电动铲运机电液控制自动排缆装置

目录摘要Abstract绪论1.1电动铲运机电液控制自动排缆装置领域应用1.2自动排缆装置的研究现状1.2.1铲运机的产生1.2.2我国铲运机的发展1.2.3电动铲运机自动排缆装置作用及组成1.2.4电动铲运机排缆装置现状及存在问题1.3本课题研究意义及内容1.4本章小结第二章电动铲运机自动排缆装置的基本组成、工作原理、存在问题及故障分析2.1卷缆装置的组成2.2自动排缆装置组成2.3自动排缆装置工作原理2.4主要部件故障分析2.4.1常见故障2.4.2故障数树的建立2.4.3故障分析2.5本章小结第三章电液控制自动排缆装置总体结构设计3.1电动铲运机电液控制自动排缆装置的设计要求及设计原理3.1.1设计要求3.1.2设计原理3.2主要零部件的结构设计3.2.1电缆的选用3.3.2电缆卷筒的设计3.3.3单向螺杆结构设计3.2.4月牙滑块结构设计3.3单向螺杆材料选择与制造工艺设计3.3.1单向螺杆的材料选择3.3.2单向螺杆的制造工艺设计3.4本章小结第四章电动铲运机电液控制自动排缆装置的计算4.1关键部位的受力分析4.2关键部位的强度计算4.4本章小结第五章自动换向电液控制系统及关键液压部件选型设计5.1自动换向电液控制系统5.2关键液压部件选型5.3本章小结第六章结论6.1结论6.2未来方向致谢参考文献

摘要电动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。铲运机具有操纵简单，不受地形限制，能独立工作，行驶速度快，生产效率高等优点。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自行排缆。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，分析电动铲运机自动排缆装置的基本组成、工作原理、存在问题及电动排缆装置主要部件常见故障分析，并找到故障的主要原因。其次，采用新型的电液控制自动排缆装置，对电液控制自动排缆装置总体结构设计，并对单向螺杆、月牙滑块结构进行设计并绘制三维结构图，对关键部位受力分析和强度计算。再次，对新型电液控制自动排缆装置中自动换向电液控制系统及关键液压部件选型设计。最后，采用单项螺旋的制造工艺，对单向螺杆材料进行合理选择并对制造工艺进行设计。关键词：电液控制自动排缆装置；故障分析；单向螺旋设计；月牙滑块结构设计

AbstractElectricscraperisthemainloading,transportingandunloadingequipmentoftheundergroundmineraillessminingoperation,anditisanewtypeofhigh-efficiencyair-freeundergroundraillessloading,transportationandunloadingequipment.Thescraperhastheadvantagesofsimpleoperation,noterrainrestriction,independentoperation,fastdrivingspeedandhighproductionefficiency.Thescraperisatwo-waytravelstructure,whichrequiresthepowercabletocarryoutthecollectionandreleaseactionfrequentlyalongwiththeforwardandbackwardofthescraper.Duetothelimitationofthelengthofthescraper,itisnotpossibletosqueezethecablesagainsteachotherandthefrictionoftheinnerandouterlayerstoachieveself-drainingcablesonthefulllengthoftherollers.Inordertoachieveanorderlyarrangementofcablesonthedrum,anautomaticcablearrangementmustbesetup.Firstofall,theanalysisofthebasiccompositionoftheautomaticcablearrangementoftheelectricscraper,theworkingprinciple,theproblemsandthemaincomponentsoftheelectriccablearrangementcommonfaultanalysis,andfindthemaincauseofthefault.Secondly,thenewelectro-hydrauliccontrolautomaticcablearrangementdeviceisused,theoverallstructuredesignoftheelectricfluidcontrolautomaticcabletransferdeviceisdesigned,andthestructureofone-wayscrewandcrescentsliderisdesignedandthree-dimensionalstructuremapisdrawn,andtheforceanalysisandstrengthcalculationofkeyareasiscalculated.Third,thenewelectro-hydrauliccontrolautomaticcabletransferdeviceautomaticallyswitchingintotheelectro-hydrauliccontrolsystemandkeyhydrauliccomponentsselectiondesign.Finally,themanufacturingprocessofasinglespiralisusedtomakeareasonablechoiceofone-wayscrewmaterialanddesignthemanufacturingprocess.Keywords:Electricfluidcontrolautomaticcable-drainingdevice;Faultanalysis;Unidirectional

