1. 引言
Figure 1. Picture of the mechanical structure of a five-ton emulsion hoist
图1. 五吨乳化液葫芦的机械结构图片
目前搬运煤矿井下设备时主要采用的是手动葫芦，手动葫芦具有结构轻巧，使用维护方便的特点，但当搬运较大载荷的重物时对工人体力要求较高，且效率偏低[1]-[3]。综采工作面有作业空间狭小、视觉环境差、温度高的特点，是需确保安全的重点区域，且多粉尘和易燃气体，给人工操作手拉葫芦带来诸多不便[4]。虽然气动葫芦、电动葫芦、液压葫芦等能够解放人力，提高工作效率，但气动葫芦噪音偏高且机械效率偏低，电动葫芦和液压葫芦不能起到很好的防火、防爆效果，都不适用于煤矿井下工况。目前的电动葫芦、气动葫芦和液压葫芦的机械结构件多采用行星减速机构，而行星减速机构的外壳多为铸件，这样的结构适合在固定的龙门架上进行起吊操作，而移动的灵活性因为自身重量较大的问题受到限制。本文所介绍的乳化液葫芦的机械结构形式将力图在手拉葫芦轻巧的结构基础上进行改进，不仅满足工作需求，而且保留手拉葫芦结构轻巧、灵活变更作业地点的特点，煤矿井下实用性强，目前国内已开始有类似方面的设计，但普遍缺乏试验验证。对于乳化液葫芦，所用的乳化液马达以高水基乳化液为驱动介质替代气动葫芦的空气介质与液压葫芦的矿物油介质，对于保持设备工作平稳、保证煤矿生产安全具有重要意义[5]。本文介绍的5吨乳化液葫芦的机械结构部分如图1所示。该结构既借鉴了手拉葫芦的定轴传动特点，又增加了一级定轴减速，实现了进一步降速，且结构简单轻便，具有很好的实用性。该结构按照安标型式试验相关要求进行性能测试后未发现明显的塑性变形，说明主要承载件满足具体的使用要求。
2. 乳化液马达
葫芦的驱动装置为乳化液马达，马达工作原理为非圆行星齿轮结构，通过高压乳化液改变封闭容腔体积，以驱动行星齿轮轴和中心轮转动，实现液压能向动能的转化[6]-[8]。马达最大工作压力31.5兆帕，最大转速1200 r/min。工作介质为乳化液，满足井下防火、防爆的使用要求，因为井下所用泵站为乳化液泵站，所以获取动力源很方便[9] [10]。该乳化液马达能够持续稳定输出特定转速和扭矩，且能够随时制动和换向，满足葫芦升降时的使用需求。
3. 减速机构
3.1. 减速原理
乳化液葫芦采用3级定轴减速装置，获得合适的减速比，实现乳化液葫芦对输出扭矩和转速的合理输出。如图2为齿轮副传动的结构原理图和三维结构示意图。在减速机的终端连接有链轮，通过链轮的正反转动实现链条的升降，从而实现重物的起吊和下放。为提高传动的安全系数，把第二级齿轮传动副的从动轮和第三级齿轮传动副的制动轮设计成两个对称的齿轮与对应的啮合齿轮分别传动。
(a) (b)
Figure 2. Gear reduction mechanism; (a) Transmission schematic diagram; (b) Three-dimensional structure diagram
图2. 齿轮减速机构；(a) 传动原理图；(b) 三维结构示意图
3.2. 过载保护
利用细牙螺纹防松效果好的特点，把第一级齿轮副的内齿轮(图2中棕色齿轮)与对应的内齿轮座(图5序号2)、两侧摩擦片和碟簧通过细牙螺纹压紧。通过控制细牙螺母扭矩大小，确保葫芦5吨载荷以内内齿轮与内齿轮座不打滑，而当载荷超过5吨时内齿轮座与内齿轮打滑，重物不能被起升，起到过载保护的作用。
3.3. 齿轮背隙
适当控制齿轮副的背隙，避免马达启动瞬间由于背隙过大造成齿轮冲击和噪音。对于手拉葫芦，升降靠人力，启动速度慢，噪音小，且驱动阻力偏小，所以手拉葫芦齿轮间的背隙偏大更合适。但如果乳化液葫芦也像手拉葫芦一样采用较大的背隙，实际试验过程中乳化液葫芦在启动瞬间由于马达启动速度快，葫芦的齿轮间会产生很大的冲击和噪声，不但影响正常工作还会降低齿轮寿命。适当缩小齿轮间背隙以后，乳化液葫芦在启动瞬间产生的明显冲击噪音消失。但是去除安装马达的定位外壳，手动空载驱动乳化液葫芦内齿轮转动时力矩明显加大。
