（机械设计及理论专业论文）矿用金属网气动联接装置的研究.pdf

太原理工大学硕士研究生学位论文 矿用金属网气动联接装置的研究 摘要 近年来，随着锚杆支护技术的发展，锚网支护技术得到了大范围的推 广使用，取得了显著的经济效益。而金属网在锚网支护中起着重要的作用。 高质量的金属网能有效控制锚杆之间非锚固岩层的变形，托住巷道的岩石， 是确保锚杆加固作用的重要措施。巷道围岩的稳定性愈差，金属网的作用 愈加重要。而目前，矿用金属网绝大多数采用的是人工手动联接，用一种 简易的联网工具手工打结。这样，工人劳动强度大，工作效率低，而且结 点质量不可靠。随着综采工作面高产高效的需求，对金属网的联接方式和 方法也提出了越来越高的要求。 针对这种手工联网的现状，设计开发了一种矿用金属网的专用联接装 置。这种联网装置采用p l c 控制与气动控制相结合的方法，不仅节省能源， 不污染环境，而且结构简单，操作方便，工人只需用手启动按钮即可完成 结点的联接，而且打结动作可循环进行，大大减小了工作劳动强度，提高 了工作效率。 在结点形成理论和送丝导路的理论分析和计算基础上，对送丝机构进 行了合理的机构设计，并对联网装置的主机部分进行了具体的选型和设计。 其中，对于送丝机构，设计了两种送丝方案，第一种是通过开有v 型槽的 啮合齿轮传动送丝，运用p r o e 软件建立了送丝机构模型，通过a d a m s 进行 运动仿真，仿真结果表明这种送丝方式送丝力不稳定，铁丝传动有跳动现 象。因而采用第二种送丝方式即圆柱轮送丝，经运动仿真，这种送丝机构 l 太原理工大学硕士研究生学位论文 传动平稳，效率高。控制部分采用p l c 控制与气动控制相结合，实现了金 属网联接的自动化和高效化。该装置不仅可以实现自动联网打结，而且结 点质量可以满足矿用金属网的需求。同时，将电气控制部分放置于防爆控 制柜中，符合井下防爆性能要求。 文中还对气动系统进行了动态仿真，经仿真表明该系统响应速度快， 平稳性好。根据设计理念和相关参数的计算进行了具体的选型和样机制作。 在实验室通过空气压缩机和散状网片，进行了金属网联接的多次试验。通 过试验确定了系统工作压力，并在现场进行了工业性试验。经试验，证明 金属网联接装置可以实现金属网的自动联接，联网质量好，验证了金属网 气动联接装置的可行性和可靠性。 关键词：矿用金属网，送丝机构，联接，气动系统 太原理工大学硕士研究生学位论文 r e s e a r c ho nm n e t 札n e tp n e i 丁m a t i c t gm a c h d 厄 a bs t r a c t r e c e n t l y , w i t ht h ed e v e l o p m e n to fb o l tn e ts u p p o r tt e c h n o l o g y , b o l tn e t s u p p o r th a sb e e nu s e dw i d e l ya n dg o to b v i o u se c o n o m i cb e n e f i t m e t a l - w i r ei s v e r yi m p o r t a n ti nb o l tn e ts u p p o r t h i 曲一q u a l i t ym e t a l - n e tc a nc o n t r o lt h e d i s t o r t i o no fn o n a n c h o r i n gs i l l ，a n di tc a ns u p p o r tt u n n e lr o c k ，w h i c hi sa n i m p o r t a n tm e t h o dt oe n s u r et h er e i n f o r c e m e n to fa n c h o ra r l t l t h ew o r s et h e s t a b i l i t yo ft u n n e lr o c ki s ，t h em o r ei m p o r t a n to fm e t a l w i r ei s a tt h ep r e s e n t t i m e ，t h em a j o rj o i n to fm e t a l w i r ei ss t i l ll i n k e dw i t l las i m p l i f i c a t i o nt o o li n m a n u a l b u ti th a st h ep r o b l e m so fh a r di n t e n s i t yo fl a b o r , l o we f f i c i e n c ya n d w o r s eq u a l i t yo fk n o t s w i t ht h eq u i c k l yd e v e l o p m e n to fw o r k i n gf a c e ，an e w m e t h o do fm e t a l n e tt y i n gi sn e c e s s a r y a g a i n s tt h ep r e