screw

design;Design

of

crescent

slider

structure.第一章绪论电动铲运机电液控制自动排缆装置领域应用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。目前我国已建成国有矿山企业8840多个，集体与个体矿山企业26万个，开发建设了8000多座矿山，年开采矿石量约50亿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。地下采掘与工程机械设备在国民经济发展中具有十分重要的地位，是现代矿山开采以及交通、水电、国防建设等大型施工必不可少的高效、先进的技术装备，此类设备的制造业也是国民经济中的重要行业。地下铲运机是以柴油机或以电动机为原动机、液压或液力为机械传动、铰接式车架、轮胎行走、前端前卸式铲斗的装载、运输或卸载设备。主要用于地下矿山和隧道工程。地下电动铲运机，是地下采掘作业的主体设备，铲运机是矿山无轨设备的一种，广泛应用于地下矿山的采掘、运输。以铲运机和自卸式运矿卡车为核心的无轨采矿设备

，在国内外已成为采矿技术发展的主流。目前，市场上广泛应用的铲运机分为内燃铲运机与电动铲运机两种，内燃铲运机适用于通风良好的作业环境，拥有灵活、高效的特点；电动铲运机则更加环保，无污染。在矿山井下巷道、隧道等地下工程施工中，通常用以电力为动力，应用于地下凿岩钻车、地下电动铲运机等地下采矿设备进行作业，为此需要电缆为这些机械设备传递动力，并在这些机械设备上设置排缆装置，将拖曳的电缆进行收放。在实际的操作过程中，拖曳的电缆缠绕到电缆上时会将泥沙、脏水及油污等带到自动排缆装置上，所以这些机械设备的自动排缆装置在非常恶劣的环境下工作。电动铲运机是金属矿山井下开采及装运的设备，以拖曳的三相交流电为动力，电缆卷筒安装在电动铲运机上。随着铲运机的后退，电缆能够有序的缠绕在卷筒上。有序缠绕整齐排列能有效利用卷筒的空间，减少卷缆动力，防止杂乱缠绕，在电缆一定长度时可减少卷筒直径。因此卷缆器对电动铲运机极为重要。因此，地下工程中采用诸如地下凿岩钻车、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，解决如何有序缠绕问题需要不断地研究和探索，以解决实际工作中的一系列问题。自动排缆装置的研究现状1.2.1铲运机的产生20世纪60年代初美国瓦格纳公司（即阿特拉斯科普柯AtlasCopco/安百拓Epiroc）制成世界上第一台地下柴油驱动的铲运机。二十世纪60年代中期在国外地下矿山中得到推广运用。当时的铲运机几乎都是使用柴油为动力的内燃机，为此，需要采用低污染柴油机并在柴油机上设置尾气处理装置，采用贵金属催化净化器或水洗涤箱，还需增设通风设施，以加大地下的通风量以便尾气能够排出坑外，从而使矿山的作业条件符合作业标准，让工人的作业环境更加安全，矿山通风费用的支出大大增加以至于增加了生产成本。由于柴油铲运机的通风、噪音、烟雾和发热等问题,电动铲运机应运而生，电动铲运机的用户几乎无一例外地反映它的性能好、设备完好率高、维修费用低、工作条件好和需要的通风量少。尽管电动铲运机拖曳着电缆,因而限制了其灵活性,但它在井下仍有许多适宜的用如果用电动铲运机取代所用的全部内燃铲运机，则所需通风量可减少一半以上。广泛的试验和实践表明，电动铲运机具有低污染；低热量（热量不到同级内燃铲运机的30%），低噪声；维修量很小；功率损失小等优点。总的来说，电动铲运机的作业成本较低，机器便于维修，利用率较高，所以生产效率较高，其综合经济性能较好，减少了不必要的支出。电动铲运机的优越性慢慢体现出来，因而得到迅速推广。但也存在着不少缺点，其电缆限制了机器的机动性能和活动范围，只能进行短距离工作，同时，在恶劣环境中作业电缆易于磨损和损坏，需要经常更换，所以需要定期检查和加强保护。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我国铲运机的发展我国地下铲运机在经历了引进、合作制造、自主开发、创新发展四个阶段后,得到了飞速发展，从1976年起,我国自行研制了斗容0.4-6.1m³的铲运机共2

