（机械工程专业论文）电动铲运机自动排缆装置故障树分析及关键部件设计.pdf

摘要 地下电动铲运机( 以下简称铲运机) 是地下矿山无轨采掘作业的主要装、运、 卸设备，是一种新型高效无空气污染地下无轨装、运、卸设备。 铲运机为双向行驶结构，需要动力电缆随着铲运机的前进、后退，频繁的进行 收、放动作。由于铲运机长度尺寸上的限制，不能通过电缆互相挤压及内外层的摩 擦实现对电缆在滚筒全长度上的白行排缆。为了实现电缆在卷筒上的有序排列，就 必须设置自动排缆装置。 首先，本文通过综合全面地分析影响自动排缆装置工作的因素，采用演绎法建 立故障树，对所有影响因素进行定量化，建立了自动排缆装置的( 主要组成部件) 故障树模型并进行了可靠性分析，找出了自动排缆装置产生故障的主要原因。 其次，根据故障树分析得出的自动排缆装置失效的主因或具体原因，用来指导 自动排缆的结构设计工作，设计了新型结构的自动排缆装置，并建立了三维模型。 再次，根据三维模型，定性分析了自动排缆装置的各个零部件的受力状态，建 立了数学模型，提出相应计算公式，对主要部件的设计方法和注意事项进行了总 结，对主要部件进行了受力状态分析及强度校核计算。 最后，针对双向螺杆制造工艺难度大，成品率低的问题，首次提出了新型钢塑 双向螺杆的制造工艺，并对此工艺过程进行了可行性分析。 关键词：自动排缆装置；故障树分析；关键部件材料选择及设计；双向螺杆设计 a b s t r a c t u n d e r g r o u n de l e c t r i cl h di sat r a c k l e s su n d e r g r o u n dm i n i n go p e r a t i o n so fm a j o rm i n i n g e q u i p m e n t ，t r a n s p o r t a t i o n ，u n l o a d i n ge q u i p m e n t ，i san e wa i rp o l l u t i o n - f r e ea n de f f i c i e n t u n d e r g r o u n dr a i ls h i p m e n tw i t h o u tu n l o a d i n ge q u i p m e n t l h ds t r u c t u r ef o rt h et w o w a yt r a f f i c y o un e e dp o w e rc a b l e sw i t hl h d sf o r w a r d b a c k w a r d f r e q u e n tt h er e t r a c t a b l ea c t i o n a st h el h dl e n g t hl i m i to nt h es i z e ，c a n n o ts q u e e z e t h r o u g ht h ec a b l et oe a c ho t h e ra n da c h i e v ei n n e ra n do u t e rf r i c t i o nd r u mf u l l l e n g t ho ft h ec a b l e i ni t so w nr o wo nt h ec a b l e i no r d e rt oa c h i e v et h ec a b l er e e lo nt h eo r d e r e da r r a n g e m e n to ft h e c a b l em u s tb es e tt oa u t o m a t i cd i s c h a r g ed e v i c e f i r s to fa 1 1 - t h i s i m p a c tt h r o u g hc o m p r e h e n s i v ea n a l y s i so fc a b l ei n s t a l l a t i o nw o r k a u t o m a t i c a l l yr a n k e df a c t o r s ，t h eu s eo fd e d u c t i v em e t h o dt oe s t a b l i s ht h ef a u l tt r e e ，a l lt h e q u a n t i t a t i v ef a c t o r s ，t h ee s t a b l i s h m e n to f t h ea u t o m a t i cd i s c h a r g ec a b l ed e v i c e ( m a i nc o m p o n e n t s ) f a u l tt r e em o d e la n dt h er e l i a b i l i t ya n a l y s i st oi d e n t i f yt h ec a b l ed e v i c ea u t o m a t i c a l l yg e n e r a t e r