大直径超深立井凿井用钩头装置设计

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1、大直径超深立井凿井用钩头装置设计　　摘要：研究了常用的凿井用钩头装置的结构型式，并对大直径超深立井凿井用钩头装置进行优化设计，给出各零部件的强度计算方法。该钩头装置结构型式合理、轻便简洁，安全性能满足《煤矿安全规程》及相关标准的要求。关键词：钩头装置；结构型式；强度计算中图分类号：TH123文献标识码：A目前国内立井的直径一般小于10米，深度一般小于1000米，随着勘探和开采技术的进步，在浅表资源枯竭后，将开采更深地层的矿藏；同时，为了提高采掘速度，井筒的直径也会加大。目前就出现了一些直径超过10米，深度超过1000米的大直径超深立井。在这些立井掘进工程中，

2、为了提高掘进速度，凿井装备也应有相应的变化。凿井挖取矸石的吊桶，目前国内最大的容积是5立方米，就会制约装运量，必然会采用更大容积的吊桶。针对大容积吊桶，目前采用的钩头装置就不能满足要求。因此要设计更大的钩头装置。1、钩头装置吨位根据吊桶的容积、自重、矸石密度及水重可计算出钩头装置的吨位，见下表：8注：间隙容水按250kg/吊桶的重量按350kg/吨计算；由上表可知，设计13t、15t、18t规格的钩头装置即可满足较大吊桶时使用。综上分析：大直径超深立井凿井用钩头装置的设计系列可选择：13t、15t、18t三种。当然随着吊桶的容积增加或提升不同矿石密度的不同，

3、钩头装置的吨位也可有相应的变化。结构设计Ⅱ型钩头装置[1]如图一：图中：1.锥形套筒；2、4、9.销轴；3.双向接头；5.缓转轴卡；6.推力轴承；7.缓转花篮；8.卸扣；10.保险卡；11.吊钩。这种吊钩装置在使用过程中，普遍反映吊钩装置的重量大、长度长，使用不便。对于大直径超深立井凿井用钩头装置设计时，仍按这种结构形式，钩头装置的重量将更大，长度将更长，使用时将更加不便。图一如何减小钩头装置的高度？在尽量不改变吊钩装置的自由度的情况下，改变吊钩装置的结构型式，减少不必要的连接件，把半封闭旋转吊钩变更设计为全封闭旋转钩头可大大降低钩头装置的长度。如图二：图中

4、：1.钢索闭式索节；2.卸扣；3.封闭式旋转吊钩装置（包括缓转器壳体、压块、轴承、堵头、螺母）。8这种吊钩装置由钢索闭式索节、卸扣、封闭式旋转吊钩装置三部分组成，相对于图一钩头装置的结构，零件数量减少了，钩头装置的长度相对减小。由于结构的简化，其虽然能够保证必要的自由度，但相对于老式吊钩其仍有所降低。3、材料的选择凿井用钩头装置在使用过程中经常摘钩和挂钩，如果仍使用强度级别较低的材料制造，钩头装置的重量会很大，体积也很庞大，使用时很不方便，因此在钩头装置中零部件的材料选择上，应尽量采用强度级别高的材料。3.1、封闭式旋转钩头吊钩锻件的原材料一般选用20号钢，

5、其材料的抗拉强度σb在450~480Mpa之间，钩头装置的吨位增加后，吊钩的重量也随之增加，封闭式旋转钩头就会很笨重。图二根据GB/T10051.1-2010《起重吊钩》第一部分：力学性能、起重量、应力及材料[2]，选用材料强度级别较高的材料：35CrMo。其机械性能如下：σb可达735Mpa；σs可达540Mpa[3]；强度比20号钢由成倍的提高。吊钩的重量会减轻接近一半。8壳体的体积根据吊钩和推力轴承的大小决定，其体积会较大，考虑制造方面的原因以及节约成本，材料的强度可选择较小的强度级别，选择35钢，强度也可以满足强度要求。3.2、卸扣卸扣按JB8112

6、-1999《一般起重用锻造卸扣——D型卸扣和弓型卸扣》中选用，材料选用35CrMo,其尺寸和重量较一般材料制造的卸扣也可有较大的减小和减轻。3.3、钢索开式索节钢索开式索节一段与钢索连接，一端与卸扣连接，材料也选用35CrMo，与卸扣相同，硬度一致，索节与卸扣产生的磨损一致，可同时更换。4、强度计算根据《煤矿安全规程》第四百一十四条的规定：钩头装置的主要受力部件以破断强度为准的安全系数不小于13。4.1封闭式旋转钩头吊钩采用直柄吊钩，为标准件，型号通过标准选取。封闭式旋转钩头的壳体上部的耳板破断可以按拉曼公式进行计算，公式如下[4]：式中：σ——最大载荷下的

7、拉应力值K——动载荷系数，此处可取1.1P——钩头装置最大载荷值d——耳板孔直径δ——耳板厚度8R——耳板圆弧半径r——耳板孔半径壳体和堵头螺纹强度计算主要采用以下公式[5]：式中：σ——螺纹根部弯曲应力；M——螺纹根部截面弯距；W——螺纹根部抗弯模量。M的计算公式如下：式中：P——钩头装置最大载荷；d——螺纹外径；d1——螺纹内径。W的计算公式如下：式中：n——螺纹作用圈数；t——螺距。堵头弯曲强度计算，公式如下：式中：σ——堵头弯曲应力；M——堵头截面弯距；——堵头抗弯模量。M的计算公式如下：8式中：P——钩头装置最大载荷；Φ——堵头外径；φ——堵头凹台

8、直径；φ1——堵头孔径。的计算公式如下：式中：t——