5种型号(包括中外合作生产的6种型号中，国内研制的机型大多数通过鉴定(中外合作生产的机型均已通过验收),但批量在5台以上,并在矿山得到连续使用的,只有少数几种,至今其生产销售量约300多(与进口铲运机合计,使我国地下矿山铲运机拥有量将近800台)。这些铲运机分布在我国近60个矿山,成为我国地下矿山特别是大中型矿山的采矿主体设备,对于加速矿山开采,提高地下矿山装备水平和机械化程度,推广无轨采矿技术,发挥了重要作用。自7０年代中期地下无轨采矿机械化在我国兴起以来，作为主要出矿设备的铲运机已有近800台用于我国数十个大中型地下矿山，其中有３００余台是我国自制的。这些铲运机的应用，有力地推动了矿山生产的发展。我国早期引进的铲运机都是以柴油发动机为动力，虽然柴油发动机灵活，但废气污染严重，给井下环境保护带来严重的威胁。大多数采用道依茨涡流燃烧室低污染柴油机的铲运机,排出的废气经催化及水洗两级处理,且催化器保持良好的维护状态,水洗箱及时加水,其排污指标尚可达到我国规定的标准。个别采用直喷式普通柴油机的铲运机,机外净化又不完善,其排污指标远远达不到规定的标准。为此,对柴油机废气监测及净化问题进行了大量研究工作,先后对符山、大冶、丰山、红透山、弓长岭等矿的60余台LK--1型柴油铲运机进行技术改造,用低污染柴油机取代原有的直喷式普通柴油机,并采用先进的峰窝状催化器和水洗箱进行两级净化,使其排污指标达到规定的标准。为摆脱柴油铲运机废气污染的困扰,我国自80年代中期开始自行研制拖曳电缆供电式电动铲运机,并取得重大进展。长沙矿山研究院与南昌通用机械厂共同研制的WJD-1.5型电动铲运机，采用液力机械传动其主要技术性能达到80年代初期国外同类机型水平,在全国10余个矿山应用,消除了柴油机废气污染和噪音的困扰,改善了井下作业环境,降低了采矿成本,取得了显著的经济和社会效益，是我国自行研制的铲运机中生产销售量最多,应用最广的机型。我国研制的WJD-0.75型电动铲运机,采用静液压机械传动,也取得了较好的使用效果。1.2.3电动铲运机自动排缆装置作用及组成自动排缆装置是电动铲运机所必须拥有的部件，在电动铲运机的前进和后退的过程中能自动同步有序的缠绕和放出电缆，避免电动铲运机在工作时，拖曳电缆的过程中在巷道中磨损造成损坏而出现事故。这是电动铲运机在工作与结构中与柴油铲运机的不同。自动排缆装置一般由卷筒、传动装置、排缆装置和导向辊等部件组成，卷筒是用来装载缠绕电缆的部件，卷筒内筒的半径要大于所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与卷筒的长度决定了所能容纳电缆的长短。排缆装置的作用是使电缆在卷筒上的有序缠绕，使用单向螺杆正反转来实现电缆的多层自动排列。导向辊的作用是在电动铲运机处于任一位置时，电缆都能从一个方向引入卷筒。传动装置是在排缆装置运行时传递动力使电缆能够自动收放，一般选用链条传动。1.2.4电动铲运机排缆装置现状及存在问题早期的地下矿用电动铲运机采用自然式排缆来进行电缆的收放,不设导缆排缆机构,是一种简易的排缆方式。由于没有设置排缆装置,因此电缆在卷筒中杂乱不规整缠绕，在收放电缆时电缆拉力不均匀、电缆纵横向滑动，容易使电缆损坏，由于不规则缠绕导致卷筒的外径增大。地下巷道空间狭小，电动铲运机能给出的电缆卷筒的空间位置有限，所以卷筒的外径不易太大。早期经验表明,自然式排缆使电缆在卷筒上缠绕杂乱,电缆的受力不均,易被拉坏电缆寿命较低。现在地下矿用电动铲运机一般都设置自动排缆装置，一般都采用双向螺杆作为排缆装置的主要部件，双向螺杆的旋转运动使电缆在其槽里轴向运动，电缆沿着卷筒的长度方向往反移动，从而使电缆有序的排列在卷筒上。但电缆夹大多采用成双对辊的旋转轮，在成双对辊旋转轮工作时容易对电缆造成挤压、切割，对电缆有所损伤。我国在1984年引进了美国艾姆科（Eimco）公司的922E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1-1所示。虽能实现自动有序排缆，但使用寿命只有1～2个月，没有实用价值。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。在文献[1]、文献[2]中分别对922E型电动铲运机自动排缆装置的结构做出了介绍，如图1-1所示。图1—1前期设计的自动排缆装置1-轴承座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8-电缆导向器文献[3]中提到了双向螺杆的加工方法：由于当时的加工工艺的原因,很难在同一根轴上加工出首尾相连、旋向相反的双向螺纹,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条旋向相反一根左旋、另一根右旋、节距相等的螺纹,加工出的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[32]中指出：螺纹月牙滑块是在螺旋槽内运动的，通过摩擦力来实现，使用过程中要使之保持润滑状态来减少月牙滑块在使用过程中的磨损。文献[12]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，上述研究仅限于原理和结构的可行，而没有在国内铲运机研究机构对铲运机自动排缆装置中成功运用，也没有可靠性、实用性、故障分析与解决的研究报道和产品。1.3本课题研究意义及内容地下矿用电动铲运机在工作运动当中始终拖曳了一根提供动力的电缆，随着铲运机前进和后退必须要保证电缆能够同步有序收放。拖曳电缆式电动铲运机最为关键的就是电缆随整机的同步收放问题，即随着铲运机的前进和后退，能自动同步放出和卷绕电缆，避免铲运机运行时出现压缆、磨损、拉断电缆而发生事故。当电动铲运机后退时，电缆收整在卷筒中，为了保证卷筒能够最大程度地收卷电缆并实现分层齐整排列，必须设计排缆机构。为了降低螺杆的制造难度及提高排揽的整齐度，从而提高排揽效率，增加电缆寿命，故将用单向螺杆取代双向螺杆，采用电液控制的自动排缆装置。通过本课题的研究，确定新型电液控制自动排缆装置总体结构，为单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，设计制造出新型的电液控制自动排缆装置用于实际生产。1.4本章小结在本章中，介绍了电动铲运机的运用领域及国内外发展历史，分析了目前国内外自动排缆装置的研究现状，提出了本文的主要研究内容、研究意义和欲解决的工程问题。