s e n ts i t u a t i o no fm e t a l n e tt y i n gi nm a n u a l ，as p e c i a lt y p eo f m e t a l - n e tt y i n gm a c h i n ei sd e s i g n e d p l ca n dp n e u m a t i cs y s t e mc o n t r o li su s e d i nt h i ss p e c i a lt y i n gm a c h i n e ，w h i c hi s s i m p l ei n s t r u c t u r ea n dm a n i p u l a t e d e a s i l y t h i ss p e c i a lm a c h i n ec a na l s ob ec y c l i n go p e r a t e d ，d e c r e a s ew o r k i n g i n t e n s i t ya n da l s oi n c r e a s ew o r k i n ge f f i c i e n c y b a s e do nt h ea n a l y s i sa n dc a l c u l a t eo fk n o tt h e o r ya n dw i r ef e e d i n gg u i d e p a s s a g e ，t h ew i r ef e e d i n gm e c h a n i s mi sd e s i g n e da n dt h em a i np a r t so fm i n e i i i 太原理工大学硕士研究生学位论文 m e t a l n e tt y i n gm a c h i n ei sp r o d u c e d t h e r ea r et w od e s i g ns c h e m e so fw i r e f e e d i n gm e c h a n i s m t h ef i r s to n ei sc o m p l e t e db yg e a rd r i v i n gw i t hvg r o o v e t h em o d e lo f w i r ef e e d i n gi ng e a rw i t hvg r o o v ei sb u i l ta n dt h e ne m u l a t e db y a d a m s t h ee m u l a t i n gr e s u l t si n d i c a t et h a t ，t h i sf e e d i n gs c h e m eh a st h e p r o b l e m so fi n s t a b i l i t yo fb o t ht h ew i r ea n dg e a r s ot h es e c o n ds c h e m ei su s e d ， w h i c hi sc o m p l e t e db yc o l u m nw h e e l a n dt h ee m u l a t e dr e s u l t si n d i c a t et h a tt h i s s c h e m ei sf e a s i b l e t h ed r i v i n gf o r c ei ss t a b l ea n di tc a na l s oi n c r e a s ee f f i c i e n c y p l ca n dp n e u m a t i cs y s t e mc o n t r o la r ec o m b i n e dt oc o m p l e t et h ea u t o m a t i z a t i o n a n dh i g he f f i c i e n c yo f m i n em e t a l w i r et y i n gm a c h i n e t y i n gm a c h i n ec a nn o t o n l yc o m p l e t et h et y i n go fd i f f e r e n tn e t s ，b u tc a na l s oc o m p l e t et h et y i n g a u t o m a t i c a l l y m e a n w h i l e ，t h ee l e c t r i c a lc o n t r o ls e c t i o n sa r el a i di nu n e x p l o i t e d c a b i n e t t h ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i co fp n e u m a t i cs y s t e mi se m u l a t e db ym a t l a b ， a n dt h es i m u l a t i o nr e