3.4. 齿轮的表面强化
齿轮副在后两级传动过程中，扭矩会随着转速的降低而增大。为了提升齿轮传动过程中的可靠性，对后两级齿轮副用低碳合金钢做表面渗碳淬火处理，既保证齿轮芯部韧性，又能提高齿面硬度和抗疲劳性能[11]。实际试验测得，该材质下如缺少渗碳淬火热处理工艺，在重载下将出现齿轮磨烂现象，下图3为未做热处理的齿轮在葫芦5吨载荷工况下连续运转15 min后齿轮磨损状态，受力位置齿形几乎被磨掉。
(a) (b)
Figure 3. Wear comparison of two gears under 5 tons load; (a) Wear gears that have not been carburized and quenched; (b) carburized quenched gear after life test state
图3. 两种齿轮5吨载荷下磨损对比；(a) 未做渗碳淬火的磨损齿轮；(b) 渗碳淬火的齿轮寿命试验后状态
而做渗碳淬火处理的齿轮在参照煤矿安标相关要求[3]，对葫芦做至少400次升降循环寿命试验后无磨损。所以在加工齿轮过程中不仅要保证机加工精度的准确性，还需要表面渗碳淬火处理保障齿轮强度，保证齿轮承载能力和寿命。
4. 制动机构
4.1. 制动原理
如图4所示，乳化液葫芦采用棘轮、棘爪结构制动。棘轮两侧各放一片摩擦片，棘轮和两个摩擦片套在棘轮座上，棘爪限制棘轮逆向旋转，不限制棘轮的正向旋转。需要合理控制内齿轮座的轴向运动行程(图5序号2)，确保内齿轮座的运动行程不超过摩擦片厚度，避免摩擦片脱出棘轮座。实际试验过程中层多次未对内齿轮座进行有效限位，导致在高速旋转过程中摩擦片被挤压变形和碎裂；当对内齿轮座轴向活动范围控制在单片摩擦片厚度尺寸范围内时，摩擦片不再被挤压变形和碎裂，葫芦始终能做到正常升降和制动。
Figure 4. Structure of ratchet and pawl
图4. 棘轮、棘爪结构
Figure 5. Three multi-threaded parts and their peripheral parts
图5. 三个多头螺纹件及其周边件
图5为长齿轮轴、内齿轮座、棘轮座三个多头螺纹件及其周边件的结构示意图，其中1是棘轮座、2是内齿轮座、3是长齿轮轴、4是棘轮、5是摩擦片、6是开槽螺母。在第一级齿轮副与第二级齿轮副之间用多头螺纹传动结构连接，多头螺纹导程相对单头螺纹明显增大，螺纹不存在自锁。使得内齿轮座与长齿轮轴之间很小的相对转动转化为二者明显的轴向相对运动，实现棘轮座上棘轮与两侧摩擦片的快速压紧和松开。
棘轮、棘爪具有单向制动的特点。重物被提升时虽然棘轮与两侧摩擦片被压紧，但此时棘轮与棘爪间不存在自锁，棘爪不会阻止棘轮的转动，所以在重物提升过程中葫芦不制动。重物被动下降过程中，棘轮与两侧摩擦片松开，棘轮在棘轮座上自由空转，所以虽然棘爪限制棘轮转动，但因棘轮相对于整个传动机构存在一个轴向转动的自由度，所以重物在被动下降过程中葫芦不制动。当马达停止转动，内齿轮与内齿轮座同时停止转动，长齿轮轴在重物的作用下相对于内齿轮座转动，棘轮两侧被摩擦片压紧，棘轮逆向旋转时会与棘爪存在自锁，在棘轮被夹紧与自锁同时作用的情况下，棘爪对棘轮进行 制动，此时重物停止下降。
4.2. 多头螺纹的影响
内齿轮座与长齿轮轴通过多头螺纹传动时需要有较大的间隙配合，当配合精度为7H/6g时多头螺纹配合较紧，传动没有7H/6e时顺畅，阻力相对较大，会增大两者间摩擦阻力，尤其在重载传动过程中产热量明显增多，增大粘扣风险。