o wm a i nr e a s o nf o rf a i l u r e s e c o n d l y ，a c c o r d i n gt ot h ef a u l tt r e ea n a l y s i sd e r i v e da u t o m a t i c a l l yd i s c h a r g et h em a i n c a u s eo ff a i l u r eo ft h ec a b l eu n i to rs p e c i f i cr e a s o n ，t og u i d et h es t r u c t u r eo fa u t o r o wc a b l e d e s i g n ，d e s i g nan e ws t r u c t u r eo ft h ea u t o r a n k e dc a b l eu n i t ，a n dt h ee s t a b l i s h m e n to fat h r e e d i m e n s i o n a lm o d e l a g a i n a c c o r d i n gt ot h et h r e e d i m e n s i o n a lm o d e l q u a l i t a t i v ea n a l y s i so ft h ec a b l ed e v i c e a u t o m a t i c a l l yd i s c h a r g ea l lp a r t so ft h es t r e s ss t a t e ，am a t h e m a t i c a lm o d e l ，t h ec o r r e s p o n d i n g f o r m u l a ，t h em a i nc o n a p o n e n t so ft h ed e s i g nm e t h o d sa n dc o n s i d e r a t i o n sa r es u r n m a f i z e d ，t h e m a i nc o m p o n e n t so ft h ea n a l y s i so ft h es t r e s ss t a t ea n ds t r e n g t hc h e c kc a l c u l a t i o n f i n a l l y ，f o rt w o w a ys c r e wm a n u f a c t u r i n gp r o c e s si sd i f f i c u l t ，l o wy i e l dp r o b l e m ，f i r s t p r o p o s e dan e wt y p eo ft w o - w a ys c r e ws t e e l p l a s t i cm a n u f a c t u r i n gp r o c e s s ，a n dt h i sp r o c e s s c o n d u c t e daf e a s i b i l i t ya n a l y s i s k e y w o r d s ：a u t o m a t i cc a b l e ，f a u l tt r e ea n a l y s i s ，m a t e r i a ls e l e c t i o na n dd e s i g no fk e y c o m p o n e n t s ，t w o - w a ys c r e wd e s i g n i i 第一章绪论 1 1 课题来源 矿产资源历来都是一个国家的重要财富，特别是对中国这样一个正处于经济建设高 速发展的国家来说，矿产资源更是显得尤为重要。近年来，由于我国国民经济的高速发 展，对钢铁、有色金属、煤炭等建设、能源物资的需求与日俱增。目前，国内矿石的产 量远远不能满足中国经济建设的需求，特别是铁矿石资源，远远不能满足国内钢铁业的 需求，每年进口铁矿石的数量在不断增加，国外铁矿石公司趁机抬高矿石资源价格，获 取高额利润。于是，围绕着铁矿石这一重要矿产资源，中国钢铁企业和外国矿产公司进 行了一轮又一轮艰苦的价格谈判，成为了我国每年的经济大事，也成为中国钢铁业发展 的一大障碍。 我国工业化的迅速发展，对矿产资源的需求与日俱增。在这种大的经济环境下，我 国金属、非金属矿山迎来了前所未有的发展机遇。目前我国己建成国有矿山企业8 8 4 0 多 个，集体与个体矿山企业2 6 万个，开发建设了8 0 0 0 多座矿山，年开采矿石量约5 0 亿t 以上。随着矿山开采规模的迅速扩大，近五年，各矿山企业累计完成固定资产投资达上 千亿元，相当于国外矿石巨头未来计划投资的总和。但是，我国新建矿山的矿石品位普 遍较低，只有靠提高劳动生产率和高性能的矿山设备才能降低成本，才能有利可图。投 资的增加，采矿规模的扩大，各矿山企业迫切需要快速提高矿山装备技术水平，达到强 采强掘的目的，促进采矿业的技术进步和提高企业经济效益。