矿用索道固定抱索器夹紧力与力矩确定
(１北京昊华能源股份有限公司 大安山煤矿ꎬ北京 １０２４１９ꎻ２? 长沙正忠科技发展有限公司ꎬ湖南 长沙 ４１０００４)
摘 要:为了得出矿用索道固定抱索器抗滑力和夹紧力定量关系ꎬ确保固定抱索器安全可靠运行ꎬ通
过对固定抱索器进行受力分析ꎬ得出了固定抱索器抗滑力与夹紧力、夹紧力与固定抱索器尾部螺栓力
矩的力学关系ꎬ推导出了抱索器夹紧力的计算公式并给出计算步骤ꎬ提供了不同运行坡度下抱索器下
滑力、夹紧力、紧固扭力扳手的力矩参考值ꎮ
关键词:矿用索道ꎻ固定抱索器ꎻ抗滑力ꎻ夹紧力ꎻ力矩
中图分类号:ＴＤ５２ 文献标志码:Ａ 文章编号:０２５３－２３３６(２０１３)１０－０１０２－０３
作者简介:程 军(１９７１—)ꎬ男ꎬ山西运城人ꎬ高级工程师ꎬ现任大安山煤矿副矿长ꎮ 通信作者:写义明ꎬＴｅｌ:１３５４８９８２６２５
引用格式:程 军ꎬ写义明ꎬ王 宇ꎬ等.矿用索道固定抱索器夹紧力与力矩确定[Ｊ].煤炭科学技术ꎬ２０１３ꎬ４１(１０):１０２－１０４ꎬ１２４.
０ 引 言
固定抱索器是在矿用索道上应用最广的一种抱
索器ꎬ是矿用索道的重要关键部件ꎬ其可靠性是安全
运行的重要指标ꎬ直接影响矿用索道的运行安全ꎮ
抗滑力是固定抱索器的一个重要性能指标ꎬ相关的
国家 标 准 ( ＧＢ ２１００８—２００７)、 行 业 标 准 ( ＭＴ/ Ｔ
８７３—２０００、 ＭＴ/ Ｔ １１１７—２０１１)、 安 全 标 准 ( ＡＱ
１０３８—２００７)均对其数值严格规定[１－４]ꎬ如 ＭＴ/ Ｔ
８７３—２０００ 规定:抱索器的抗滑力不应小于重车在
最大坡度时下滑力的２ 倍[２]ꎮ 合理的抗滑力是确保
矿用索道安全运行的保障ꎬ抗滑力检测是产品出厂
检验和型式检验的必检项目[４]ꎮ 固定抱索器的抗
滑力通过其尾部螺栓的夹紧力提供ꎬ而夹紧力则由
作用在螺栓上的力矩获得ꎬ虽然作用在螺栓上的力
矩越大ꎬ抗滑力越大ꎬ但是过大的力矩ꎬ会使抱索器
对钢丝绳造成严重的损伤ꎬ缩短钢丝绳的寿命ꎬ带来
新的安全隐患ꎮ 经查询ꎬ国内外没有文献对矿用索
道固定抱索器抗滑力和夹紧力以及作用在固定抱索
器尾部螺栓上的力矩做定量研究ꎮ 在设计、生产和
使用过程中ꎬ通常是根据经验对该力矩值进行选取ꎬ
这导致固定抱索器的抗滑力大小选取不合理ꎬ带来
了诸多问题和安全隐患ꎮ 研究固定抱索器抗滑力、
夹紧力和力矩的关系ꎬ对提高固定抱索器的运行可
靠性具有重要意义ꎮ
１ 固定抱索器夹紧力与抗滑力的关系
对于固定抱索器夹紧力的计算方法ꎬ矿山乘人程 军等:矿用索道固定抱索器夹紧力与力矩确定
索道标准未有涉及ꎬ在此笔者借鉴客运索道抱索器
的成熟技术ꎬ结合矿用索道固定抱索器的应用实际ꎬ
