刘辉1朱雄晏2罗武生21中伟新材料有限公司研究院宁乡中南林业科技大学长沙
摘要：脱挂抱索器的结构设计一直是国内循环式客运索道可靠性方面重要的研究方向，但对地下矿用索道乘人装置脱挂抱索器的研究还较为缺乏。可通过分析地下矿用索道的使用环境、运行特点并利用有限元方法开发出一款用于国内地下矿用索道的脱挂式抱索器。通过有限元仿真模拟证实了设计的可行性。分析结果表明：该脱挂抱索器基本符合地下矿用索道工况环境，可为后续国内地下矿用索道脱挂抱索器的开发提供有益的参考。
关键词：脱挂抱索器；结构设计；有限元分析；矿用索道
中图分类号：TD文献标识码：A文章编号：-（）03--04
0引言抱索器是架空索道中将乘人装置或货斗与牵引钢索连接起来的一个关键连接装置。在循环式索道中，脱挂抱索器通过减速机构在乘客舱进站时将其与运载索脱开，使乘客便于上下，再通过加速机构提速，重新与运载索挂接，然后出站运行，其运行速度一般控制在7m/s左右。应用脱挂抱索器的索道具有运送量大、速度高和可站内停车的优势，是目前索道的发展方向，但目前国内索道建设尤其是矿用索道建设中仍靠引进为主，其中脱挂抱索器是实现国产化的技术瓶颈和关键所在。针对这一现状，通过对地下矿用索道的使用环境和运行特点的分析，设计了一款矿用索道脱挂抱索器，并对其进行了仿真分析验证。
1脱挂抱索器的结构1.1整体机构功能分析该新型脱挂抱索器采用了由固定钳卡和活动外卡铰链结构组成的脱挂钳。其夹紧动力来自设在固定钳卡内部的扭力杆。通过扭力杆转递的扭矩经活动套筒和连接板将扭力杆产生的扭矩转递到活动外卡，从而驱动活动外卡绕铰链抱紧钢索。整体机构如图1所示。
图1脱挂抱索器整体结构
摩擦板的作用为，当井矿人员乘车运行时，摩擦板由站台脱挂抱索器上方运动的轮胎带动运动，从而带动抱索器一起进出站台方便乘车人员上下车。三只平行行走轮在抱索器脱离钢索时起导向作用，带动脱压轮准确无误地进入槽道。
井矿人员乘车时，站台的特殊槽道托起脱压轮使活动外卡向上运动推动外卡抱紧钢索；到达下站区域时，抱索器的脱压轮被压入下站区域的槽道内，活动外卡转动与固定钳卡分离，从而使抱索器脱离钢索。
1.2机构运动分析脱挂抱索器的主要作用使乘人装置脱挂钢索，因为这种特殊的作用，该结构的运动必须灵活、定位可靠。1)抱紧钢索的运动过程主要由预紧扭力杆产生扭矩带动活动套筒转动，通过连接板推动活动外卡转动来钳紧钢索实现抱索器与钢索的抱紧，运动顺序从左至右过程如图2所示。
图2抱索器钳紧钢索运动过程
当活动外卡运动到抱紧位置时，活动套筒运动到靠近定位销的位置，其运动受到了限制，活动外卡转动不再受到活动套筒的传递来的力矩作用，可降低其弯曲疲劳应力、延长使用寿命。
2)脱开钢索的运动过程脱压轮受到脱开抱索器的槽道向下的压力作用带动活动外卡顺时针转动从而使活动外卡的钳口脱开钢索，实现抱索器与钢索分离，其运动顺序从左至右过程如图3所示。
图3抱索器脱开钢索运动过程
1.3机构设计特点1)该机构由铰链连接构成，没有机构运动死点，抱索牢固可靠。2)采用整体式箱体结构而非焊接箱体结构，整体强度高、可靠性好，环境适应性好。同时，采用箱体内置扭力杆，受外界环境影响小，即使在矿井中潮湿多尘的恶劣环境下仍能灵活地开启、闭合，能很好地适应中国南北各种不同气候条件。3)附加安全保护装置，左右限位销在抱索器开启和打开过程中防止其运动过位，保护抱索器的开启安全，有效保护人员的安全。4)机构简单、灵活、易于维护，适合在井矿等狭小作业环境中应用。
2抱索器主要承载构件的有限元分析2.1抱索器本构关系模型的选取抱索器的制造材料为45号钢，选用ABAQUS软件中的等向强化弹塑性模型，该模型满足VonMises屈服准则、所描述的屈服面在各方向的扩展相同，因而能很好地反应钢材的应力应变过程，特别适用于延展性较好的构件的应力分析。
2.2模型建立的方法本文采用非线性有限元软件ABAQUS建立钢结构三维实体有限元模型。45号钢采用8节点六面体线性减缩积分的三维实体单元C3D8R。与其它实体高次单元相比，该种单元计算精度稍低，但能减少很多自由度，可以大大缩短计算时间。并且，当网格存在扭曲变形的时候，分析精度不会受到很大的影响，特别是在弯曲载荷作用下，不容易发生剪切自锁。钢件的材料弹性模量为GPa,泊松比为0.3，屈服应力为MPa。
