡装置、齿圈连接装置和太阳轮连接装置的构造。四级串联张力平衡器可以看成是两个双线机构，两个二级体系分别以两个通轴为支撑，第一、二、三、四级环形圈分别由齿圈耦合，因为该系统是差动式的，所以两个轴都可以用作动力，当两个输入速度之和不等于0 时，就可以完成提升系统的升降过程。表示出了钢丝绳的缠绕方向，相邻的两个滚轮的绕线方向相反，第二、三个太阳轮由太阳轮连接件固定，太阳轮连接部分由轴承支撑，所以第二和第三太阳轮以同样的角度旋转。

2.2 并联分布式张力均衡装置的设计

为了方便装置零件的空间布局，将行星架直接用钢丝绳缠绕成绞盘，行星轮设计成双行星轮，它的两边分别与太阳和环形齿轮相啮合，这样，在太阳齿轮和环形齿轮之间就形成了一个滚轴。当特定的应用环境受到空间的限制，串联轮系的安装不方便时，可以将四级轮系并联，由两组锥齿轮组成的两个副轮系并联连接，从而达到了同样的张力平衡效果，其外部部件的连接方式与前面的结构相似，四个行星支架上缠绕着一根钢丝绳，作为容器的张力平衡装置，是固定在集装箱上面的，连接两个锥齿轮的轴由一个轴承支承在集装箱上部，当作为提升卷轴张力平衡装置时，与传动装置相连。在并联分布式张力平衡装置中，齿圈联接件及太阳轮联接件与串联分布张力平衡设备所用相同，只是在空间结构上采用了两套伞齿轮，图

2 是四级并联分布张力平衡设备的三维模型。

如图2 所示，右侧的伞齿轮固定到太阳轮上，其连接方式也是用上述的太阳轮联接件，通过两个锥齿轮的传动，可以保证右边的两个太阳轮的旋转速度是相同的，如果要想进一步提高钢丝的数量，就必须在第一、四级的太阳轮上添加一个第二级的轮系，不管是串联还是并联，都可以用太阳轮联接件来固定。

图2 四级并联分布张力平衡装置三维模型

3 基于轮系调整的提升系统实验设计与验证

3.1 实验平台的搭建

为了节省加工时间，该设备采用了标准齿轮，并根据设备的设计要求进行二次加工。实验台有两个驱动器，可以实现各种转速的输入，如图3 所示为该试验平台的数据采集和驱动控制。该试验电机采用松下MHMJ042G1V 交流伺服电机，因场地布置所限，选择了与电机相匹配的直角行星减速器。试验平台整体框架主要是采用工业铝合金型材和铸造铝角构件，共分为三层，上部为张力均衡装置，刚性导轨固定端，压绳轮和驱动马达，中间部分作为安装振动源，底部支撑地板，根据太阳轮连接件与二、三级太阳轮的连接方式，以及伞齿轮的使用，建立了并联轮系连接方式的张力平衡试验平台。

图3 数据采集与驱动控制平台

3.2 实验测试及结果分析

手工调整四条钢丝绳的松紧程度，将1 号电动机的转速设为梯形运转，2 号电动机停止运转，从而使集装箱在1 号电动机的设定转速下执行升降的周期；从电动机起动到停止时，对四条钢丝绳的张力进行了测量，得出了该工作状态下四条钢丝绳的张力情况。由此可以看到，随着电动机的转速，钢丝绳的拉力数据呈现出阶段性的变化，主要包括加速、匀速、减速、停止四个阶段。在加速度阶段，每一条钢索都有一定的松驰，所以一开始，四条钢丝绳的张力在0 左右波动，但在电动机的作用下，钢丝绳的张力突然变化；在均匀运动状态下，四股钢丝绳张力差逐步消失，钢丝绳的拉力基本一致；而在减速阶段，由于电动机的转矩，各个钢丝绳的拉力也发生了不均衡；当电动机停止运转后，张力失衡现象消除，所有的钢丝绳都能在较短的时间内保持平衡，从而证明了并联张力均衡装置的实用可行性。

4 结语

钢丝绳是煤矿井下提升系统中的一个关键构件，其承担着煤矿起重系统中的全部活动部件和提升容器的负荷。本文通过对多条钢丝绳的拉力不平衡以及现有拉力平衡设备存在的不足以解决该问题的现状进行了研究，通过理论探讨与试验研究的对比，证明了该系统能有效地解决多股钢丝绳的张力平衡问题，既为井下提升系统的张力均衡提供了一种新途径，也为井下的矿井提升工作寻求了新的保障。