小型防附器的緩衝器螺栓預緊力的分析及理論推導

1問題的提出

我國小煤礦的立井提升係統中，大多采用小型防墜器作為斷繩防護安全裝置。小型防墜器的抓捕機構動作後，作用在緩衝繩上的衝擊力把鋼絲繩從緩衝器中拉出（如圖1），緩衝器的螺栓預緊力與繩上的衝擊力要符合一定數學關係才能使緩衝器起到緩衝作用。所以，在設計和安裝每台防墜器時緩衝器的螺栓預緊力是必需弄清楚的重要參數。現在一般在每台緩衝器設計後和安裝前選用足夠強度的螺栓通過試驗法得到。這就是求生產廠家具備一定的試驗能力，同時試驗法不利於批量生產，並會提高生產成本。因此，從理論上研究緩衝器螺栓預緊力的計算方法是完全有必要的，可為設計時螺栓的選擇和安裝時預緊力的設定提供準確可靠的依據。

203manbetx 及理論推導

緩衝器工作的過程也是緩衝鋼絲繩受到的平均衝擊力（用F_n表示）克服緩衝器阻力做功的過程，將能量釋放在緩衝器上。F_n比較容易確定，它僅與提升容重和緩衝距離的參數有關。如何建立螺栓預緊力與F_n之間的數學關係。

首先從緩衝器結構上（如圖1所示），在預緊螺栓的作用下固定輪組與活動輪組相互擠壓緩衝鋼絲繩，使其發生彎曲變形對輪組產生一定包角a。同時擠壓力主要集中在輪與繩的擠壓切點上（如圖2所示A點、B點）。如果把活動輪組成N個輪，每個輪兩側裝有兩個預緊螺栓，那麼共有2N個擠壓切點和2個預緊螺栓，這樣每個切點擠壓力可以看成是每個螺栓預緊力（Q_i來表示）。



為了便於研究，取活動輪組任一輪和局部緩衝鋼絲繩弧段AB如圖2，對其受力03manbetx 。由於F_n在達到緩衝器最大靜阻力時，AB處於平衡受力臨界狀態。03manbetx 此刻繩在A點之前受拉力為F₁，A點之後受拉力為F₀，B點之前受拉力F₁，B點之後受拉力為F₂（設繩與輪的靜摩擦係數為f）可得



截取一微弧段dl，對應的包角為da。設微弧段兩端的拉力分別為F和F+dF，輪給微弧段的正壓力為dF_N，繩與輪麵間的極限摩擦力為fdF_N。由法向和切和向各力的平衡得





由上式可知緩衝器活動輪組從上往下數n個擠壓切點之後緩衝繩受拉力為



當n=1時，F₀代表第一個擠壓點之後緩衝繩受力，所以F₀，又由（4）式遞推和（1）式聯解並整理得



上式即為緩衝器螺栓緊力計算公式。還應值得注意的是公式中摩擦係數，在緩衝的過程中繩與輪相對滑動，緩衝鋼絲繩受到的滑動摩擦阻力要比最大摩擦陰力小。所以使用最大靜摩擦係數主要是考慮保證緩衝作用在設計的距離內完成。

3結束語

鑒於煤礦對安全係數要求較高的特殊性，還需要繼續將使用公式計算的結果與試驗結果進行比對，然後對理論推導出的緩衝器螺栓預緊力計算公式進行修正，以便得到更可靠的計算結果。

《煤礦安全》 晏永飛