s u l t si n d i c a t et h a tt h ep n e u m a t i cc o n t r o ls y s t e mi ss t a b l e a n dt h er e s p o n s ei sq u i c k l y t h et y i n gm o d e lm a c h i n ei sp r o d u c e da c c o r d i n gt h e t h e o r ya n a l y s i sa n dc a l c u l a t e i nl i b r a r y , m a n ym e t a l n e tt y i n ge x p e r i m e n t sa r e d o n ew i t h a i r - c o m p r e s s o r a n ds p r e a dn e t - p i e c e st od e t e r m i n et h es y s t e m p r e s s u r e a n di n d u s t r i a le x p e r i m e n t sa r ed o n e i nm i n e 。e x p e r i m e n t sa u t h e n t i c a t e t h a tm e t a l - n e tt y i n gm a c h i n ec a nc o m p l e t em e t a l - n e tt y i n ga u t o m a t i c a l l ya n dt h e q u a l i t yo f k n o ti sw e l l ，a n di ta l s oa p p r o v e st h ef e a s i b i l i t ya n dr e l i a b i l i t yo fm i n e m e t a l w i r ep n e u m a t i ct y i n gm a c h i n e i v 太原理工大学硕士研究生学位论文 k e yw o r d s ：m i n em e t a l n e t ，f e e d i n gm e c h a n i s m ，t y i n g ，p n e u m a t i cs y s t e m v 声明尸明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在指导教师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文 不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究 做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的 法律责任由本人承担。 椰f 上， 论文作者签名：幽! 1日期：型叁： 关于学位论文使用权的说明 本人完全了解太原理工大学有关保管、使用学位论文的规定，其 中包括：学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印 件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文； 学校可允许学位论文被查阅或借阅；：学校可以学术交流为目的， 复制赠送和交换学位论文；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容( 保密学位论文在解密后遵守此规定) 。 签名：豳日期：狴：兰 导师签名：壑塑日期： 嘴6 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 1 课题背景 第一章概述弟一早僦逊 1 1 1 矿用金属网的广泛应用 矿山压力显现是客观的自然规律，在巷道旄工中所遇到的矿山压力包括顶压、侧压、 底压，在矿山压力显现中，上述三种压力相互传递显现。而矿井的支护就是为了缓和及 减少围岩的移动防止围岩的破坏，保证矿井的安全生产，满足安全生产的需要。“锚网 支护是喷射混凝土、各类锚杆( 索、拴、管) 和金属网联合支护的简称，如图1 1 。 在煤矿井巷道中采用锚网支护方式，是对于破裂性岩体、跨度较大的巷道除了喷射混凝 土以外，在打锚杆后，紧贴岩面铺一层金属网，在金属网上喷射一定厚度的混凝土层。 为保证支护质量，做到网与网连接的整体性，用钳子和铁丝把网片连接。金属网广泛使 用于锚网支护中【l j 。 1 硷属网2 混凝土层3 围岩体4 锚秆5 拖板 图1 - 1 锚网支护示意图【1 】 f i g 1 - 1b o l tn e ts u p p o r t 近年来，锚网支护已在国内外得到广泛应用，在松软、破碎、大变形和动压巷道中 试验采用锚网支护也有进展，如出现了伸缩性或柔性的可伸缩性锚杆。当前，在大变形 巷道中使用锚喷支护的主要问题是喷层与锚杆的柔性很不匹配，在围岩变形或爆破震动 太原理工大学硕士研究生学位论文 作用下喷层过早开裂失效，丧失了与锚杆共同作用的条件，致使围岩性能不断恶化，围 岩与混凝土陆续掉块，严重的造成冒顶和片帮事故。