多头螺纹件也需要做表面热处理，对于长齿轮轴采用低碳合金钢，需要做表面渗碳淬火处理，基体组织为马氏体，表层有明显的渗碳层，表面的金相如图6所示，这样能够显著提升多头螺纹强度，显著降低连续重载条件下的粘扣风险。内齿轮座材质是中碳合金钢，需要做表面氮化处理，氮化层在金相显微镜下为一层白亮层，该白亮层能显著增强传动螺纹的表面强度和硬度，其金相组织如下图7所示。试验测定内齿轮座不做氮化处理时，5吨载荷下葫芦持续升降15分钟后粘扣风险显著增大；氮化处理后由于强度变高，重载条件下持续运转时粘扣风险降低。
Figure 6. Metallographic surface of long gear shaft after carburizing and quenching
图6. 长齿轮轴渗碳淬火后表面金相
Figure 7. Surface metallography of inner gear seat after nitriding
图7. 内齿轮座氮化后表层金相
4.3. 摩擦片的选择
分别选用了树脂材质和粉末冶金材质的两种摩擦片进行乳化液葫芦的额定载荷试验。试验表明：两种摩擦片在5吨载荷下升降一段时间后由于摩擦生热，都会导致摩擦片摩擦系数的降低，但粉末冶金结构的摩擦片能够持续运转的时间相对于树脂摩擦片的要短，前者可以实现5吨载荷下持续升降30分钟，后者仅连续升降12分钟后5吨重物将不能被起升，说明树脂材质的摩擦片在重载持续工作状态下的摩擦系数保持的比粉末冶金材质的要好。
5. 重要承载件
重要承载件包括两个立板焊接件和链轮，两种结构都需要满足一定的安全系数，乳化液葫芦承载板厚比同规格的手拉葫芦的板厚度要大，以确保更大的安全系数，保证安全生产。
对于链轮，将手拉葫芦的铸钢件改为42CrMo锻件，并先做调质处理，以保障基体的抗拉强度 ≥ 1080 MPa，对应的屈服强度 ≥ 930 MPa。然后进行氮化处理，对表面进行硬化，增强表面强度、硬度和耐磨性，承载能力和抗疲劳能力显著增强。除链轮外主要承载件的有限元分析结果如图8所示，计算得知葫芦的最大承载位置在最下方的插链销处。当葫芦承受5吨额定载荷时，由于是双链结构，插链销将承受2.5吨重力载荷，除链轮外各承载件安全系数都 > 1.78。作为葫芦的重要承载运动件，链轮的有限元分析结果如图9所示，可以看出安全系数 > 3。并且实际试验证明葫芦在最大6.5吨载荷下反复升降多次后主要承载件都没有发生明显的塑性变形和裂纹等异常现象，说明该结构强度满足使用要求。
Figure 8. Finite element analysis of main bearing parts except sprocket
图8. 除链轮外主要承载件的有限元分析
Figure 9. Finite element analysis of sprocket load
图9. 链轮的承载的有限元分析
6. 结语
1) 目前的液压葫芦普遍采用矿物油介质的液压马达，防火、防爆效果差；本文的乳化液马达作为乳化液葫芦的驱动装置，不仅能直接连接井下泵源，方便作业，还具有井下防火、防爆的特点。
2) 在手拉葫芦的结构基础上，增加一级减速机构所形成的三级定轴齿轮减速机构，可以获得所需要的输出扭矩和转速；且由于输出转速较高，齿轮副背隙相对于手拉葫芦需要适当做小，降低启动时噪音；齿轮基体和表面也要做相应的强化热处理，确保机载条件下的齿轮寿命。
3) 乳化液葫芦采用棘轮、棘爪进行机械制动；首次通过试验验证树脂材质摩擦片5吨载荷下可连续升降的时长要高于粉末冶金材质的摩擦片。
4) 长齿轮轴和内齿轮座用多头螺纹传动，对材质要求较高，都需要做表面强化处理，且螺纹传动要选择较大间隙，否则容易导致螺纹粘扣，影响葫芦正常工作。
NOTES
*通讯作者。