井下运输10m3矿车自动挂钩脱钩隐患的成因与对策分析

目前国内矿山的井下原矿运输多采用直流电机车牵引多节自卸式矿车为编组的方式进行生产, 该作业方式采用封闭单循环运输系统, 采用自动挂钩可实现运行中的连续溜井装矿和卸矿站自动卸矿, 作业效率较高。但由于受井下环境、轨道条件等因素影响, 长期以来, 矿车连接挂钩运行中脱钩失控现象时有发生, 极有可能造成挤岔、掉道等现象, 若发现控制不到位还可引起撞车、设备事故和人员伤害, 导致系统长时中断和瘫痪而影响生产, 成为井下运输生产的潜在隐患。梅山铁矿所采用的矿车自动挂钩是参照地面火车挂钩的结构改制的, 因其新颖的形式、相对可靠的结构, 列车脱钩次数大为降低, 目前已被国内多数冶金矿山所采用。本文重点结合梅山铁矿的使用现状着重从钩体结构和过载牵引两个大的方面来分析脱钩的成因, 并提出相应对策供在实践中借鉴。

1 自动挂钩结构原理介绍

自动挂钩及缓冲器是运输车辆联接缓冲装置最重要的一部分, 缓冲箱及自动车钩在车辆两端各有一组, 具有双向挂钩缓冲作用, 可减轻机车启动、变速、制动及挂接时的冲击并保护自动车钩, 同时保持矿车间的联结。该自动挂钩属铸钢件, 由钩体、钩舌、钩簧、销轴、限位块等组成, 通过拉杆、销轴与圆柱弹簧缓冲器相连。具体结构如下。

该自动挂钩为CH-20上作用式车钩, 其主要技术数据 (表1) 。

1.1 自动挂钩构造和原理

车钩主要由钩体、钩舌、钩锁铁、钩舌推铁、上锁销、钩舌销等组成。车钩通过缓冲器与车厢连接, 为使上锁销能方便提升 (开锁) 在缓冲器上还安装有开锁杠杆机构。

1.2 自动挂钩作用过程

(1) 开锁作用过程。

由闭锁位置提起开锁杠杆, 使上锁销上举, 因上锁销与钩锁铁相连, 从而带动钩锁铁上升, 使它达到钩舌尾部上方。钩锁碰到钩舌推铁上端部, 在钩舌推铁作用下, 钩舌会向外稍微移动。此时, 放下开锁杠杆, 钩锁铁不会落归原位, 而是落在钩锁尾部上方, 它不会妨碍钩舌转动。这时, 虽然未达成开放状态, 但当机车牵引或用手搬动钩舌, 钩舌便会打开, 这样便完成开锁解钩过程, 如图1所示。

(1) 若在上述动作过程中, 用手扳动, 可使钩舌处于全开状态, 或者用力向上提起开锁杠杆, 使钩锁铁迅速上升, 碰撞钩舌推铁, 在它的作用下使钩舌以钩舌销为中心旋转全部张开, 成为全开状态。

(2) 两个车钩连接时, 必须要有一个车钩处于全开状态, 才能互相连接。

(2) 闭锁作用过程。

车钩在全开状态时, 推动钩舌, 使钩舌尾部进入钩体空腔内, 推动钩舌推铁恢复原位。此时钩锁铁由钩舌尾部以自重自动落下, 卡住钩舌尾部, 使其不能转动, 从而完成闭锁过程, 如图2所示。

2 钩体结构引起的脱钩成因及改进对策

2.1 自动挂钩工作过程故障分析

2.1.1 闭锁位置作用不良

钩锁铁不能充分落下, 是因为钩舌尾部和钩锁铁间接触面因磨损进行堆焊过多造成作用不灵活, 应打磨或更换钩舌和钩锁铁。

自动开锁主要是钩锁铁因头重前倾, 使下锁销处挡块与钩头挡棱接触不多, 遇到运行中的振动很易脱开, 钩锁铁可以不受限制的上升而自动开锁。

2.1.2 开锁位置作用不良

开锁时钩锁铁重心在前而向前倾转, 使锁铁头部易于脱出钩腔之外而卡住。

钩锁铁停坐部分或钩舌推铁尺寸产生误差, 开锁时提起钩锁铁由于坐不稳自动落下, 造成开锁作用不良。

2.1.3 全开位置作用不良

钩舌与钩体尺寸配合不好, 互换性能差, 钩舌在全开回转缓慢。

2.2 自动挂钩的检测、维护和修复

2.2.1 缓冲连接器的维护管理的技术依据

车钩在调车作业和正常运行中, 经常承受着牵引力和冲击压缩力作用, 各零部件间经常受到拉伸、撞击和摩擦作用。经过长时间运行后, 由于摩擦致使接触面产生磨损, 零件的薄弱部分就会产生变形或裂纹, 因此车钩应在使用一个周期后进行分解, 进行仔细检查、修复或更换部分零件使其恢复各部件应有的作用和性能。