为了避免喷层过早开裂，国内外正 致力于柔性喷层的研究，主要途径如下l z j ： ( 1 ) 在混凝土中掺钢纤维或其它化学纤维，以提高喷层的抗拉强度、抗压强度、韧 性和抗裂性能。 ( 2 ) 在混凝土中掺入添加剂，以提高混凝土的韧性与抗裂性能。在喷射混凝土中掺 入1 5 - - - 2 0 的粉煤灰，不仅降低了成本，而且提高了喷层的韧性与抗裂能力。 ( 3 ) 在混凝土中铺设金属网，形成钢筋混凝土喷层。 目前，钢纤维混凝土喷层的成本较高，各种化学纤维喷层尚在试验研究之中；混凝 土掺添加剂对改善混凝土的柔性作用不显著。在当前的条件下，金属网喷层仍是改善喷 层性能最简单、可靠的途径。而金属网对喷层柔性的改善程度，主要取决于金属网的材 料和结构形式。 1 1 2 矿用金属网对围岩的加固作用机理 通过围岩变形破坏情况分析，认为巷道支护应把巷道顶板、两帮及底板支护看作一 个整体，避免因局部支护状态的恶化而造成整个支护系统失衡、失效，最终导致巷道失 稳。而锚网支护中的金属网可以托住非锚固区已经破裂的岩石，防止岩块垮落，将锚杆 之间的非锚固岩层载荷传递给锚杆，使单根锚杆的点支护转变为锚杆支护系统的面支 护，而且金属网本身也能对围岩提供支护力，由于金属网的存在使得锚杆支护系统成为 一整体结构，这同巷道支护是一个整体概念相适应的，避免了因局部支护恶化而导致整 个巷道失稳。金属网锚杆整体支护系统可以均衡巷道各部分的受力和变形状态， 提高了巷道整体稳定性。 金属网能够使松软破碎围岩由破碎结构转化为镶嵌结构，巷道围岩轮廓形成能承受 较大压力的压力拱，防止围岩破裂范围扩大及岩块冒落。由于碎石的碎胀作用及传递力 的媒介作用有利于将载荷传递到锚杆及深部围岩，维护了压力拱，发挥了围岩自承能力。 金属网能够提高岩体的强度，和锚杆一起起加固围岩的作用。国内一些成功实践证明， 金属网是煤层动压巷道锚杆支护必不可少的技术措施，巷道围岩的稳定性愈差，金属网 的这种加固围岩作用就愈重要。 金属网具有柔性，能够适应围岩的变形，使巷壁处的岩压减小，具有“卸载 作用。 同时由于金属网还具有一定的刚性，能给围岩表面以抗力，从而改善了围岩的受力状态， 2 太原理工大学硕士研究生学位论文 防止围岩变形进一步恶化。 回采巷道易受动载的影响，如爆破动载、开采动载等，可使围岩塑性区和破碎区显 著增大，会出现漏顶、掉块、剥落等现象。金属网能和锚杆共同促使破碎围岩形成锚固 组合拱，对碎块起挤压加固作用，防止岩块垮落；同时具有一定刚度的金属网对围岩表 面的反力可以增大组合拱内部破碎岩体的密实度，这些都具有提高支护系统的抗动载能 力。 矿用金属网对围岩的加固作用主要是： ( 1 ) 参与围岩应力状态调整使锚杆支护系统成一整体结构。 ( 2 ) 提高松软破碎围岩组合拱的力学强度，起加固围岩作用。 ( 3 ) 金属网有柔性，具有卸压作用。 ( 4 ) 提高支护系统抗动载能力，防止围岩变形恶化。 1 2 矿用金属网应用的必要性 1 2 1 矿用金属网的作用 近年来，随着锚杆支护技术的发展，在围岩较松软和受采动影响的煤层巷道中，锚 网支护技术得到了大范围的推广使用，取得了显著的经济效益。而金属网在锚网支护中 起着重要的作用。高质量的金属网能有效控制锚杆之间非锚固岩层的变形，托住挤人巷 道的岩石，是确保锚杆加固作用的重要措施。其主要作用有【蜘： ( 1 ) 防止碎裂岩块垮落。 ( 2 ) 将锚杆之间非锚固岩层载荷传给锚杆。 ( 3 ) 金属网托住已碎裂的岩石，虽然巷道周边围岩已破裂，由于碎石的碎胀作用和 传递力的媒介作用，使巷道深部围岩仍然保持三向应力状态，大大提高了岩体的残余强 度( 如图l - 2 所示) 。锚杆支护的关键是能否形成围岩的自承环。金属网在锚网支护中 的作用，不仅是由钢筋受围岩压力，更为重要的是通过钢筋改善岩体的受力状态，提高 岩体强度来承受围岩压力，以充分发挥围岩的自承能力。巷道围岩的稳定性愈差，金属 网的作用愈加重要。 3 太原理工大学硕士研究生学位论文 钉支护力围岩稳定期无支护力同采失稳 图1 - 2 金属网在锚网支护中的作用 f i g 1 2t h ea c t i o no f m e t a l n e ti nb l o tn e ts u p p o r t 1 2 2 矿用金属网的基本要求 金属网的作用主要是通过金属网对巷道围岩进行封闭，有效防止顶、帮冒落伤人， 有利于保持巷道围岩的完整与稳定。 锚网支护中所采用的金属网应满足如下要求【2 】： ( 1 ) 与混凝土粘结性好，能使混凝土开裂的极限荷载增加。 ( 2 ) 网片整体性好，以增加喷层的强度和稳定性。 ( 3 ) 加工方便、成本低廉。 ( 4 ) 能卷捆或折叠，便于运输。 ( 5 ) 具有一定的可弯曲性，便于形成与巷道轮廓相吻合的喷层。 ( 6 ) 网片宽度为0 8 - 2 0 m ，网孔边长与丝径的关系依据表1 - 1 ： 4 太原理工大学硕士研究生学位论文 表1 1 网孔与丝径的关系i s t a b 1 - 1t h er e l a t i o n s h i po f n e ts i d el e n g t ha n dd i a m e t e r = ( n u 裳n ) 3 04 05 06 07 08 0 丝径 4 5 0| 4 0 0l 3 5 0 拳 3 0 0 | 2 8 0 幸 | | 2 5 0 | | 2 2 0 | 注：带号者为优先选用组合 1 2 - 3 矿用金属网的种类和规格 图l - 3 矩形网 图1 - 4 菱形冈 f i g 1 3r e c t a n g l em e t a l - n e tf i g 1 - 4d i a m o n dm e t a l n e t 国内煤炭系统常用8 号铁丝( 巾4m m ) 手工编织的矩形网，网格1 0 0m m x1 0 0i t l m ， 制成1m 2 一块网片，见图l - 3 。这种网经线与纬线联系不紧，在受力时往往单根铁丝受 力，网的强度仅为铁丝的强度。铁丝间空档有时被岩石撑开形成空洞而掉块，影响安全。 在巷道安装时，各片要搭接，并用铁丝捆绑，往往捆绑质量不好，在搭接处形成薄弱环 节，金属网出现垂l - j 帘情况b j 。 ， 菱形绞接柔性金属网的网格尺寸一般为l o o m m 2 0 0 m r n ，由8 号( 巾4m m ) 或1 0 号 ( 巾3 2 m m ) 铁丝编织而成( 见图l - 4 ) 。菱形金属网由镀锌铁丝编织而成，网丝与网丝 5 太原理工大学硕士研究生学位论文 之间具有链锁结构，与经纬结构金属网相比，菱形金属网各个网丝受力能自动调整，均 匀合理，结构伸长率可以根据开采工艺的需要设计，抗冲击性明显好于经纬金属网，且 网格具有自锁性，网尺寸也稳定，其综合承载力可提高3 1 ，同时搬运和展网方便，隔 矸效果好。在参考文献 2 】中，作者对菱形网和矩形网的受力情况进行了实验，结果如表 1 2 。由表1 2 可知，金属网在最初开裂、最大载荷与最终破坏时的挠度，菱形网比矩形 网分别大5 4 4 、1 3 5 、1 6 5 倍。 表l - 2 菱形网和矩形网受力比较 t a b 1 - 2t h ec o m p a r i s o no f r e c t a n g l ea n t id i a m o n dm e t a l - n e t 矩形网菱形网 项目 最大拉力( 埘)丝径( m m )最大拉力( 斟)丝径( 衄) 1 52 o2 55 o 数据 5 04 02 52 5 o 最初开裂 4 51 o2 58 o 平均 3 。62 3 42 51 2 7 8 03 29 28 3 数据1 1 o 4 26 0 3 4 最大载荷 1 0 16 64 57 3 平均 9 74 76 5 76 4 3 o3 35 01 0 3 数据 7 o5 0|1 0 0 最终破坏 6 o9 63 79 3 平均 l5 9 7|9 8 7 菱形金属网与矩形网的比较，具有如下特点： ( 1 ) 菱形金属网网线相互绞结，整体受力状态好，提高了网的强度。 ( 2 ) 菱形网网线孔孔绞结，网线不会产生滑动，网孔不能扩大，防止了冒顶。 所以，要大力推广并采用菱形金属网。 本课题气动联网装置就是针对菱形金属网实现不同网间的自动联接。 6 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 3 现有矿用金属网的连接方式简介 1 3 1 厚煤层分层开采人工假顶铺网联网装置 这是一种在自移支架后部，通过固定在自移支架底座侧面上的牵引钢丝绳，绕过铺 网架上的一个动滑轮借助于自移支架的移架力，带动铺网架放网，实现架后自动铺底网。 铺网架后部连接一个联网架，展放的网片侧边在该联网架上搭接，用强度高的联网螺旋 联网，网片沿正向续接在联网架上用联网螺旋联网。联网强度高于网片强度。用联网螺 旋实现网片间侧边联网，用正向联网棍或联网螺旋实现网片间侧边联n t 9 1 。 图l 一5 铺网联网机构 f i g 1 5t h el a y i n ga n dt y i n gm e c h a n i s mo f m e t a l - n e t 1 3 2 厚煤层分层开采自动扣压联网机 联网机包括压网齿机构和联网机构两部分n o l 。 如图1 6 所示，压网齿主要由压网千斤顶1 、压板2 、垫板子3 、挡块4 、弹簧5 组 成。当齿网通过压网齿机时，压网千斤项推动压板下压，这时压板、网和垫板一起压缩 弹簧向下运动，而网齿由于挡块挡住不能随网下降，致使网齿撬起，网齿和网平面形成 垂直状态。当压网千斤项收缩，压板抬起后，垫板和网由于弹簧作用，恢复原位。 联网机构如图1 7 所示，主要由压块6 、联网千斤顶7 、耔齿器8 组成。当边齿上 的齿网与平网搭接相遇时，齿网的网齿就插入相邻的平网的网孔中。当它们通过联网机 时，联网千斤顶带动耔齿器8 ，将网齿压倒，使两片网通过网齿与网孔扣压钩接合在一 起，成为如图l 一8 所示的整体网。 7 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 一压网千斤顶2 压板3 一垫板4 一挡板5 一弹簧6 一压块7 一联网千斤顶8 一耙齿器 图1 _ 6 压网齿机构图1 7 联网初垧 f i g 1 - 6t h es t a v i n gm e c h a n i s mo f m e t a l n e tf i g 1 - 7t h et y i n gm e c h a n i s mo f m e t a l - n e t 9 一齿网1 0 一平网1 1 一垂直上翘的网齿1 2 一扣压钩联后接合在一起的网齿 图1 - 8 网片 f i g i 8l i n k e dm e t a l n e t 1 3 3 手提式液动联网机 这是一种属于厚煤层分层开采人工假顶铺网工作面上使用的手提式液动联网机。