于是，一方面，各矿山企 业通过进口大量世界先进设备来提高装备技术水平；另一方面，各矿山装备制造厂家， 通过引进先进技术、厂矿合作和重大技术装备的攻关，成功地研制了百余项高效采矿机 械与设备，并得到推广应用，使我国金属、非金属矿山的整体装备水平得到明显提高， 其中以地下凿岩钻车、地下铲运机、地下矿用卡车为代表的地下无轨采矿设备得到了迅 猛发展，其技术水平正在逐步接近世界前列。 在矿山井下巷道、隧道等地下工程施工中，常采用以电力为动力源的地下凿岩钻 车、地下电动铲运机等地下工程机械设备进行作业，为此需要为这些机械设备配备拖曳 动力电缆，并在机械设备上设置排缆装置，如图1 1 所示。由于地下矿山( 含隧道) 环 境和作业空间的限制，要求地下工程机械结构紧凑，即整机的长度、宽度、高度等外形 1 尺寸要尽可能小，一般情况下，地下工程机械的电缆卷筒与其后方导向辊间距仅为2 0 0 3 0 0 r a m ，在如此短的间距内不可能依靠电缆的互相挤压及内外层的摩擦来实现对电缆在滚 筒全长度、多层的自行排缆。为了实现电缆在卷筒上的有序排列，扩大设备一次配电后 的工作范围，就必须采取适当的措施或装置，来实现电缆的多层自动排列。 图1 1 排缆装置总成不意图 卜电缆卷简2 一自动排缆装置3 一电缆托辊4 一电缆立辊5 一电缆6 一传动链条 据实际观察，地下工程机械没有自动排缆装置时，电缆的卷绕范围就仅限于滚筒中 间的一段宽度范围内( 约为l o o m m 左右) 。当收缆时，使得卷绕在这个区域的电缆不断地 堆高，堆高到一定的层数后就会忽然坍塌，坍塌后的外层电缆因卷绕直径的突然变小而 松脱，然后被后续卷绕的电缆挤压或因拉力的持续作用而被突然地再绷紧，这就必然使 电缆因被缠乱而发生挤轧损伤甚至突然拉断。据统计，电动铲运机电缆损坏后的更换费 用占到了电动铲运机总运行费用的三分之一。 因此，自从地下工程中采用了诸如地下凿岩钻车、电动铲运机等需要拖曳电缆来提 供工作动力的地下工程机械以来，研究机构就在不断的探索如何解决电缆在卷筒上的有 序排列问题。 1 2自动排缆装置简介 1 2 1 电动铲运机的产生 白1 9 6 3 年美国瓦格纳( w a g n e r ) 公司在g r a n d v i e w 矿试验成功了第一台s t 一5 型 铲运机以来，地下铲运机得到了迅速的发展，相应地也加速了地下矿山无轨凿岩、运 输、装药、喷锚支护、撬毛及辅助作业设备的发展，从而形成了以地下铲运机为主体的 无轨化采矿技术。2 0 世纪6 0 - 7 0 年代，在地下矿山的苛刻作业环境中，由于铲运机具有 高效、灵活、机动、多用和生产费用低等突出优点，随着无轨化采矿技术的推广，而得 到了广泛的应用。当时的铲运机几乎都是柴油机驱动的内燃铲运机，但柴油机所排出的 废气、烟雾、热辐射及噪声却严重污染了地下矿山作业环境。为此，需采用低污染柴油 机并在机上设置柴油机尾气净化装置，采用贵金属催化净化器或水洗涤箱，增加了设备 投资和维护费用；还需增设通风设施，加大地下通风量来稀释柴油机尾气，并将其排出 坑外，以便为矿山提供合乎卫生标准的作业条件，从而使矿山通风费用几乎成倍增加。 为了解决内燃铲运机排气污染问题，早在上世纪6 0 年代人们就开始探索电动铲运机 的可行性问题。1 9 7 2 年，加拿大贾维斯克拉克( j a r v i s c l a r k ) 公司研制成第一台 电缆供电式电动铲运机并在1 9 7 3 年试验成功。三十多年的广泛试验表明，电动铲运机不 存在柴油机尾气排放污染问题，也没有烟雾和气味；电动铲运机所产生的热量不到同级 别内燃铲运机的3 0 ，地下环境温度可平均降低3 ；噪声水平一般要低3 d b 左右。 而且，电动铲运机没有额外的通风要求，避免了因使用内燃铲运机而给矿山造成的沉重 通风负担。电动机比柴油机简单，维修量很小，因而电动铲运机的维修费用比内燃铲运 机低5 0 左右，而设备完好率高2 0 左右，电动机的固有功率损失约为1 5 ，而柴油机的 固有功率损失约为2 5 。 总的来说，电动铲运机的作业和维修成本较低，利用率较高，所以生产率较高，综 合经济性能较好。由于电动铲运机的优越性显而易见，因而得到迅速推广。但也存在如 下缺点，拖曳电缆限制了机器的机动性能和活动范围，同时，拖曳电缆易于磨损和损 坏，需定期更换，并需加强检查和保护。 为了增加电动铲运机的机动性能和活动范围，研究人员为电动铲运机配备了能够自 动收放拖曳电缆的电缆卷筒，并成为电动铲运机不可缺少的配置。 1 2 2 卷缆装置的作用及组成 卷缆装置是电动铲运机必备的部件，用于供电电缆随着电动铲运机的前进和后退能 自动同步缠绕和放出，将外部电源引入机上电控箱，避免电动铲运机运行时电缆在巷道 中拖磨造成损坏而发生事故。这是电动铲运机在结构上不同于柴油铲运机的一个特点。 3 卷缆装置由卷筒、传动装置、排缆装置和导向辊等部件组成，还有一套液压系统与 它配合。卷筒是用来容纳缠绕电缆的部件，卷筒内筒的半径要大于选用电缆的最小弯曲 半径，而且能够容纳集电环等装置，卷筒两侧端板的大径和间距决定了容纳电缆的长 度。排缆装置的作用是使电缆在卷筒上的有序排列，扩大设备一次配电后的工作范围， 就必须采取适当的措施或装置，来实现电缆的多层自动排列。