第二章电动铲运机自动排缆装置的基本组成、工作原理、存在问题及故障分析2.1卷缆装置的组成卷缆装置一般由卷筒、传动装置、排缆装置和导向辊等部件组成，卷筒是用来装载缠绕电缆的部件，卷筒内筒的半径要大于所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与卷筒的长度决定了所能容纳电缆的长短。排缆装置的作用是使电缆在卷筒上的有序缠绕，使用单向螺杆正反转来实现电缆的多层自动排列。导向辊的作用是在电动铲运机处于任一位置时，电缆都能从一个方向引入卷筒。传动装置是在排缆装置运行时传递动力使电缆能够自动收放，一般选用链条传动。图2-1卷装置总成示意图电缆卷筒2-自动排缆装置3-电缆托辊4-电缆立辊5-电缆6-传动链条2.2自动排缆装置组成图2—2前期设计的自动排缆装置1-轴承座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8-电缆导向器图中1为铜套式滑动轴承，2为钢制导轨，3为45钢制作双向螺杆，4为压盖、7电缆导轨体为Q235A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，第一步，将8电缆导向器与4压盖焊接在一起。第二步，将7电缆导轨体套在3双向螺杆上，对准螺旋槽，依次将4压盖、5月牙滑块、6压紧弹簧及弹簧压盖装上。第三步，将1轴承座安装在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。在装配调试完成后，4压盖、5月牙滑块、6压紧弹簧及弹簧压盖这些零件可以更换，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自动排缆装置工作原理多采用双向螺杆式自动排缆装置的多层缠绕。电缆由导向器的导向作用下卷入卷筒，导向器是嵌入螺纹凹槽的，在月牙滑块（螺母月牙板）的作用，可沿着螺杆左右移动。螺杆有左右两条螺距相同的双向螺纹凹槽，两条螺纹在螺杆两端的螺纹过渡处形成封闭回路，因此导向器可在双向螺杆上往复移动。螺杆通过链条链轮由卷筒带动旋转，在电缆沿轴向移动节距的距离时，电缆在卷筒上刚好缠绕一周。当电缆缠绕铺满一层到达卷筒端部时，月牙滑块也同时在螺纹尽头从一个方向的螺纹过渡到另一方向的螺纹上去，电缆随着往返运动，实现了电缆在卷筒上的多层缠绕。而且，当电缆在卷筒上放出时，电缆是严格按照缠绕的反方向进行。正是双向螺杆在螺纹尽头能自动换向的排缆特点，使之在电动铲运机上得到了推广应用。2.4主要部件故障分析2.4.1常见故障前期设计的自动排缆装置如图2-2所示，虽然能够实现自动有序排缆的目的,但它的使用寿命只能达到1～2个月,没有实用价值。（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；2.4.2故障数树的建立2-3自动排缆装置故障树2.4．3故障分析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。电缆导向器大多为环状圆钢结构，电缆在导向器上时滑动摩擦，易对电缆的产生磨损，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技术要求，在槽内与月牙滑块的磨损严重。另外螺纹槽换向的光滑过度部分制造难度大，采用通用金属切削设备无法加工、质量无法保障，专用金属切削设备造价高、效率低。（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20天左右，不能满足使用要求，（4）双向螺杆没有设置密封装置，恶劣的环境会使泥水落入导向槽中，破坏月牙滑块的润滑。（5）电缆导向器安装在双向螺杆的上方，工作时电缆上粘着的泥水就被导向器带入到螺杆的导向槽中，加剧了月牙滑块的磨损。本章小结本章介绍了电动铲运机自动排缆装置的基本组成，简单阐述了它的工作原理及存在的问题，并建立了自动排缆装置的故障树，对主要部件进行常见故障分析，为解决故障提供了依据。