得出了一系列固定抱索器夹紧力计算公式、步骤和
数据ꎮ 固定抱索器在有倾角的巷道中运行将产生沿
钢丝绳方向的下滑力ꎬ该下滑力主要由吊椅重车总
重力和巷道的最大倾角决定ꎮ 根据矿用索道运送人
员时固定抱索器在巷道中运行的实际情况ꎬ固定抱
索器受力分析如图 １ 所示ꎮ
图 １ 固定抱索器受力示意
Ｑ 为吊椅重车总重力ꎬα 为巷道的倾角ꎬＦ１为 Ｑ
在巷道倾角方向产生的下滑分力ꎮ 上述三者满足以
下关系:
Ｆ１＝ Ｑｓｉｎ α
(１)
根据标准中对抗滑力的规定ꎬ固定抱索器与钢
丝绳产生的抗滑力 Ｆ 应满足:
Ｆ ≥ ２Ｆ１＝ ２Ｑｓｉｎ α
(２)
固定抱索器与钢丝绳的抗滑力 Ｆ 是通过固定
抱索器钳口的夹紧力 Ｐ 产生的ꎬ即固定抱索器钳口
夹紧力 Ｐ 大小直接决定抗滑力 Ｆ 的大小ꎮ 固定抱
索器抗滑力 Ｆ 的大小与钳口的夹紧力 Ｐ、内外钳口
的形状以及钳口与钢丝绳之间的摩擦因数 μ 有关ꎮ
由于各生产厂商采用的加工工艺不同ꎬ固定抱索器
的钳口形状各异ꎬ实际生产中ꎬ使用最多的是圆弧形
钳口ꎬ如图 ２ 所示ꎮ
图 ２ 圆弧形钳口
根据受力分析ꎬ采用圆弧形钳口的固定抱索器
抗滑力 Ｆ 与夹紧力 Ｐ 的关系如下:
Ｆ ＝ ２μ∑Ｐ１＝ ２Ｐμ′
(３)
其中:∑Ｐ１为钳口对钢丝绳的压力ꎻμ′为钳口
处的平均粘着系数ꎮ 由于圆弧形钳口各处的摩擦因
数不同ꎬ考虑到计算的方便ꎬ引入钳口处的 μ′ꎬ与摩
擦因数 μ 相区别ꎮ 粘着系数的计算方法如下:
μ′ ＝ ４μｓｉｎ(γ/２) / (γ ＋ ｓｉｎ γ)
(４)
式中ꎬγ 为圆弧形钳口与钢丝绳接触范围角度ꎮ
抱索器的 ２ 个钳口均与牵引钢丝绳接触ꎬ２ 个
钳口处的粘着系数略有不同ꎮ 假如设定外钳口处的
粘着系数为 μ′１ꎬ内钳口处的粘着系数为 μ′２ꎬ则整个
抱索器的 μ′值可用下式计算
μ′ ＝ (μ′１＋ μ′２) /２
(５)
根据式(１)—式(５)ꎬ以及 ２ 倍抗滑力的临界值
可知:
２Ｐμ′ ＝ Ｆ ≥ ２Ｆ１＝ ２Ｑｓｉｎ α
(６)
则可得出夹紧力 Ｐ≥Ｆ１/ μ′＝Ｑｓｉｎ α/ μ′ꎮ
根据 ＡＱ １０３８—２００７«煤矿用架空乘人装置安
全检验规范»中第 ７? ６? １ 条规定ꎬ吊椅重车总重力 Ｑ
按 １ １００ Ｎ 计算ꎬ可得:
Ｐ ≥ １ １００ｓｉｎ α/ μ′
(７)
由式(６)、式(７)可知ꎬ根据现有标准规定ꎬ在吊
椅重车总重力一定的情况下ꎬ固定抱索器的最小抗
滑力与巷道的倾角成正比ꎬ与抱索器钳口处的粘着
系数成反比ꎮ 因此ꎬ可以得出:①固定抱索器的最小
抗滑力在不同倾角的巷道中不同ꎬ应根据实际巷道
倾角情况ꎬ确定不同的抗滑力ꎻ②固定抱索器的最小
抗滑力与抱索器钳口的形状有关ꎬ在实际使用过程
