自動錨桿倉彈簧卡的設計及熱處理

張相超，高 蕾，王暉童

(兗州煤業股份有限公司 南屯煤礦，山東 濟寧 273500)

隨著智能化浪潮在礦山領域的推廣，采掘機械的自動化智能化程度越來越高[1-3]。在井工巷道掘進領域，對全自動錨桿鉆車的關鍵機構進行分析與設計研究，對降低設備的復雜性，提高智能設備的可靠性有著重要意義。本文介紹了一種用于某型全自動錨桿鉆車的自動錨桿倉[4]，詳細闡述了錨桿倉的關鍵部件U型彈簧卡組件的結構設計及熱處理工藝。該U型彈簧卡組件可實現大容量錨桿快速固定及分離，將其應用到全自動錨桿支護系統中，可助力巷道支護作業的自動化。

自動錨桿倉一般集成于全自動錨桿鉆車整機系統中，其結構如圖1所示。

圖1 自動錨桿倉結構

自動錨桿倉由錨桿倉框架、輸送鏈條、限位機構及相關的電液控制系統組成。輸送鏈條的外鏈節上帶有U型彈簧卡，可以將錨桿卡住。鏈條輸送系統采用單軸驅動上下兩組鏈輪同步運動，保持U型彈簧卡卡緊的錨桿直立運動，初始狀態時，通過人工先將錨桿安裝在輸送鏈條上，即由人力按壓錨桿至U型彈簧卡內部。工作時，控制器發出指令1，令液壓馬達驅動輸送鏈條順時針轉動，鏈條帶動錨桿運動；
當錨桿到達指定位置時，被限位機構的限位塊卡住，使輸送鏈條不能自由運轉；
液壓馬達憋壓，回路壓力升高，觸發錨桿到位的控制指令2；
指令2驅動全自動錨桿鉆車的機械手取走錨桿，完成錨桿全自動支護功能；
當錨桿被取走后，輸送鏈條的馬達壓力釋放，馬達繼續旋轉，下一根錨桿在輸送鏈條的運動下到達機械手正前方時被限位機構的楔形卡板阻擋。上述過程循環運轉,直到倉內錨桿用完。為錨桿倉補充錨桿時只需將錨桿塞進鏈條外鏈節的U型彈簧卡內，逆時針撥動輸送鏈條，依次安裝每一根錨桿即可。限位機構具有逆時針轉動放行、順時針轉動阻止的功能。

自動錨桿倉的核心部件之一為輸送鏈條上的U型彈簧卡組件，由U型彈簧卡、橡膠輥、銷軸、限位塊和固定螺釘等組成，其結構如圖2所示。多個U型彈簧卡組件通過螺釘固定在輸送鏈條上，其核心功能是實現錨桿的快速進入及分離?？焖龠M入就要求該組件要有足夠的硬度及彈性，能把一根Φ22×2 200 mm的錨桿牢牢壓住的同時，還要求具有良好的彈性?？焖俜蛛x就要求該組件在外力推送錨桿時能夠釋放錨桿。U型彈簧卡夾緊錨桿和釋放錨桿的過程中，要求變形量均在彈性范圍內，不允許產生永久變形。這對彈簧卡的結構設計和力學性能提出了很高的要求。

錨桿在外力F的作用下擠壓橡膠輥子，將外力F傳遞到U型彈簧卡的兩翼上，其受力分析如圖3所示。錨桿給橡膠輥的正壓力Ft可以分解為兩個分力，其中Ft1為令橡膠輥繞彈簧卡側翼根部逆時針旋轉的力，其力臂為L1；
Ft2為令橡膠輥繞彈簧卡側翼根部順時針旋轉的力，其力臂為L2。為保證錨桿順利壓入，橡膠輥子間距D會變大，從而可以讓錨桿進入到其內部。為此必須滿足：

Ft1·L1>Ft2·L2.