当车钩使用了一定时间或受有较大的意外冲击时, 铸造过程中产生毛细裂纹就会进一步扩大影响行车安全。

2.2.2 钩体裂纹磨损、检修及作业标准

(1) 钩头裂纹:钩头裂纹多数产生在钩体的上下钩耳孔附近, 钩锁、钩孔周围和钩腕部分, 钩头内上部牵引突缘处也会发生裂纹。钩耳孔边缘裂纹不超过钩耳壁高的1/2时焊修, 焊修前需先钻裂纹截止孔, 并顺裂纹方向铲成V形坡口, 彻底清除裂纹, 局部或全部预热至250℃~300℃, 焊前还应清除附着锈垢, 自裂纹末端进行分层施焊, 施焊后进行正火处理。

(2) 钩头磨损:钩头磨损多数发生在上下钩耳孔。上下钩耳孔磨损达2mm以上, 可采用镶套方法, 套厚3mm~5mm, 套的表面要经过硬化处理。

(3) 钩身裂纹、磨损及弯曲:钩身裂纹是铸钢中夹有杂质或其他缺陷, 受巨大冲击力所致, 多数发生在钩头与钩身交界处, 一般先由棱角处开始产生后向外发展到面, 焊修时铲V形坡口消除裂纹, 焊前预热至400℃~500℃, 焊后进行正火热处理。钩身磨损主要发生在钩身下部与钩身托板接触处, 钩身下面磨损时可进行堆焊, 应纵向分层施焊, 焊后打磨, 恢复其原型尺寸。钩身弯曲变形太多是在车钩受到撞车时产生, 弯曲不允许超过4mm。过限时, 须将曲部加热至850℃~900℃后进行调查, 否则更换。

2.3 钩舌裂纹磨损、检修及作业标准

(1) 钩舌裂纹。

(1) 钩舌产生裂纹的主要原因是钩舌弯角处断面变化较大, 受牵引力时产生应力集中所致, 同时由于钩头自重较大, 钩头多数下垂这样在两钩连接后产生两钩舌内则面下部接触, 上部有间隙恶化了钩舌的受力状态产生裂纹。

(2) 钩舌销孔磨损后使两端壁逐渐变薄, 两端易产生裂纹。

图2车钩闭锁位置1-钩体;2-钩舌;3-钩舌销;4-钩舌椎铁;5-钩锁;6-上锁销;7-开口销平垫

(2) 检修时钩舌需进行电磁探伤检查, 钩舌内侧面弯角处上下部裂纹须铲坡口消除裂纹局部预热, 焊后正火处理, 冷却后磨平。

(3) 钩舌的尾部与钩锁铁接触面, 钩舌销孔内, 护销突缘处均有不同程度的磨损。

(4) 钩舌内侧面磨损, 钩头摆动, 都易使钩舌滑出造成脱钩现象。

(5) 钩舌内侧磨损应分层堆焊或电溢堆焊, 焊后正火处理, 刨削恢复至原型。钩舌销孔直径磨损超过3mm时采用镶套办法, 钩舌销孔套允许为两节且表面须硬化处理。

2.4 钩舌销断裂、磨损、弯曲及检修作业标准

(1) 钩舌销是车钩最易出现磨损、弯曲、断裂的零件。

(2) 钩舌销由于摩擦, 挤压这样不断的反复作用, 而易于在应力集中处形成毛细裂纹, 再在冲击力的作用下裂纹逐渐扩大, 导致钩舌销断裂。

(3) 检修中对钩舌销须进行电磁探伤检查, 钩舌销有横裂纹时须更换, 对弯曲变形的钩舌销采用加热调直。

3 过载牵引引起的脱钩成因及改进对策

根据设计, 井下运输车辆编组一般为一头一尾两辆电机车拖动中间8~1 0辆10m3矿车进行运输生产, 这样虽然可以避免挂钩脱钩造成的安全隐患, 但在人员操作、机车备用、能源消耗等实际运行中存在着极大的问题, 所以梅山铁矿根据实际的使用情况和生产条件把井下的编组方式改为一台20t电机车拖动8节矿车共三个编组进行生产, 不仅能够保证每年的原矿输出量在400万吨以上, 而且节约了大量的人力、电力和备件消耗。而这样的编组生产方式带来唯一的问题就是车辆脱钩后无法控制。而脱钩的原因除了以上分析的构体本身的因素外过载牵引引起的钩头损坏或连接拉杆断裂成为主因。

3.1 20t电机车的牵引力计算

3.1.1 20t电机车、拉8辆矿车产生的牵引力

3.1.2 20t电机车起动时牵引力重量

Z=Q起/Q=2636.37/30×9.8=8.97≈83.1.3 20t电机车制动时牵引力重量Q制≤Pnψ/ ( (-ω++0.11áz) --P≤ (20000×9.8×0.25) / (-0.004-0.003+0.11×0.217) -20000×9.8≤2708kN

Z=Q制/Q=2708/30×9.8=9.2≈9

所取符号说明如下。

F20:20t电机车、拉8辆矿车产生的牵引力;