中ꎬ应根据不同钳口形状ꎬ分析计算其钳口粘着系
数ꎬ以便确定合适的抗滑力ꎮ
图 ３ 固定抱索器结构示意
２ 固定抱索器夹紧力与尾部螺栓力矩关系
普通固定抱索器和碟簧固定抱索器的结构如图
３ 所示ꎮ 在实际工作中ꎬ通过拧紧固定抱索器尾部
螺栓ꎬ使内抱体压紧牵引钢丝绳ꎬ从而获得所需要的
夹紧力ꎮ 从力矩到夹紧力的传递是一个过程ꎬ受到
多种因素的影响ꎮ 力矩扳手处的力矩 Ｍａ为[１１]
Ｍａ＝ Ｍｐ＋ Ｍｔ
(８)
Ｍｐ＝ ＰＤｃｔａｎ(θ ± ρ) /２
(９)
３
０
１
２０１３ 年第 １０ 期
煤 炭 科 学 技 术
第 ４１ 卷
Ｍｔ＝ Ｐｆｄｔ/３
(１０)
ｔａｎ ρ ＝ ｆ(１ ＋ ｃｏｓ２θｔａｎ２β/２) /２
(１１)
其中:Ｍｐ为外抱体尾端丝扣处的力矩ꎬＮ?ｍꎻ
Ｍｔ为顶轴端部的力矩ꎬＮ?ｍꎻｄｔ为顶轴直径ꎬｍｍꎻ
Ｄｃ为螺丝中径ꎬｍｍꎻθ 为螺旋导程角ꎬ(°)ꎻρ 为螺纹
当量摩擦角ꎬ(°)ꎻｆ 为螺母与螺杆接触表面间的摩
擦因数ꎻβ 为牙型角ꎬ(°)ꎮ 由式(８)—式(１１)可得
Ｐ ＝ Ｍａ/ [(Ｄｃｔａｎ(θ ± ρ) /２ ＋ ｆｄｔ/３)]
(１２)
从式(１２)可以看出ꎬ固定抱索器的夹紧力 Ｐ 与
力矩扳手处的力矩成正比ꎬ同时还与抱索器尾部螺
栓的参数有密切关系ꎬ如螺丝中径、螺旋导程角、螺
纹当量摩擦角、螺母与螺杆接触表面间的摩擦因数、
牙型角等ꎬ因此可以得出:①固定抱索器尾部螺栓的
力矩直接决定了固定抱索器的夹紧力大小ꎬ实际使
用过程中ꎬ应确保力矩扳手的精度ꎬ并设置合适的调
定值ꎻ②应选择合适参数的尾部螺栓ꎬ确保夹紧力的
大小和稳定性ꎮ
３ 固定抱索器夹紧力和力矩的计算实例
为了更直观说明固定抱索器夹紧力和力矩的关
系ꎬ现以常用钢丝绳直径为 ２４ ｍｍ 的固定抱索器为
例对其夹紧力和力矩进行计算ꎬ并给出不同倾角下
固定抱索器夹紧力和力矩的推荐值ꎮ
３? １ 夹紧力计算
ø２４ ｍｍ 固定抱索器钳口如图 ４ 所示ꎮ
图 ４ ø２４ ｍｍ 固定抱索器钳口示意
外抱体钳口与钢丝绳的接触角 γ１＝ １４８°ꎬ即
２? ５８２ ｒａｄꎻ内抱体钳口与钢丝绳接触角 γ２＝ ９２°ꎬ即
１? ６０５ ｒａｄꎮ 所以:μ′１＝ ４μｓｉｎ(γ１/２) / (γ１＋ｓｉｎγ１)＝
０? １６１ ０ꎬμ′２＝４μｓｉｎ(γ２/２) / (γ２＋ｓｉｎ γ２)＝ ０? １４３ ９ꎮ
由以上计算得ꎬ整个钳口上的平均粘着系数 μ′ ＝
(μ′１＋μ′２) /２＝０? １５２ ４５ꎬ取 μ′＝０? １６ꎮ 代入式(６)得
普通刚性抱索器夹紧力 Ｐ 为
Ｐ ≥ １ １００ｓｉｎ α/ μ′ ＝ ６ ８７５ ｓｉｎ α