它 借用工作面上已有的液压动力，通过液压动力机构，操纵控制机构，联网执行机构，网 钉进给机构等的协调动作，将两片网钉上网扣，联在一起【l l 】。 这种手提式液动联网装置的缺点是，在煤矿现场联网时，还需配备专用的机构制作 专用的网钉，因而使用不方便。 8 太原理工大学硕士研究生学位论文 图1 - 9 手提式液动联网机 f i g 1 9t h e h a n dh y d r a u l i ct y i n gm e c h a n i s mo fm e t a l - n e t 1 3 4 人工联网 目前，煤矿上普遍是沿巷道长度方向，每间隔一排锚杆距离铺网一次，网与网之间 是现场手工联接。以人力把成卷的网展开，网边搭接后，每隔一段距离用双股细铁丝手 工打扣的方法联网。用专用钩子手工将捆扎铁丝正向旋转数圈，再反向旋转以抽出钩子。 专用钩子如图1 1 0 所示。经实验证明，这种联网方式工人劳动强度大，体力输出较多， 不适宜于长期使用f 1 2 】【1 3 】。 图1 1 0 联网专用装置 f i g 1 10s p e c i a li n s t r u m e n tf o rm i n em e t a l n e tt y i n g 1 4 本课题主要研究内容 本课题运用一些现代的设计手段和方法，对煤矿现有的联网方式进行详细的研究， 并结合目前我国煤矿现有的实际工作条件和开采设备的使用情况，研究开发一套能很好 地应用于井下工作环境要求的金属网联接装置，对金属网进行简单、迅速和可靠的联接。 ( 1 ) 对金属网联接结点的形成和力学性能进行研究，为机构合理设计提供理论基 9 太原理工大学硕士研究生学位论文 础。 ( 2 ) 在对送丝理论进行分析和计算的基础上，设计合理的送丝机构和打结机构。 并通过a d a m s 软件对送丝过程进行运动仿真，分析铁丝传送过程中的受力和速度平稳 性。 ( 3 ) 对联网装置进行系统的设计，包括主机、电控部分和气动部分，并完成对关 键元件的设计选型和性能分析。 ( 4 ) 建立气动系统的数学模型，并对气动系统进行动态仿真，研究系统的响应情 况。 ( 5 ) 制作完成联网装置样机，在实验室进行联网试验，验证气动联网装置的可行 性。通过试验总结经验，为产品的进一步改进提供理论依据和实践依据。 1 0 太原理工大学硕士研究生学位论文 第二章矿用金属网联接的理论研究 矿用金属网气动联接装置是针对目前煤矿井下金属网普遍采用人工手动联接方式 而设计的。实现金属网的自动而且可靠联接，功能包括自动传送铁丝、自动检测铁丝是 否传送到位、铁丝的扭转打结和铁丝传送到位后自动切断。而自动送丝是实现金属网联 接的前提和关键，因此，对送丝机构有必要进行设计和计算。通过理论的设计和计算， 合理选择送丝力的大小、送丝导路的形状以及送丝机构的合理设计，保证联接装置的可 靠运行。 2 1 结点形成理论设计 金属网在锚网支护中起着重要的作用，它能有效控制锚杆之间非锚固岩层的变形， 托住巷道的岩石，是确保锚杆加固作用的重要措施。而金属网作用的薄弱环节就在于联 接结点处。因此，金属网联接的结点设计至关重要。联网装置设计成功的前提是该装置 联接的金属网结点所能承受的拉力最大，保证不会由于结点的强度问题而使金属网的支 护作用失效。 强度指标是衡量线结性能的最重要的参数。一般来说，线结的强度低于所选用原材 料的强度。对于选定直径和材料的铁丝而言，提高线结的强度便可提高金属网联接强度， 而线结强度主要与线结扭转角度、线结成形时的初始夹角和铁丝内部的张力等条件有关 1 4 q 6 o 2 1 1 结点扭转角度的设计 扭转角度是金属网联接设计中最重要的参数之一，扭转角度过小，会导致扭结后金 属网结点受力破坏致使支护作用失效。扭转角度过大，会造成铁丝扭断。因此，扭转角 度的确定对金属网支护作用效果有直接影响。 为了试验金属网联接时结点的最佳扭转角度，在实验室用材料为q 2 3 5 的2 m m 铁丝 手工制作了扭转角度分别为3 6 0 。、4 5 0 。、5 4 0 。、6 3 0 。、7 2 0 。的不同结点，在结点 上均匀施力直至结点破坏。在扭转不同角度时，结点破坏所能承受的最大拉力如表2 1 所示。 太原理工大学硕士研究生学位论文 表2 1 结点破坏时的最大拉力( k n ) 及结点破坏形式 t a b 2 1m a x s t r e t c h i n gf o r c eo f w i r ek n o ti nd i f f e r e mt o r s i o na n g l e s 一 3 6 0 。4 5 0 。5 4 0 。6 3 0 。7 2 0 。 