圖2 U型彈簧卡組件結構 圖3 U型彈簧卡的受力分析

根據經驗[5，6]，為避免彎曲加工時產生較大的應力，U型彈簧卡的彎曲半徑至少是板厚的5倍，甚至更多。為減少熱處理變形，提高成品質量及可靠性，U型彈簧卡鈑金成型后(如圖4所示)進行450 ℃的退火去應力處理。

圖4 U型彈簧卡

U型彈簧卡要求彈性應變能大，也就是要求材料的彈性極限、屈服極限和屈強比要高，選用不同的彈簧材料和熱處理工藝對這些性能影響很大[7]。

可用的彈性材料種類繁多，如碳素彈簧鋼、低合金彈簧鋼及高強度彈簧鋼等，還有具有特殊性能的彈簧材料，如不銹耐酸彈簧鋼、耐熱彈簧鋼及合金(鎳基、鈦基及鈷基合金、高彈性高導電的銅基合金)，以及非金屬彈性材料，如橡膠、塑料、陶瓷及流體等。

考慮到U型彈簧卡使用量較大且工作環境比較惡劣，從提高可靠性及降低成本的角度出發，可以采用彈簧薄鋼板用來制造，有碳素鋼、低合金鋼及高合金鋼。由于狀態不同，彈簧鋼板可分為兩類，即退火鋼帶(硬度<200HV)和冷軋鋼帶。本次設計經過彈力估算，選用厚度為2 mm的冷軋薄鋼板，材料為65Mn，供貨狀態一般為冷軋后經再結晶退火，技術要求符合標準YB208。

彈簧卡失效的原因比較復雜，除了與設計、成形加工質量、安裝和使用是否正確等有關外，選用的彈簧材料和熱處理是影響彈簧卡質量的關鍵因素。

65Mn薄彈簧卡熱處理的目的在于充分發揮材料的潛力，使之達到或接近最佳的力學性能，從而保證彈簧卡在使用狀態下長期可靠工作。經過實際使用及故障反饋后發現，U型彈簧卡的失效方式一般為氧化及表面脫碳導致的彈力不足。經過金相分析后發現原因在于熱處理工藝使用的是普通空氣爐：首先工件在空氣爐830 ℃保溫30 min，其次空冷30 min，控制工件溫度在350 ℃左右;淬火后將工件用丙酮清洗干凈，再進行回火，回火90 min，控制溫度在400 ℃。由于工件很薄，淬火轉移時要迅速，過慢的話，將導致相變不徹底，硬度不夠。

文獻[8]介紹了一種更優的熱處理工藝，采用真空爐來進行熱處理，熱處理工藝保持不變。為防止淬火加熱過程中U型彈簧卡氧化、脫碳，可將工件埋入小顆粒的碳粉中。相比于普通空氣爐，真空淬火的變形更小，輕微的變形可以通過夾具裝夾回火來加以矯正。

U型彈簧卡的彈性靠淬火來保證，由于結構缺口尺寸變化較大，且存在打孔，淬火過程中材料急速降溫將會產生很大的應力集中[9]，截面變化越大的部位和越靠近孔的周圍應力集中現象越嚴重，從而使這些部位成為最易產生損壞的薄弱環節，為此，對U型彈簧卡結構進行了改進。U型彈簧卡應力集中部位及改進后的結構展開圖如圖5所示。

圖5 U型彈簧卡應力集中及改進結構展開圖

U型彈簧卡是采用螺栓固定到輸送鏈條上的，當螺栓未緊牢固時，開孔處不僅存在應力集中，還承受松螺栓產生的交變載荷，更易產生損壞。因此，為了提高彈簧卡壽命，要求將固定部分緊牢固。

介紹了某型全自動錨桿鉆車自動錨桿倉的工作原理，并詳細闡述了錨桿倉的關鍵部件U型彈簧卡組件的功能。該U型彈簧卡組件的使用降低了設備的復雜性，實現了大容量錨桿的快速固定及分離，將其應用到全自動錨桿支護系統中，可實現巷道支護作業的自動化。

隨后從選材、結構設計及熱處理工藝等多維角度介紹了U型彈簧卡的結構設計，從根本上保證了產品的質量及可靠性，對其他礦山智能設備關鍵元部件的結構設計有一定的借鑒作用。