Q:车辆载荷后的重量10t+16t≤30t (按照30t计算) ;

10m3矿车, 总重为10t, 10m3矿车载重≤20t左右——矿石1.6~2.0 (松散系数) ;

ω:列车运行的基本阻力系数0.004;

ωω:弯道阻力系数ωω=7/1000=0.007;

:坡道阻力系数0.001~0.003表示轨道的倾斜度;

á:列车的加减速度—0.03m/s2;

áz:制动时减速度0.217m/s2;

ψ:粘着系数。

根据以上计算, 可以得出结论:20t电机车可以牵引7~9辆矿车, 多年的实践也证明8节矿车是完全可行的。唯一的缺陷由于过载牵引或维修不及时引起的钩头损坏或连接拉杆断裂而偶尔造成矿车脱钩现象。

过载牵引的形成:由于在车辆运行过程中, 会存在冲击现象, 所以矿车之间的连接在车钩与车厢之间都有加缓冲器连接机构主要由箱体、缓冲弹簧、缓冲挡板、连接轴等组成, 可以起到缓冲作用。允许最大牵引力为210kN。

受井下运输轨道条件的限制, 矿车在运行中尤其是启停瞬间冲击力极大, 根据操作的不同, 最大可超过600kN, 尽管经过缓冲箱的卸荷, 但仍会超过牵引连接轴允许210kN的极限, 这样频繁的冲击就会造成连接轴的破断;另外一个主要因素在检修维护方面, 钩头或连接轴在连续的运行过程中会出现不规则的周期性张力, 若维护更换不及时很容易造成疲劳破坏而引起断裂。所以经常的检查和定期的更换是防止由于过载牵引而是钩头或连接轴损坏最有效途径。

4 动挂钩的改进对策

4.1 材料及工艺结构改进

(1) 自动挂钩整体耐磨性能差, 特别是钩体、钩舌、钩舌销孔易磨损, 钩舌销孔镶套效果不理想。应当改善材料耐磨性能, 增加耐磨元素如锰、铬的含量。

(2) 钩体所用的铸钢中夹有杂质较多, 受到一定冲击力后, 容易产生裂纹, 焊修效果也不好。针对这一点, 应当控制好铸造温度, 有控制地冷却, 同时尽量减少壁厚差, 增大铸造圆角, 减少裂纹和应力。

(3) 钩体与钩头高度不协调, 钩体高度低, 有时钩体无法控制好钩头而发生上下脱开的现象, 应适当增加钩体的高度, 增加钩体与钩头的接触面, 改善啮合性能。

(4) 钩锁与上锁销进行了打孔, 按装限位使开锁时提起钩锁铁到达开锁位置, 当自动挂钩挂到位时, 装上限位使挂钩钩锁在钩体内不能自由上下保证接触面积。

4.2 安装位置的防护及改进

(1) 针对原来自动挂钩的挡块会上下窜动, 对提钩和挡块分别打眼用链条和插销固定, 既可以防止滑块上滑, 在调摘车辆时固定住提钩, 人员就又可以撤离车辆。

(2) 为使提钩下落时能到位, 在提钩上加装一个防护皮, 并在提钩上装M20×70螺栓, 既能防止脏物落下卡死提钩, 也可以做提钩把手, 方便实用。

(3) 对矿车在接矿时, 车辆受弹簧张紧, 会使前后车辆结合不紧密, 造成漏矿, 使自动挂钩上有积矿现象, 在车前盖上割5个M20的孔, 焊M20×70的螺栓, 用废旧的皮带做成30cm×100cm的长方型, 并打上5个眼, 用同样的钢板和车前盖用螺母和皮固定好, 既解决了不漏矿的同时, 也减小了泼矿和清理的强度。

4.3 二次保护和预防性脱钩改进

(1) 采用辅助连接:在每节车箱前后连接挂钩两侧都加焊一块钢板, 分别装上特制的钢丝绳软连接机构, 这样, 在脱钩时, 两根钢丝绳就能起到二次保护, 不使矿车脱离编组或倒溜。

(2) 增加电气控制:在整个编组矿车一侧引一根控制电缆, 加载12V安全电压与装在司机操作室内的警报器形成以控制回路, 使每个车辆都受控, 一旦出现脱钩现象能够立即获得警报并及时进行处理, 避免事故发生。

摘要：本文通过梅山铁矿井下运输系统中矿车连接自动挂钩的应用现状, 从自动挂钩工作原理入手, 对工作过程中发生的故障进行分析, 提出了一些改进的设想, 其中的一部分已经应用在实际应用中, 具有增强自动挂钩可靠性、延长其使用寿命、减少10m3矿车脱钩失控隐患等诸多优点, 具有非常好的应用价值和推广前景。

关键词：10m3矿车,自动挂钩,钩头磨损,脱钩,缓冲连接

参考文献

[1] 王运敏.中国采矿设备手册 (上册) [M].科学出版社.