最大拉力( 斟) 1 1 6 ( 松开)2 6 ( 松开)2 7 ( 松开)2 7 ( 拉断)2 4 ( 拉断) 2 1 9 ( 松开)2 1 ( 松开)3 0 ( 拉断)2 9 ( 拉断)2 8 ( 拉断) 3 2 3 ( 松开)3 0 ( 拉断)2 2 ( 拉断)3 1 ( 拉断)2 6 ( 拉断) 4 1 9 ( 松开)2 4 ( 松开)2 7 ( 拉断)2 5 ( 拉断)2 5 ( 拉断) 平均值1 9 3 ( 松开)2 5 3 ( 松开) 2 6 5 ( 拉断) 2 8 0 ( 拉断)2 5 7 ( 拉断) 经过实验数据分析可知，当线结扭转3 6 0 。和4 5 0 。时，在拉力作用下线结从扭转 方向松开。当线结扭转5 4 0 。、6 3 0 。、7 2 0 。时，其破坏形式主要是线结被拉断。从表 2 1 中可以看出，当线结被扭转6 3 0 。时线结可承受的最大拉力均值最大。所以在打结 机构设计时，选取线结扭转6 3 0 。，扭转线结可承受拉力最大，金属网联接效果最好。 2 1 2 结点成形时的初始夹角 金属网联接结点处的作用力主要来源于结点扭转时铁丝的变形力和线结扭转时丝 与丝之间的摩擦力。这两者与成形时两股铁丝之间的夹角有密切关系。 结点形成的原理是铁丝在穿入送丝导路后在打结点处两股铁丝相汇，在外力的作用 下以打结点处为中心进行一定角度的扭转，这与钢材打捆机线结形成原理相似。在参考 文献 1 7 1 中，作者就以首钢打捆机对直径是6 5 m m 的铁丝进行了结点成形时不同夹角的 扭转相同角度的试验，得到不同初始夹角时线结的可承受的最大拉力，如表2 - 2 。 1 2 太原理工大学硕士研究生学位论文 表2 - 2 两股送丝不同夹角时结点的最大拉力【1 7 1 t a b 2 - 2m a x s t r e t c h i n gf o r c eo fw i r ek n o ti nd i f f e r e n ta n g l e sb e t w e e nw i r e s 8 0 。- - - 8 5 09 0 。- - 一9 5 o l o o o 1 0 5 。1 1 0 。j l l 5 。 序号 失效方式力( 蝌)失效方式 力( 蝌)失效方式力( 心)失效方式力( 蝌 1 开 6 7 断 9 0断9 0断8 8 2断 9 5 断 9 1 断 6 o 断 6 5 3断7 o开 6 0 断 8 3 断 9 0 4 开 7 0断 9 2 断9 2断 6 1 5 断 8 7断6 1断6 2断8 。o 平均 |7 8|7 9|7 7l7 7 从表2 2 中可以看出，在送丝初始夹角为9 0 。左右时线结可承受的拉力最大。根据 这一设计原理，在送丝装置中铁丝扭结处夹角应为9 0 。，即导路入口处为水平直线，出 口处为竖直直线，二者在打结处交汇，如图2 一l 所示。 铁丝送丝导路 图2 - 1 送丝导路外形图 f i g 2 - 1w i r eg u i d i n g p a s s a g e 在参考文献 1 7 1 q p 还指出，线结强度除了与结点扭转角度和成形时两股铁丝之问的 初始夹角有关外，在扭转时铁丝内部的张力也会对结点强度产生一定的影响。以首钢打 捆机为例，分别对有一定张力的铁丝和松弛的铁丝打结，并给线结施同样的力直到线结 破坏。实验结果表明，当铁丝内部保持一定张力时，结点可承受更大的拉力。相反，当 铁丝内部无张力时，不但没有提高结点的强度，反而使强度明显降低，使线结拉开的可 能性增大。因此，在金属网联接装置机构设置中应设有铁丝抽紧动作，使铁丝保持一定 的内部张力，提高结点的力学性能。 1 3 太原理工大学硕士研究生学位论文 2 2 送丝力计算 由于铁丝在扭转时内部具有一定的张力，发生弹塑性变形时要受到送丝轨道和送丝 机构的摩擦阻力，为保证铁丝能够通畅、快速地满足送丝动作要求，选择合理的送丝力 是非常必要的。 在送丝的初始阶段，铁丝由直线变为曲线状态，为了可靠地完成送丝动作，我们分 析铁丝在送丝过程中所受的力，从而确定系统参数。假设铁丝参数为： 铁丝直径d = 2 m m 惯性矩，5 五1 万d 4 弹性模量e = 1 9 6 g p a 长度系数p _ 2 由材料力学可知，假设铁丝在送丝力及送丝导路阻力作用下弯曲失稳满足欧拉公式 【1 8 】的应用条件，送丝机构数学模型如图2 2 ，即： p c , = 等爷 亿” 其中，e i 由捆扎铁丝性能给定，由送丝结构给定，约束系数u 根据实际情况取| l = 1 5 ，则可得到= 1 6 n 。 由于铁丝在传动过程中，必然会受到送丝管、送丝导路的摩擦力，故取送丝力 t _ 2 0 n( 2 - 2 ) 送丝导路 图2 2 送丝机构模型图 f i g 2 - 2t h em o d e lo fw i r ef e e d i n gm e c h a n i s m 1 4 太原理工大学硕士研究生学位论文 2 3 导路设计计算 矿用金属网联接装置用于矿用金属网的自动联接。由于现场要求联接速度快，时间 短，联网质量高，动作频繁，故对金属网联接装置中关键技术之一的送丝导路设计，提 出了许多高难度的要求：实现自动送丝、送丝可靠、自动检测送丝准确到位等。金属网 联接装置中所有机械传动和自动控制都与送丝部分相关。因此，送丝导路的设计至关重 要。 由2 1 2 节分析可知，当结点成形时初始夹角为9 0 。时，线结可承受的破坏力最大， 结点受力性能最好。因此，导路设计应遵循这一原则，即送丝导路应设计成环状闭合曲 线，且出入端为直线，入口处为水平直线，出口处为竖直直线，二者在打结点处交汇， 如图2 1 所示。 