导向辊的作用是无论电动 铲运机处于何种状态，电缆只能从一个方向引入卷筒。传动装置是卷缆装置缠绕或收放 电缆及排缆装置的驱动装置，一般选用链条传动。 1 2 3 电动铲运机对卷缆装置的要求 ( 1 )电缆在卷筒内排列整齐有序，能自动可靠地收放电缆，收放速度与铲运机行 走速度同步； ( 2 ) 对电缆要有一定的张紧力，在放缆或停车时电缆不得自由松卷； ( 3 ) 收放电缆时的拉力可以调节，当卷缆受阻时，仍能保证电缆在允许的张力范围 内，不致被拉坏； ( 4 )电缆相对于地面和卷筒尽量不要有滑动现象，确保电缆保护层不被破坏； ( 5 ) 卷筒的容量应尽可能大，可保证电动铲运机有足够的工作范围。 1 i 4 卷缆装置的形式 电动铲运机的卷缆装置按卷筒形状和布置的不同，可大致分为三种类型，其结构构 成如下： ( 1 ) 横向布置的窄卷筒式卷缆装置 在小型电动铲运机上曾采用这种类型。其卷筒宽度要小于电缆直径的6 倍。在这种 情况下，如果电缆引人导辊离卷筒轴有足够的距离，则可以不采用排缆装置，靠卷筒表 面第一层螺旋线衬垫起电缆的导向作用。在电动铲运机不转向的情况下，虽然卷缆时没 有排缆装置的控制，但由于离引入导辊的距离大，而引人角度的变化小，以后的各层电 缆基本能够按序排列。但是，在电动铲运机转向比较频繁的情况下，这种类型就无法满 足电缆排列的需要。这种卷缆装置在电动铲运机技术发展的初级阶段曾广泛采用，但其 固有的缺陷导致电缆的使用量居高不下，是使用单位普遍反映的铲运机缺陷。因此，这 种卷缆装置逐步被弃用或改造。 4 9 图1 2 横向布置的窄卷筒式卷缆装置 卜卷筒2 一传动链条3 一安装座4 一卷筒支承轴5 一轴承润滑油嘴6 一端盖板 7 一集电滑环8 一液压马达9 一卷缆限压开关1 0 一限压开关溢流阀 图l 一2 是这种类型的典型结构。卷筒1 由液压马达8 通过链轮和链条2 传动，卷 筒通过两个滚动轴承支承在轴4 上旋转，轴4 固定在安装座3 上，用螺栓与后车架连 接。卷筒内部装有集电滑环7 ，滑环定片的绝缘座用键固定在轴4 上，滑环动片的绝缘 座与卷筒连接，随卷筒旋转。缠绕在卷筒上的供电电缆尾端伸入卷筒内部并与集电滑环 的动片连接，将外部电源引至动片。动片与定片之间依靠弹簧压力紧密接触，使动片上 的电流传导至定片上，由另一根与定片连接的短电缆，从轴4 的内孔中穿出来，接人机 上的电控箱，通过电控系统向主电机及其它电器供电。液压马达8 的转速及力矩由卷缆 限压开关9 的溢流阀1 0 来调节。液压马达为摆线转子式马达。 ( 2 ) 水平布置的卧式卷筒卷缆装置 汤姆洛克公司的t o r o 系列电动铲运机采用这种卷缆装置，且为汤姆洛克公司的专 利。早期曾采用扁电缆供电，后来都采用圆形电缆供电。 这种水平布置的卷缆装置的优点：电缆在后车架的底部卷入与放出如图卜3 所示， 电缆所受张力小，不需要排缆装置；当直接通过电缆接线盒时，电缆不受损坏；因为电 缆的卷入与放出点低，又有导向臂的作用，在巷道转角处电缆不易受到损伤；卷筒水平 布置，可降低后车架的高度，使驾驶员具有良好的后向视野。 这种卷缆装置的缺点：电缆在卷筒内只能排1 2 排，为了能容纳足够的电缆长度， 只能增加电缆层数，需要卷筒直径大，这样会增加铲运机的整机宽度，也就增加了整机 所需巷道的宽度和转弯半径。 图卜3 汤姆洛克公司的t o r o 系列电动铲运机 这种卷缆装置主要由卧式电缆卷筒与导向臂两部分组成。图1 - 4 为卧式卷简结构示 意图。液压马达4 通过弹性联轴节3 带动卧式卷筒2 旋转进行卷缆。放缆时依靠铲运机 运行时电缆的张力带动卷筒和液压马达反转，使马达处于泵的工况，由卷缆液压系统控 制液压马达的回油压力，以保持电缆适当的张力，不致松卷。图l 一5 为导向臂结构示意 图。 图1 4 卧式电缆卷缆结构示意图 卜导向臂2 一电缆卷筒3 一弹性联轴节4 一液压马达5 一集电滑环箱 6 一卷筒回转盘7 一固定螺栓8 一导向臂回转盘 6 图卜5 导向臂结构示意图 卜水平导轮2 、5 一螺栓3 一导轮轴4 一档板 ( 3 ) 横向布置卷筒式卷缆装置 横向布置卷筒式卷缆装置，主要由立式电缆卷筒与排缆装置两部分组成。是电动铲 运机最常采用的一种结构型式。 图卜6 为横向布置卷筒式卷缆装置。卷筒1 由液压马达3 通过链轮和链条2 传动， 卷筒轴上的另一个小链轮通过链条4 带动双向螺杆式排缆装置6 的链轮5 ，驱动排缆螺 杆与卷筒1 同步旋转。 图1 6 横向布置卷筒式卷缆装置 1 一卷筒2 一链条3 一液压马达4 一链条5 一链轮6 一排缆装置 1 2 5 排缆装置的种类 7 3 + 排缆装置大致可以分为机械式传动排缆装置、数控伺服驱动排缆装置和液压驱动排 缆装置。 1 机械传动排缆装置 机械传动排缆装置通常有：( 1 ) 卷筒壁开螺旋绳槽；( 2 ) 压缆器，压辊可为圆柱 形或中间粗两头小的圆锥形；( 3 ) 采用双向螺杆式自动排缆装置。其中，卷筒壁开螺旋 绳槽只能保证第一层电缆整齐排列，从第二层起，上层电缆与下层电缆为交叉排放，就 无法进行整齐排列；压缆器的原理是通过压辊的压力强迫电缆在同层排列，并不能保证 电缆的整齐排列，如果压辊压力太大，很易损害电缆，压力小，无法起到排缆装置的作 用。因此，这两种方式没能在电动铲运机上取得成功。 