第三章电液控制自动排缆装置总体结构设计3.1电动铲运机电液控制自动排缆装置的设计要求及设计原理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功能的需要。在电动铲运机的前进、后退、转弯及行驶速度变化时，能够根据电缆卷筒对电缆的缠绕、放出、停止等动作，实现电缆在电缆卷筒上的分层、有序排列。（2）使用性能要求满足力学要求，具有足够的强度、硬度、耐磨性等机械性能。（3）工艺性能要求零部件的制造相对简单，采用普通工艺装备能够完成，制造成本低，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恶劣的环境，具要一定的防泥水油污功能。（5）维修性能要求维修性能好，零部件拆卸、安装方便。3.1.2设计原理采用单向螺杆自动排缆装置，结构相对简单，易于生产。采用液压马达为动力驱动自动排缆装置，单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，带动电缆导轨体沿单向螺杆运动。在单向螺杆两端设置行程开关，当电缆在单向螺杆上运动至螺纹尽头时，触碰行程开关，配合电磁换向阀，控制液压马达反转，从而控制单向螺杆的反转，实现连续排缆的目的；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，此外当电缆运动至螺纹尽头，卷筒上的电缆应刚好铺满一层，实现整齐排缆的目的。3.1.3设计原理图3-1示意图1-卷缆马达2-驱动链轮3-卷筒链轮4-液压马达5-驱动链轮6-排缆链轮7-卷筒8-电缆9-排缆导向组件10-单向螺杆11-行程开关触点12-滑轨3.2主要零部件的结构设计3.2.1电缆的选用作为矿用电动铲运机专用连接与控制的移动柔性电缆,适用于易磨损且有较高机械应力的往复自由弯曲移动场合，不仅作为铲运机尾缆、卷筒电缆和牵引电缆还可用作动力系统中的拖曳电缆使用。如：矿用凿岩机、矿用台车、矿用电动铲运机、撬毛台车、锚杆台车、掘进凿岩台车等矿下移动设设备以及斗轮堆取料机、采煤机、掘进机、翻车机等大中小型采煤运输移动设备和港口机械吊装设备安装工程。