2.3承载结构件的有限元分析抱索器钳口是地下矿用索道载人工具与钢索唯一的联接部件，其活动外卡、固定钳卡、活动套筒是安全性关键部位，要对其进行重点设计与校核。抱索器部件有限元分析需要考虑结构受力情况，主要包括：承载吊具的质量、钢索的爬坡角度、制动加速度、动态力。
2.3.1活动外卡应力分析活动外卡按照其功能要求划分网格后的有限元模型如图4所示。
图4活动外卡有限元模型
使用ABAQUS对活动外卡在载重kg工况下进行有限元应力分析，得到活动外卡的应力分布云图如图5。
图5活动外卡应力分布
从应力分布云图中可知：活动外卡的应力分布主要集中在钳口内侧和前端上下表面。最大应力位于钳口内侧，其值约为67MPa，而外卡上下表面的应力，应力值在28Mpa~39Mpa之间。图5的应力云图分布反映了活动外卡实际受力情况：钳口内侧受到钢索的正压力作用，由此正应力产生足够大的摩擦力来使乘人装置不下滑。因此该处是活动外卡受力最大的地方，表现在应力图中的应力值也是最大的。当活动外卡抱紧钢索时，整个活动外卡就可简化为绕铰链的悬臂梁，离支点（铰链）越远应力越小、越近应力越大。与理论力学分析相一致的结果，验证了有限元分析的正确性。在kg的承重下，活动外卡的最大应力为67MPa，远小于45号钢的MPa的屈服应力值。但外卡设计的结果：安全系数S=÷67=3.7,不满足矿用索道标准，吊具和抱索器应有足够的强度，安全系数不小于5（[S]≥5）[7,8]，活动外卡内侧还需要进一步的改进。
2.3.2固定钳口应力分析固定钳卡是抱索器重要受力的结构件之一，它受到钢索的正应力和扭力杆产生扭矩对它的弯曲应力的双重作用。采用有限元对其设计、校核计算，结果如图6所示。
图6固定钳卡应力分布
固定钳卡所受应力分布状况与活动外卡类似，但最高应力分布不在内钳口处而是在铰链孔内侧，这是因固定钳口与活动外卡受力的情况不同所致。其次，在固定钳卡中部两肋处的应力值接近铰链孔值，出现该情况是由两肋臂厚度较薄所引起。所以在进行设计结构时要注意在减重的同时加强两肋壁厚，提高安全性。固定钳卡的应力分布与活动外卡相同：离支点（铰链）越远应力越小、越近应力越大，最大应力值在铰链孔内侧，其值约为31.8MPa。固定钳卡结构设计结果：安全系数S=/31.8=7.7,满足矿用索道安全标准（[S]≥5）[7,8]。
2.3.3活动套筒分析活动套筒也是抱索器重要的受力结构件，直接联接扭力杆，把扭力杆产生的扭矩间接地转递给活动外卡来钳紧钢索，所以活动套筒的应力校核同样很重要。对活动套筒进行有限元分析，应力分布状况如图7所示。
图7活动套筒应力分布
有限元分析的结果显示，在载荷下活动套筒应力分布不均匀，最大应力值约为70MPa。在活动套筒顶部孔下方靠左侧的应力值最大；在其与固定钳卡形成滑动面的地方应力比较小；越过滑动面，其与扭力杆相连接的接触面又出现应力增大。这种现象能从理论力学得到很好的解释：顶部的孔左下方受到连接板的力作用，形成局部应力集中；同固定钳卡形成滑动面的位置因为有润滑油作用，摩擦力小所以应力比较小；而与扭力杆相连接的接触面，扭力杆转递的扭矩在此形成较大的应力集中。活动套筒设计安全系数：S=/70=3.5，尚不满足矿用索道安全标准（[S]≥5）[7,8]，须从有限元应力分布的结果对活动套筒的结构尺寸进行调整改进。
3结论基于ABAQUS有限元分析，以结构是否安全为目标，对抱索机构主要结构件的应力集中区域进行校核，保证设计安全合理。运用有限元分析方法对抱索器结构件进行优化，大大缩短零件的设计周期以及可能出现的设计缺陷，是结构件设计和优化中重要的方法。本文提出的脱挂抱索器方案基本符合矿用索道载荷条件，可为推动国产矿用脱挂抱索器提供参考。
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