采用双向螺杆式自动排缆装置的多层卷绕。进出卷筒的电缆由导向器进行导向，导 向器通过嵌入螺纹凹槽的月牙滑块( 螺母月牙板) ，可沿着螺杆移动。螺杆有左右双向 螺纹凹槽，左右螺纹在螺杆两头互相衔接过渡形成封闭回路，因此导向器可沿螺杆来回 移动。螺杆通过链条链轮由卷筒带动旋转，当卷筒旋转一周时，使电缆沿轴向正好移动 一个电缆直径为节距的距离。当电缆绕完一层到达卷筒端部时，月牙滑块也同时在螺杆 头部从一个方向的螺纹过渡到另一方向的螺纹上去，实现了电缆在滚筒上的多层缠绕。 而且，当电缆从卷筒上放出时，电缆是严格按照缠绕的反方向进行。正是双向螺杆式自 动排缆装置的这个特点，使之在电动铲运机上得到了推广应用。 但是，双向螺杆式自动排缆装置缺点同样制约了它在电动铲运机上的推广。缺点是 月牙滑块等零件磨损较快，难以适应电动铲运机行驶的频繁换向、转弯的需要。 2 数控排缆装置 山东理工大学李庆余副教授曾提出：用步进电动机驱动螺杆螺母带动电缆拨叉移动 的方案，其思路是利用电动机正反转、停止，实现电缆拨叉的往复移动和运动停止；在 卷筒上安装光电脉冲编码器作为控制信号，利用电缆层数和卷筒旋向控制电动机的转 向，当前层为单数，卷筒正向( 卷缆方向) 转动时，步进电动机正转，电缆拨叉向右移 动；当前层数和卷筒旋向其中之一变化时，电动机反转，电缆拨叉向左轴向移动。利用 光电脉冲编码器同步脉冲( 即电缆卷筒旋转圈数) 作可逆计数器的触发信号，当卷筒绕 末端圈时，使电动机停转。 这个思路是用单向螺杆取代双向螺杆，降低螺杆制造难度，通过光电信号控制螺杆 的旋转方向实现自动排缆的目的。但是，作为电动铲运机的电缆卷筒的每一层电缆随时 r 都处于卷、放、停的三种状态的排列组合，上述方案忽略了两种状态和一个事实：1 、当 层数为偶数，卷筒正处于放缆时，步进电机应为正传的情况；2 、铲运机的电缆卷筒未缠 满，但铲运机处于不行走状态或近似不行走状态，此时，卷筒状态为卷或停，此时，步 进电机为什么状态呢? 3 、事实上，铲运机在地下巷道中的运行速度并非匀速，步进电机 的转速应随铲运机的行走速度随时调整并达到一致。因此，这个思路的可行性还值得商 榷。 综上所述，电动铲运机的自动排缆装置还是以双向螺杆式自动排缆装置为主，其它 结构有待继续开发。 1 3 国内外研究现状 我国自1 9 8 4 年引进了美国艾姆科( e i m c o ) 公司的9 2 2 e 型电动铲运机后开始了自动 排缆装置的仿制研究。前期设计的自动排缆装置如图卜7 所示。虽然可以实现自动有序 排缆，但使用寿命只能达到1 2 个月，没有实用价值。因此，直到目前为止，大部分国 产地下工程机械仍然没有配置自动排缆装置。 国外自动排缆装置的研究也已经经历了三十多年，自动排缆装置的应用不仅推广到 了以电力为动力源的地下凿岩钻车、地下电动铲运机等地下电力驱动工程机械设备，而 且推广到了石油矿场机械等多个领域。 国内外相关文献中，文献 1 中提出了排缆装置设计的第一原则是要保证月牙滑块在 双向螺杆上的轴向移动速度恰好等于电缆在卷筒上的排缆轴向速度，即满足下述关系 式： 丝：生：垒 ( d + x ) n 6z l ( 1 1 ) 式中：t b 一双向螺杆的螺距，m i n 卜电缆的直径，m m ； 聆，一卷筒转速，r m i n ； 一双向螺杆转速，r m i n ； z 。一卷筒链轮齿数； z ：一双向螺杆链轮的齿数； r 修正值，一般取1 2 m m 。 文献 1 、文献 2 中分别介绍了9 2 2 e 型电动铲运机自动排缆装置的结构如图卜7 所 示。 图1 7 前期设计的自动排缆装置 卜轴承座2 一滑轨3 一双向螺杆4 一压盖5 一月牙滑块 6 一压紧弹簧7 一电缆导轨体8 一电缆导向器 文献 3 中提到了双向螺杆的加工方法：由于加工工艺的原因，很难在同一根轴上加 工出首尾相连、旋向相反的双螺纹，通常加工方法是先加工两端带有台阶的光轴，再在 光轴上加工出两旋向相反一根左旋、另一根右旋、节距相等的螺纹，当然这两螺纹不会 首尾相连，为达到两螺纹相连，必需在光轴两端台阶上分别套上一段螺杆套筒，两段套 筒与光轴用固定销连接，以防套筒在螺杆轴上转动。最后在套筒上分别补充加工两螺纹 收尾段，这样就可确保两螺纹首尾相连。文献 3 2 中指出：螺纹月牙滑块的运动是靠月 牙滑块与螺旋槽侧壁的摩擦力来实现的，使用过程中要要经常保持润滑来减少月牙滑块 在使用过程中的磨损；仿真结果表明，在整个运动过程中采用铝青铜材料的螺纹月牙滑 块是不会因为受力过大而失效的。文献 1 2 介绍了一种类似自动排缆装置在电测绞车中 的应用。 非常遗憾的是，目前的研究报道仅限于原理和结构的介绍，而没有见到国内铲运机 研究机构对铲运机自动排缆装置的可靠性、实用性、故障分析与解决的研究报道和产 品。 目前，国内铲运机制造厂家为了满足矿山需要，自动排缆装置还只能整体进口。 1 0 ：垂塑星婆垡鋈垄丝墼一 1 4本课题研究的主要内容及研究意义、拟解决的工程实际问题 第二章介绍了电动铲运机的使用环境，卷缆装置和自动排缆的工作环境。阐述了故 障树分析的基本原理，通过对双向螺杆自动排缆装置常见故障的分析，建立7 a i 甸螺杆 自动排缆装置的故障树，为解决双向螺杆自动排缆装置的故障提供了依据。 