铲运机电缆产品结构：

导线：铲运机电缆多股精细无氧裸铜丝,柔性防扭成束。

绝缘：高机械性混合弹性体/TPE材料。

颜色代码：5芯颜色编码符合VDE0293-308,6芯及以上黑色芯线白色数字编号。线芯结构：柔性防扭结构。

内护套：挤压式弹性体/PUR材料；阻燃耐磨。

加强件：抗拉芳纶纤维编织。

护套材料：聚氨酯PUR材料；黄色/黑色。

常用规格：3X16+1G10,3X25+1X16/10,3X35+1X16,3X50+1X25,4X50,3X95+1X50,3X120+1X95，3×35+3G6,3×50+3G10选择电缆型号3×25+1×16，电缆直径标称为36.4mm。3.2.2电缆卷筒的设计电缆卷筒的结构如图3—2所示。卷筒两端，一端支承在带座轴承上（图中未示出），另一端用两个滚动轴承支承在空心轴上。空心轴上装有4～5组集电环，每组集电环的组成是中间三片铜环，外边两片对称绝缘胶木片。三片铜环中，最中间的一片有一个耳子能随卷筒回转，另一个耳子与输入电缆相连接，其余两片是固定在空心轴上，不发生转动，每片端面上都有一个接头，两边接头同时与控制箱电缆相连。绝缘胶木片可防止电流相与相之间短接。大链轮驱动卷筒旋转，小链轮传递动力使排缆螺旋轴回转。卷筒内装有过卷保护，当电缆在卷筒上的圈数较少（12m左右）时就会自动断电，保护电缆与卷筒装置。3-2卷筒总成图1-空心轴2-卷缆链轮3-电缆卷筒总成4-集电环国内外相关文献中，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单向螺杆上的轴向移动速度恰好等于电缆在卷筒上的轴向排缆速度，即满足下述关系式：（3-1）式中：—单向螺杆的螺距，mm；d—电缆的直径，mm；—卷筒转速，r/min；—单向螺杆转速，r/min；x—修正值，一般取1～2mm。设电缆卷筒上可缠绕电缆的总长度L，即电缆卷筒的最大容缆量，决定了电动铲运机一次配电后的活动范围，即运距的大小。(3—2)式中：m—每层电缆缠绕圈数：QUOTEm=Bd+x(3—3)n—缠绕电缆的总层数：QUOTEn=(Dmax-Dmin)2d已知卷筒装置参数：卷筒直径：Dmin=460mm；卷筒缠绕电缆时的最大直径：Dmax=920mm；卷筒内部宽度：B=420mm；电缆直径：d=36.4mm；得：m=11；n=6.3，取n=7；L=172824.344mm，约为173m。3.2.3单向螺杆结构设计单向螺杆的导向槽及换向部的总导程（月牙滑块的总行程）：（3-5）B—卷筒可容纳电缆的宽度（mm），设计值为420mm；d—电缆直径（mm），标称直径为36.4mm，最大直径为40.1mm，经实测10个点，加权平均，取为39.4mm。x—修正值，一般取1～2mm把上面取值带入式（3-5），得：QUOTELk=400.6mmLk又可写成：QUOTE(3-6)QUOTEtbtb—单向螺杆螺纹螺距（mm），设计值为50.8mm；n—单向螺杆螺纹圈数。则单向螺杆螺纹圈数：取n=83.2.4月牙滑块的结构设计在单向螺杆自动排缆装置中，月牙滑块的作用是在单向螺杆螺旋槽的摩擦力的轴向分力的作用下，月牙滑块带动排缆导向组件沿单向螺杆轴线方向拖动电缆往复运动。单向螺杆自动排缆装置对月牙滑块结构的要求：（1）能沿单向螺杆的螺旋槽灵活运动，不能有卡滞现象；（2）只能在螺旋槽的换向部（螺旋槽结束处）换向。因此，月牙滑块的结构设计要做到：（1）月牙滑块与螺旋槽底部接触部分应为近似椭圆，椭圆的短轴为螺旋槽的小径直径，长轴与螺距和小径有关，其关系式为：转化为：QUOTEb=d2+tb22式中：b—椭圆长轴；d—螺旋槽的小径(椭圆的短轴)，设计值为40mm；QUOTEtbtb—单向螺杆螺纹标准螺距，设计值为50.8（mm）；计算得：b=47.4mm。（2）月牙滑块与螺旋槽侧壁接触部分尺寸相互配合，可以通过投影作图法或计算求的。（3）月牙部的长度要控制在螺旋槽相交形成的缺口宽度（实测得33.05mm）与螺旋槽的大径（57mm）之间。3-4月牙滑块总成图3.3单向螺杆材料选择与制造工艺设计3.3.1单向螺杆的材料选择单向螺杆自动排缆装置的传动形式属于滑动螺旋传动，主要承受扭矩及轴向压力的作用，同时在螺杆与滑块之间有相对滑动，受摩擦力的影响，其主要的失效形式是：（1）螺旋槽表面及滑块月牙部的磨损；（2）螺纹槽与滑块的弯断或剪断；（3）螺杆的拉断或剪断。因此，对滑块与单向螺杆的材料要求如下：（1）必需有足够的强度，排缆时会产生轴向力，该轴向力最终作用在月牙滑块的底端与螺纹槽的相接触处，对滑块及螺纹槽产生挤压和剪切作用非常明显。（2）有良好的耐磨性和润滑性，滑块在螺纹槽的移动受摩擦力影响,因而滑块的材料与单向螺杆的材料必须耐磨。（3）单向螺杆是新型自动排缆装置的关键部件，单向螺杆的加工精度直接决定了新型自动排缆装置的使用寿命。选择合理的工程材料是提高单向螺杆的加工精度，降低单向螺杆制造成本的最好选择。综上所述，分子量高达150万以上的超高分子量聚乙烯（UHMW-PE）因物理力学性能和制造加工性能优异无疑是不错的选择。超高分子量聚乙烯（UHMW-PE）因物理力学性能优异而作为工程塑料应用。