根据以上理论，导路入口为水平直线，出口为竖直直线，可假定在导路水平直线与 竖直直线间用一条等曲率的光滑圆弧将其联接起来。设该圆弧的曲率半径为r ，在理想 情况下，铁丝在送丝力的作用下沿此光滑圆弧行进。 由参与文献 1 9 】可得到送丝导路的曲率半径r 与不同位置0 之间的关系。 ：月：e r ( 1 - c o s j s ) 一n ( 2 - 3 ) 0 6 7 0 - - 0 2 其中，吒为铁丝的屈服应力，1 7 铁丝半径，e 铁丝的弹性模量。 导路的最小曲率半径为： e n ， p = i c i i n - 铁丝塑性弯矩与弹性弯矩之比，n = l 6 ( 2 4 ) 对于金属网联接铁丝，取e = 1 9 6 g p a ，吒= 2 3 5 m p a ，r = l 衄，n = l 6 代入，可计算 得到曲率半径的极小值r m i n = 7 2 m m 。 由式2 - 4 可知，导路的曲率半径与铁丝的弹性模量及铁丝的半径成正比。即表示越 刚硬的铁丝所需要的导路曲率半径就越大，才能获得良好的通过性能。从优化设计角度 出发，为使设备的外形不过大，在铁丝能通过导路的前提下应尽可能使导路的曲率半径 减小。 1 5 太原理工大学硕士研究生学位论文 2 4 送丝装置设计 根据以上理论，设计送丝机构如图2 3 。主要由送丝传动轮、拨杆组件、顶杆、顶 杆弹簧、支撑块、支撑板等组成。当处于工作状态时，两传动轮在压紧弹簧6 作用下压 紧，主动轮旋转时铁丝在摩擦力的作用下前进。压紧弹簧处于膨胀状态，而顶杆弹簧8 处于压缩状态，拨杆轴与顶杆脱离。要使主从动轮分开，将拨杆向后推，拨杆压缩压紧 弹簧6 围绕拨杆轴4 逆时针转动，其尾部滑向顶杆7 的槽内，同时顶杆压缩顶杆弹簧8 绕其轴转动。这样主从动轮分开，可以进行手动穿丝。此时，压紧弹簧6 处于压缩状态， 而项杆弹簧8 处于膨胀状态，拨杆轴尾部正好位于顶杆7 的槽内。其中，支撑块5 腔内 是送丝腔，其端部是倾斜3 0 。的喇叭口，目的是当铁丝进入此腔时减小摩擦力阻力。铁 丝在驱动力的作用下进入送丝导路。 87654321 l 一送丝主动轮2 一送丝从动轮3 一拨杆组件4 一拔杆轴5 一支撑块 6 一压紧弹簧7 一顶杆8 一顶杆弹簧 图2 3 送丝机构 f i g 2 - 3w i r ef e e d i n gm e c h a n i s m 2 5 齿轮送丝机构的设计与仿真 为实现铁丝的自动传送，设计了第一种方案。由于齿轮传动具有同步性好的特点， 首先采用一对啮合齿轮传动实现自动送丝。并在齿轮齿上开v 型槽，铁丝穿在此槽内， 通过拨杆作用于从动齿轮上的预压紧力，在铁丝和主从动轮都产生正压力，动力源来自 于主动轮。 1 6 太原理工大学硕士研究生学位论文 2 。5 1 送丝齿轮槽的计算 矿用金属网联接装置要求传动送丝动作快速而平稳，这里采用一对啮合齿轮，在传 动齿轮的齿上开设v 槽，将铁丝穿在此槽内，并给齿轮施加压力，使两齿轮和铁丝问产 生压力，当齿轮在动力源作用下转动时，通过齿轮传动时与铁丝产生摩擦力来驱动铁丝 的前进。 设齿轮槽角度为c i ，如图2 4 所示。根据参考文献【2 0 】的分析，一般选用齿轮槽q = 3 0 。当齿轮槽q = 3 0 。时，作用在铁丝上的正压力可以达到最大。齿轮v 型槽还可以 固定传动中铁丝，起到防止其在传动齿轮上来回游离的目的。 图2 - 4 v 型槽送丝齿轮 f i g 2 - 4g e a rw i t hvg r o o v e 在从动轮上施加弹簧预压力，如图2 5 所示，使啮合齿轮和铁丝之间压紧，当两齿 轮转动时，铁丝在与两齿轮间的静摩擦力作用下被驱动前进。为了增大齿轮与铁丝间的 接触面积和摩擦力，从而产生更大的送丝力，将齿轮v 型槽倒成圆角，使铁丝与齿轮变 成线接触，即弹簧压紧力全部用于产生摩擦力，增大了齿轮与铁丝的摩擦力，提高了传 动效率。 主动轮铁丝从动轮 图2 - 5 弹簧预紧力示意图 f i g 2 5t h es k e t c hm a p o fs p r i n gp r e s s u r e 17 太原理工大学硕士研究生学位论文 送丝前进的驱动力来源于主动轮对铁丝的摩擦力乃和从动轮对铁丝的摩擦力t 的合力，总的摩擦驱动送丝力即为所需的送丝力t 。 t = 2 x e = 2 x l 厂 ( 2 5 ) m 齿轮作用于铁丝上的正压力 卜齿轮与铁丝之间的摩擦因数 式中，f 为传动齿轮与传动铁丝之间的摩擦因数，决定于传动轮与送丝本身的材料 性质，齿轮与铁丝都为q 2 3 5 时，f = 0 1 5 。m 为弹簧对齿轮的预紧力，使齿轮和铁丝之 间产生正压力和摩擦力，驱动铁丝前进。送丝轮对送丝的阻力和铁丝本身的重力忽略不 计。铁丝与齿轮线接触，弹簧预压力n 全部作用于铁丝上，故而产生大小为n 的正压 力。即 n = l 即式( 2 5 ) 可表示为： t = 2 x n f ( 2 6 ) 根据式( 2 2 ) ，送丝力t 一2 0 n ，取摩擦系数f = - 0 1 5 ，求出作用于齿轮_ l z l 拘预压力 n = 6 7 n ，根据拨杆尺寸求出作用于拨杆上的力f = 1 1 3 n 。根据此值即可进行弹簧的设计