第三章系统的介绍了新型自动排缆装置系统结构设计的要求、原理设计、关键零件 的材料选择，新型结构设计的改进措施，并对主要部件进行三维设计。 第四章主要介绍了自动排缆装置的关联部件，分析自动排缆装置的受力状态，确定 所受力的来源、大小、方向。对自动排缆装置进行了简单受力分析，阐述了主要零部件 的结构设计要点和设计计算，对关键零件进行了校核。 第五章简述了全钢材料的双向螺杆的制造工艺，指出了其缺点。阐述了超高分子量 聚乙烯的成型技术，同时制定了新型钢塑复合材料的双向螺杆的制造工艺，并应用于实 际生产，取得了满意的效果。 通过本课题的研究，确定双向螺杆自动排缆装置失效的主因或具体原因，为双向螺 杆自动排缆装置的设计提供结构与零件材料选择的理论指导，设计制造出新型的双向螺 杆自动排缆装置用于生产现场。 1 5 本章小结 在本章中，介绍了电动铲运机应用的技术背景，卷缆装置和自动排缆应用的必要性 和常用结构，分析了目前国内外自动排缆装置的研究现状和成果，提出了本文的主要研 究内容、研究意义和拟解决的工程问题。 第二章双向螺杆自动排缆装置常见故障及故障树分析 2 1自动排缆装置的工作环境 工作环境对产品的设计产生非常大的影响，在设计之初就要考虑工作环境对产品的 影响。一个的产品设计不论它在技术上多么先进，在结构上多么精巧，只要它不能适应 工作环境，就是一个不合格的产品设计。因此了解一个产品所处的工作环境调查与事故 有关的所有原因事件和各种因素，有效的进行故障分析，对于设计合格产品至关重要。 2 1 1 电动铲运机使用环境 电动铲运机主要用于地下采场出矿、出渣，又可向低位的溜井卸矿，也能向矿车或 运输车辆卸矿，其使用环境非常恶劣，主要表现在t ( 1 ) 巷道狭窄、断面小 地下巷道是为了采矿而准备的运输、行走通道，为了降低生产成本，在满足基本使 用要求的情况下，巷道断面尺寸设计的尽量小。一般来说，在设计中，巷道的宽度比机 宽每侧加宽0 8 m ，弯道处外侧再加0 3 m 。巷道的高度按机高( 司机室顶或安全帽顶) 至 巷道支护物( 或悬吊物) 下端距离约0 6 m 。联络斜巷规格要求同上，其坡度不大于 2 0 ；作为主运输道或通地表的主斜坡道的宽度按机器的最大宽度，每侧加宽1 m ，人行道 宽度1 2 m ，其高度按机器的最大高度，坡度不大于1 5 。各巷道的连接处平缓过渡，避 免9 0 。的拐弯，交叉口巷道的最大半径比铲运机的外侧转弯半径大0 3 - - - , 0 8 m ，最小半 径比铲运机的内侧转弯半径小o 3 o 8 m 。而在实际的使用中，多数巷道的断面尺寸小于 设计要求。 ( 2 ) 巷道路面泥水多、两侧壁面高低不平 电动铲运机所在的多数巷道的使用寿命不长，其施工质量要求不高，这样的巷道不 仅路面坑洼崎岖、泥水较多，而且两侧壁面均高低不平，岩石有许多棱角。为了有效延 长电动铲运机电缆的使用寿命，就要采取多种适当的措施对电缆进行保护。 2 1 2 自动排缆装置使用环境 卷缆装置位于电动铲运机的尾部并偏向一侧如图2 1 所示。自动排缆装置是为了解 1 2 。：星塑圣堑垩蹩墼堂丝圣一 决电缆在卷筒上的有序排列问题，位于卷筒和导向辊组的中间如图2 2 所示。拖曳在巷 道中的电缆在卷筒上的缠绕会将巷道中的泥沙、脏水及油污等带到自动排缆装置上，所 以说，自动排缆装置的使用环境非常恶劣。 图2 1 卷缆装置在电动铲运机上的位置 卜卷筒2 一自动排缆装置3 一导向辊组( 电缆立辊和电缆托辊) 图2 2自动排缆装置的位置 卜卷筒2 一自动排缆装置3 一导向辊组( 电缆立辊和电缆托辊) 2 2自动排缆装置的结构及部件名称 1 3 常见的双向螺杆式自动排缆装置的结构如图2 3 。 图2 3双向螺杆自动排缆装置 卜轴承座2 一滑轨3 一双向螺杆4 一压盖5 一月牙滑块 6 一压紧弹簧7 一电缆导轨体8 一电缆导向器 图中1 为铜套式滑动轴承，2 为钢制导轨，3 为4 5 钢制作双向螺杆，4 为压盖、7 电缆导轨体为q 2 3 5 a 材料制作，5 为锡青铜制作，8 电缆导向器为圆钢煨制。 装配时，首先，将8 电缆导向器需和4 压盖焊接在一起。其次，将7 电缆导轨体套 在3 双向螺杆上，对准螺旋槽，依次装入4 压盖、5 月牙滑块、6 压紧弹簧及弹簧压盖 ( 图中未列出) 。再次，将l 轴承座装在3 双向螺杆的两端，调整好轴承座间距后与2 滑轨焊接在一起。装配调试好后，可以更换零件4 压盖、5 月牙滑块、6 压紧弹簧及弹簧 压盖，其它零件无法更换。2 滑轨、3 双向螺杆、4 压盖、5 月牙滑块、6 压紧弹簧、 7 电缆导轨体共同组成双向拨杆驱动系统 2 3 故障树分析 故障树分析是6 0 年代由贝尔实验室首创的，因为其应用效果十分的显著，随着自身 和科学技术的发展，故障树分析应用领域已经扩展到航空航天、电子工业、机械工业、 化工工业等各个行业。 故障树分析法一f t a ( f a u l tt r e ea n a l y s i s ) 是一种对复杂系统可靠性和安全性分析的 有效方法。它是一种图形演绎方法，是故障事件在一定条件下相互影响关系的逻辑推理 方法。故障树是一种表示导致灾害事故的各种因素之间的因果及逻辑关系图。