UHMW-PE极高的分子量（HDPE的分子量通常只有2～30万）赋予其优异的使用性能，而且属于价格适中、性能优良的热塑性工程塑料，它几乎集中了各种塑料的优点，具有普通聚乙烯和其它工程塑料无可比拟的耐磨、耐冲击、自润滑、耐腐蚀、吸收冲击能、耐低温、卫生无毒、不易粘附、不易吸水、密度较小等综合性能，是螺纹及螺纹槽理想的材料，另外键槽端和芯部采用45号钢制造的芯轴，增加螺杆刚度。如图所示：3-8单向螺纹3.3.2单向螺杆制造工艺设计钢塑单向螺杆的制造，首先，制作筒形有导向螺纹槽的模具和45号钢芯轴。其次，模具内表面涂脱模剂，并在模具中固定好钢芯轴。最后，利用模压成型技术，称取配好的超高分子量聚乙烯粉料，放入涂有脱模剂的模具中，加压5MPa左右，因为不是为了成型，仅仅是为了排除原料中的空气，使原料密实，增加热导率，减少烧结时间，所以压力不用太大；把模具放入加热炉中进行加热40分钟左右，加热温度为195℃左右。取出模具放到压力机上，边加压8～12MPa（压力的大小根据不同的情况有所不同）边冷却，冷却到65～75℃；开模取出制品，修整飞边，进行定型，制成复合材料的单向螺杆。工艺过程如图3-9所示。3-9工艺过程图3.4本章小结本章主要介绍了自动排缆装置中主要部件的结构设计、材料选择，并对主要部件进行三维设计，同时制定了新型钢塑复合材料的单向螺杆的制造工艺。电动铲运机电液控制自动排缆装置的计算4.1关键部位的受力分析4-1电缆受力图由图4-1可得在托辊处电缆所受的张力的计算公式为：（4-1）式中：T—电缆托辊处电缆所受的张力，N；ρ—所选电缆的单位长度质量，kg/km；WJD—1.5型电动铲运机选用UY矿用移动橡套软电缆，型号3×25+1×16，参考重量ρ=2269kg/km。h—电缆托辊离路面的垂直高度，m，根据卷筒与托辊的布置决定，根据卷缆装置设计图4-2，取h=1.423m。4-2卷缆装置1-立辊2-托辊3-自动排缆装置4-卷筒5-驱动链轮x—电缆托辊距电缆着地点的水平距离，m，一般为3～5米，根据使用的实际情况和调试结果，取4米比较合适。将数值代入式（4-1），计算得T=182.8N对自动排缆装置的工作状态分析后知道，自动排缆装置最危险的工作状态如图4-10所示：电缆从铲运机右后侧经过立辊、横辊改变方向后，再穿过自动排缆装置的排缆导向器缠绕排列到卷筒的侧挡板处。4-3自动排缆装置最危险工作状态（俯视图）1-立辊2-托辊3-自动排缆装置4-卷筒根据最危险工作状态，绘制出受力分析如图4-3所示：4-4自动排缆装置受力分析计算简图图4-4中，T即为电缆托辊处电缆所受的张力，由式（4-1）计算知T=182.8N。由图4-4中的几何关系，计算排缆装置所受的轴向力为：QUOTEF=Tcos56掳(4-2)将T=182.8N代入计算，得排缆装置得轴向力F＝102.8N4.2关键部位的强度计算由于本结构传动精度不高，所受力较小，而且从整个装置的使用情况分析及受力分析来看，装置中工作条件最差且最易失效的零件是月牙滑块；同时本次设计中螺杆螺旋部与月牙滑块的材料相同，均为自润滑性能和不粘性能良好的超高分子工程塑料UHMW-PE，其耐磨性能相同，螺杆螺旋根部截面积远大于月牙滑块，其剪切强度也远高于月牙滑块；故仅对月牙滑块的受力进行理论分析计算。对螺杆刚度、临界转速等不予考虑。1、月牙滑块强度校核剪切强度：QUOTE(4-3)式中：F—月牙滑块所受的径向力，即排缆装置所受的轴向力，F=102.8N；S—受力截面积，QUOTE；QUOTE—许用剪切应力。月牙滑块所承受的剪切应力为：计算结果与表4-1所列相应材料比较，月牙滑块所承受的剪切应力非常小，不会产生剪切破坏。表4-1常用工程塑料的物理、力学性能性能指标塑料名称及代号聚氯乙烯，硬质聚氯乙烯，软质聚乙烯（高密度）聚乙烯（低密度）聚乙烯，超高分子量聚甲基丙烯酸甲酯（有机玻璃）PVCPVCHDPELDPEUNMWPEPMMA密度/g.cm-31.30-1.581.16-1.350.941-0.9650.91-0.9250.941.17-1.50吸水率（%）0.07-0.40.5-1.0<0.01<0.01<0.010.20-0.40抗拉强度/MPa45-5010-2521-3839-15.730-3450-77拉伸模量/GPa3.3-0.4-1.030.12-0.240.68-0.952.4-3.5断后伸长率（%）20-40100-45020-100（断裂)90-800400-4802-7抗压强度/MPa--18.6-24.5---抗弯强度/MPa80-90---35-3784-120冲击韧度悬臂梁缺口σ.m-2简支梁，无缺口30-40KJ/m2-80-1067853.4简支梁，无缺口190-200KJ/m214.7硬度洛氏/邵氏/布氏14-17HBS50-75HSA60-70HSD41-50HSD10HRR50HRR10-18HBS成型收缩率（%）0.1-0.51-51.5-401.2-404.00.2-0.6无负荷最高使用温度/℃66-7960-7979-12182-100-65-95连续耐热温度/℃--85---4.3本章小结本章对自动排缆装置进行了受力分析，确定了力的大小和方向，对月牙滑块进行强度校核。