(１３)
当选用碟簧式固定抱索器(图 ３ｂ)时ꎬ其碟簧产
生的张力应略大于螺栓拧紧时的夹紧力 Ｐꎬ一般可
乘以 １? １ 的系数ꎬ则碟簧固定抱索器的夹紧力 Ｐ′为
Ｐ′ ≥ １? １Ｐ ＝ ７ ５６３ ｓｉｎ α
(１４)
ＡＱ １０３８—２００７ 规定固定抱索器最大适应倾角
不大于 ３５°ꎬ根据式(１３)、式(１４)ꎬ不同倾角下固定
抱索器最小夹紧力和最小力矩见表 １ꎮ
表 １ 不同倾角下固定抱索器最小夹紧力和最小力矩
巷道倾
角/ (°)
最小夹紧力/ Ｎ
普通
碟簧
最小力矩/ (Ｎ?ｍ)
普通
碟簧
３５
３ ９４３
４ ３３７
４１
４５
３０
３ ４３８
３ ７８２
３６
４０
２５
２ ９０６
３ １９６
３０
３３
２０
２ ３５１
２ ５８７
２５
２７
１５
１ ７７９
１ ９５７
１８
２０
１０
１ １９４
１ ３１３
１３
１５
注:不同直径钢丝绳对应的抱索器钳口所形成的包角会略有出
入ꎮ 要得到准确的数值ꎬ应按钳口实际形状和尺寸计算折合粘着
系数ꎮ
３? ２ 力矩计算
目前矿山乘人索道固定抱索器其紧固最常见的
为 Ｍ２０ 螺栓ꎬ可推知:①普通固定抱索器夹紧力对
应紧固扭力扳手力矩 Ｍ≥ＰＲ＝ ６ ８７５Ｒｓｉｎ αꎬ其中:Ｒ
为力矩扳手的力臂ꎮ ②碟簧固定抱索器的夹紧力对
应紧固扭力扳手的力矩 Ｍ′≥Ｐ′Ｒ＝７ ５６３Ｒｓｉｎ αꎮ 实
际抱索器使用一段时间后ꎬ钳口的内壁会形成绳纹
槽ꎬ其粘着系数通常会超过计算值ꎬ因 μ 不等同于
μ′ꎬ所以用 μ ＝ ０? １３ 直接代入公式计算求出的夹紧
力 Ｐ 偏大ꎮ
３? ３ 固定抱索器夹紧力和力矩推荐值
根据以上计算ꎬ单人吊椅的固定抱索器矿山乘
人索道在不同运行坡度下的抱索器下滑力、夹紧力、
力矩推荐值见表 ２ꎮ 根据上述方法ꎬ对于特殊双人
乘座吊椅的固定抱索器夹紧力也可参照按上述公式
逐步计算出来ꎬ此处不再论述ꎮ
表 ２ 单人吊椅固定抱索器下滑力、夹紧力与力矩推荐值
运行坡
度/ (°)
下滑
力/ Ｎ
夹紧力/ Ｎ
普通
碟簧
推荐力矩/ (Ｎ?ｍ)
普通
碟簧
３０~３５
６３１
４ １００
４ ５００
４１
４５
２５~３０
５５０
３ ６００
４ ０００
３６
４０
２０~２５
４６５
３ ０００
３ ３００
３０
３３
１５~２０
３７６
２ ５００
２ ７００
２５
２７
１０~１５
２８５
１ ８００
２ ０００
１８
２０
０~１０
１９１
１ ３００
１ ５００
１３
１５
注:表中数值含有一定的富裕量ꎬ实际选择时不应超过表中给出
的数值ꎮ
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