也就是在 设计过程中或现有生产系统和作业中，通过对可能造成系统故障或导致灾难后果的各种 因素( 包括硬件、软件、人、环境等) 进行分析，根据工艺流程、先后次序和因果关系绘 1 4 ：重鐾坚垄鋈垒坠型些鎏一 出逻辑图( 即故障树) ，从而确定系统故障原因的各种可能组合方式( 即判明灾害或功能故 障的发生途径及导致灾害、功能故障的各因素之间的关系) 及其发生概率，进而计算系统 故障概率，并据此采取相应的措施，以提高系统的安全性和可靠性。 故障树分析方法属于一种可靠性分析技术，是对复杂的动态系统的失效形式进行可 靠性分析的有力工具。因此故障树分析法通常用于复杂动态系统的故障分析，首先建立 故障树，然后进行定性和定量分析，可对复杂系统进行预测和诊断，找出薄弱环节，以 便防患于未然。它不仅可以分析单一缺陷引起的系统故障，而且还可以分析由两个零件 同时发生故障时才发生的系统故障，因此在复杂系统中被广泛应用。故障树模型是事件 之间( 通常是失效事件间) 逻辑关系的图形表示。最初，故障树被定义为图论意义上的 树，但是随着故障树分析技术的发展，已经允许更一般的结构形式。在现行的应用中， 故障树节点( 门或基本事件) 可以有一个以上的父节点。因此故障树已经不再是图论意 义上的树形结构。 故障树模型长期以来用于临界系统失效模型的定性和定量分析。故障树提供数学和 图形表示的导致系统失效事件的组合。故障树模型的构造可通过图解描述与可靠性或安 全性有关的潜在弱点而提供对系统内部更深层的了解。故障树可以通过图解说明哪些事 件的组合可以导致观察到的失效症状，从而帮助对失效症状做出诊断。故障树通过给出 失效事件发生的概率可用以确定系统失效的概率。 通过人工地构造故障树，提供了一种系统地分析和记录系统失效潜在原因的系统方 法。分析人员从被考虑的失效情况出发，从失效症状分解出许多可能的原因；然后调查 每一个原因并进一步细化，直到失效的最基本原因被搞清楚为止。从系统设计的角度 看，故障树分析为了解系统如何失效的方式提供了一个逻辑框架，这和了解系统如何才 能成功通常是同样重要的。 故障树由不希望的顶事件( 系统或子系统失效) 组成、该事件通过逻辑门连入更多 的基本事件。顶部事件分解成原因要素，其由a n d 、o r 和m o u t o f - n 逻辑门连接，然 后进一步分解，一直到识别出基本事件为止。基本事件代表基本的失效原因，并代表故 障树的分解极限。故障树一般不用n o t 门，因为同时考虑n o t 门可能导致不一致的故 障树n 1 ，使分析复杂化。 系统失效的故障树分析是自顶向下的分析，这和f m e a ( 故障模式和后果分析) 相 反。f m e a 本质上是自底向上的分析，它对每一个系统组件的每个可能的失效模型进行 15 。：型墼垄塑墅墼鲨丝圣一 研究，并且区分它们对系统造成的后果。f m e a 分析比故障树更易理解，因为每一个组 元的每一个失效模式都必须考虑到。然而，故障树模型既可作定量又可以作定性分析。 2 3 1 故障树图( f t d ) 故障树图( 或者负分析树) 是一种逻辑因果关系图，它根据元部件状态( 基本事件) 来显示系统的状态( 顶事件) 。就像可靠性框图( r b d s ) ，故障树图也是一种图形化设计方 法，并且作为可靠性框图的一种可替代的方法。 一个故障树图是从上到下逐级建树并且根据事件而联系，它用图形化”模型”路径的 方法，使一个系统能导致一个可预知的，不可预知的故障事件( 失效) ，路径的交叉处 的事件和状态，用标准的逻辑符号( 与、或等等) 表示。在故障树图中最基础的构造单元 为门和事件，这些事件与在可靠性框图中有相同的意义并且门是条件。 2 3 。2 故障树和可靠性框图( r b d ) f t d 和r b d 最基本的区别在于r b d 工作在”成功的空间”，从而系统看上去是成功 的集合，然而，故障树图工作在”故障空间”并且系统看起来是故障的集合。传统上，故 障树已经习惯使用固定概率( 也就是，组成树的每一个事件都有一个发生的固定概率) 然 而可靠性框图对于成功( 可靠度公式) 来说可以包括以时间而变化的分布。 2 3 3 故障树分析中常用符号 故障树是由各种事件符号和逻辑门组成的，事件之间的逻辑关系用逻辑门表示。这 些符号可分逻辑符号、事件符号等。故障树分析中常用符号见表2 1 ： 表2 - 1 故障树符号及其含义 名称符号含义 逻 “与”门 骨 仅当所有输入事件发生时，输出事件才发生。 辑 ，、 门 “或”门 w 至少一个输入事件发生时，输出事件就发生。 基本事件 6 在特定的故障分析中，无须再探明其发生原因的底事 事 件。 件 口 故障树分析中所关心的结果事件。 符 顶事件 i 号 中间事件白位于顶事件和底事件之间的结果事件。 i 1 6 转 转入符号 厶 表示在别处的部分树，由该处转入( 在三角形内标出从 移 何处转入) 。 符 a - 表不这部分树由该处转移至其他处，由该处转入( 在三 号 转出符号 角形内标出向何处转移) 顶事件。 2 3 4 故障树分析法有下列一些特点 ( 1 ) 直观、形象故障树分析法是一种从设备整体到部件再到零件这样的“下降 形”分析方法，通过逻辑符号绘制出的一个倒树形图，这样就把设备的故障与导致该故 障的各种因素直观而又形象的呈现出来。