第五章自动换向电液控制系统及关键液压部件选型设计5.1自动换向控制系统5-1液压系统图此系统采用液压马达、液压泵、三位四通电磁换向阀、二位二通电磁换向阀及单向阀和节流阀，其中节流阀和单向阀控制流体流量。通过对液压马达的正反转控制从而控制单向螺杆的正反转，实现连续排揽的目的。5-2行程开关触点示意图在螺杆两端放置行程开关的两个触点，当电缆运动至螺纹尽头触及行程开关的触点AB时，行程开关控制三位四通电磁换向阀和二位二通电磁换向阀，从而使液压马达正转和反转。当螺杆正转时，电缆在其槽内向左移动，触及触点A时，在行程开关的作用下控制液压马达反转，电缆在槽内向右移动，触及触点B，再次改变转向，实现连续排揽。5-3示意总图1-卷缆马达2-驱动链轮3-卷筒链轮4-液压马达5-驱动链轮6-排缆链轮7-卷筒8-电缆9-排缆导向组件10-单向螺杆11-行程开关触点12-滑轨5.2关键液压部件选型设计表5-1适用工况和实例驱动单向螺杆的马达和卷缆马达选择摆线液压马达，适用中低负载速度，体积较小的场合，适合自动排缆装置的工况。其结构简单、低速性能好，短期超载能力强.

摆线马达里面有一个定子和一个活动叶片，定子、叶片和传动轴把马达分成两个腔，每个腔有一个油口，当一个油口进油时另一个出油，进油的推动叶片摆动。表5-2BMP性能参数表根据工况条件卷缆马达所需转速相对快，扭矩大应选择BMP125型摆线液压马达；驱动单向螺杆的马达转速不以为过快应选择BMP315型摆线液压马达。

结论5.1结论为摆脱柴油铲运机废气污染的困扰,我国自80年代中期开始自行研制拖电缆供电式电动铲运机,并取得重大进展。消除了柴油机废气污染和噪音的困扰,改善了井下作业环境,降低了采矿成本,取得了显著的经济和社会效益。前期设计的自动排缆装置，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，本文针对自动排缆装置存在的问题开展研究工作。采用电液控制自动换向的方法，增加了换向的灵活性，单螺杆正反转设计，实现了有序排列的目的。设计新型自动排缆装置，采用钢塑单向螺杆的制造工艺，适应恶劣的工作环境，增加了排缆装置的使用寿命。5.2发展方向自1970年代后期开始，铲运机向大型化、无轨化和电动式铲运机的方向迅速发展。现今，铲运机的自动化程度越来越高，完全可以通过计算机来操作设备。现有机型将采用现代先进技术进一步完善和提高，并向机—电—信一体化的方向发展。对于自动排缆装置可以将机械、电动、液压综合运用，保证传动精度和排揽整齐度。采用ANSYS等计算机工程软件对自动排缆装置进行动力学分析，传统的理论验算和计算机软件技术验证同时展开，得出更加精确的载荷和受力，提高设计精度。社会发展越来越重视环保和安全，整机设计和操作件布置将更注重人机工程学的要求；设备及管路的布置更为合理，使人员易于接近和维修。

致谢首先，这次的毕业设计是在xxx老师的亲切关怀和悉心指导下完成的