从故障树的顶端向下分析，就可以找出设备的 故障与哪些部件、零件的状态有关，从而全面查清引起系统故障的原因。 ( 2 ) 灵活、多用 可用于对设备的可靠性、安全性进行定性分析和定量分析：可以 分析由单一部件故障所诱发的设备整体故障，还可以分析两个以上部件同时故障时所导 致的故障，把设备故障与组成设备的部件故障有机地联系在一起。 ( 3 ) 方便、可靠在设计中，应用故障树分析法可以帮助设计者弄清设备的故障模 式，在对设备的故障进行预测和诊断中，找出设备的薄弱环节，以便采取相应的改进措 施。 2 4 双向螺杆自动排缆装置常见故障及故障树的建立 双向螺杆自动排缆装置的常见故障： ( 1 ) 月牙滑块的磨损快； ( 2 ) 电缆导向器环状圆钢的磨损及对电缆的磨损； 正确建立故障树是故障树分析法的关键，因为故障树的完善与否将直接影响到故障 树定性分析和定量分析的准确性。 故障树建立过程的实质是寻找出所研究的设备故障和导致设备故障的诸因素之间的 逻辑关系，并将这种关系用故障树的图形符号表示，成为以顶事件为根，若干个二次事 件和基本事件( 底事件) 为干支和分支的倒树图形。故障树的建立过程，一般分为以下几 步： ( 1 ) 对所研究的设备作系统分析，对设备的正常状态和正常事件，故障状态和故障事 件要有确切的定义。 ( 2 ) 在判明故障的基础上，确定最不希望发生的故障事件为顶事件。 1 7 ( 3 ) 以所提出的假设条件为依据，合理地确定边界条件，以确定故障树的建树范围。 系统的边界条件应包括：分析的对象，即顶事件；初始状态，指设备中的部件可能有多种 工作状态，需要确定当顶事件发生时这些部件所处的状态；不容许事件，指在建立故障 树过程中认为不容许发生的事件：必然事件，指设备工作时在一定条件下必然发生的事 件和必然不发生的事件。 根据故障树分析法的基本原理，对双向螺杆自动排缆装置的使用环境、工作状况、 零部件的结构等方面分析后，将双向螺杆自动排缆装置故障作为顶事件建立故障树如图 2 4 所示。 1 9 叠 堑墨堇堕 向器磨损l1 月牙滑块磨 a 溅、网i 厕 电搿叫儒灞 妙世斧 电缆导向器 位于双向螺 婚的上杉 双向螺杆没 有密封保护 图24 双向螺杆自动排缆装置故障树 2 5 故障树的简单分析 螺杆材料制 造工艺性差 通过对故障树的分析，可以得到，造成双向螺杆自动排缆装置使用寿命短的主要原 因有以下几个方面： ( 1 ) 电缆导向器的结构。电缆导向器为环状圆钢结构，与电缆为滑动摩擦，对电缆 的磨损十分严重，影响电缆使用寿命。 ( 2 ) 采用纯钢材料的双向螺杆，导向槽的表面粗糙度无法达到设计的质量要求。 ( 3 ) 摩擦副材料配对不合理，造成月牙滑块的耐磨性能不足，平均使用寿命只有2 0 天左右，不能满足使用要求，而双向螺杆的导向槽几乎没有磨损。 ( 4 ) 双向螺杆没有密封，泥水会直接落入导向槽中，破坏月牙滑块的润滑。 ( 5 ) 导向槽换向部分制造难度大，采用通用金属切削设备无法加工、质量无法保 1 r 罴匿一_ ：墼坚垄星墅些塑鎏乙一 = = = ! = = ! = = g ! i | ! ! ! ! ! ! = ! ! = ! ! = ! ! ! ! ! = = ! = = ! = = ! e = ! = = = = = = = = = = ；2 5 一一 障，专用金属切削设备造价高、效率低。 ( 6 ) 电缆导向器装配方向，电缆导向器装配在双向螺杆的上方，拖曳电缆上粘着的 泥水就被导向器刮落到螺杆的导向槽中，加剧了月牙滑块的磨损。 2 6 本章小结 本章介绍了电动铲运机的使用环境，卷缆装置和自动排缆的工作环境。阐述了故障 树分析的基本原理，通过对双向螺杆自动排缆装置常见故障的分析，建立了双向螺杆自 动排缆装置的故障树，为解决双向螺杆自动排缆装置的故障提供了依据。 1 9 第三章新型自动排缆装置结构设计 3 1 新型自动排缆装置系统结构设计的要求、原理设计、关键零件的 材料选择 3 1 1 设计要求 新型自动排缆装置的设计要求： ( 1 ) 功能要求满足电动铲运机的功能需要。能够随着电动铲运机的前进、后退、 转弯及行驶速度的变化，并根据电缆卷筒对电缆的缠绕、放出、停止等动作，实现引导 电缆在电缆卷筒上的分层、有序排列的功能。 ( 2 ) 使用性能要求满足力学要求，具有足够的强度、硬度、耐磨等机械性能。 ( 3 ) 工艺性能要求零部件的制造采用普通工艺装备能够完成，制造成本相对低 廉，满足整机对成本的控制要求。 ( 4 ) 工况性能要求整个装置适应地下工程环境和工况，具要一定的防泥水油污功 能。 ( 5 ) 维修性能要求维修性能优越，零部件拆卸、安装方便。 3 1 2 功能原理设计 双向螺杆自动排缆装置，结构相对简单，是新型自动排缆装置的设计基础。 双向螺杆具有牙形、螺距相同的双向螺旋线，双向螺旋线在螺杆的两个设定终点重 合封闭，使螺杆上的螺母能在行程的终点自动反向移动。 双向螺杆自动排缆装置在卷筒和螺杆间需要固定传动比，当卷筒转动时，卷筒传动 经变速机构带动双向螺旋螺杆旋转，带动电缆导轨体沿双向螺杆运动。当电缆在卷筒上 缠绕1 圈后，电缆导轨体带领电缆相应沿卷筒轴向移动1 个电缆直径长度，实现整齐排 缆的目的。以下因素对传动比有影响：