电铲气控折叠扶梯设计

于海旭 徐旭 张周爱 缪卫峰 智晓锋

(神华宝日希勒能源有限公司 内蒙古呼伦贝尔 021025)

1 前言

电动正铲挖掘机俗称电铲，广泛应用于大中型露天采矿及土木、水利等工程领域。目前，我国自主研发电铲的研究重点主要针对设备主体功能如提升、推压、回转、行走等，而在自动化、安全性、舒适性等人机工程学[1]等方面的设计相对欠缺较多。本文针对电铲传统手动升降扶梯操作费力、故障率高、安全性差等明显缺陷，创新设计了电控气动的自动扶梯，并成功应用在WK-10B、WK-12C型电铲上。

2 传统手动扶梯功能缺陷

2.1 基本结构

WK-10B电铲原设计为直立式手动扶梯，扶梯由可移动滑梯及固定扶梯组成。滑梯坡角相对地面约75°，上端联结穿过滑轮的绳索，并限制在垂直滑道内上下滑动。电铲作业时，滑梯通过绳索配重挂起，顶端限位在滑道卡口上，卡口处装有限位开关，控制电铲主控制回路电流(DC 220V)的通、断[2]；若有人员要上、下滑梯，需克服配重及滑道、滑轮摩擦力，用力向下拽拉绳索，方能滑梯放下。

2.2 缺陷

传统手动扶梯因其结构及工作特征存在多方面缺陷。

1)安全性较差。滑梯约75°的坡角过于陡峭，人员上下扶梯需面对机身，紧握扶手，容易踏空坠落。特别是滑梯与固定扶梯存在不同平面的立体交叉，人员经过两个梯子连接处需转身跨步，若搬运重物上下梯子则更加不便。

2)操作费时费力。由于梯子设在室外长时间受日晒雨淋，滑道及滑轮及绳索很容易被锈蚀，下拉滑梯需要克服较大的摩擦力，往往需要凭借个人整个体重，才能将滑梯拉下，有时甚至需要两个人一起拽拉，操作十分费力。

3)故障率高。受滑梯长度及滑道行程限制，滑梯下端离地间隙较小，且向外侧伸展，在作业过程中很容易被矿车或滑落的岩石碰撞而遭破坏。此种破坏不仅仅只是造成扶梯变形，更严重的是因碰撞冲击极易造成滑梯上端的限位开关损坏，致使电铲主控制回路断开而停机，而且此种停机现场往往被误认为是其它电路故障，而较难被排查出来。另外，向上回送滑梯时，滑梯因配重惯性，向上加速度滑行，并冲击限位开关，同样也会导致限位开关损坏。

3 气控扶梯主要结构及工作原理

3.1 气控扶梯机械结构

为解决传统手动扶梯的诸多缺陷，本文设计了一种新型气控折叠式扶梯。整个扶梯仍由两部梯子组成，其中固定扶梯尺寸、位置基本保持不变；而活动主梯则采用气缸来控制翻转动作，摒弃了滑道、滑轮、绳索及配重等。两部扶梯处于同一平面内衔接和交叉，当人员上下扶梯时，活动主梯向下翻转，直至与固定扶梯呈同一直线状态，如图1(a)；当电铲作业时，活动主梯向上翻转，与固定扶梯呈折叠状态，如图1(b)所示。

3.2 气控扶梯气控系统设计

新型扶梯的关键性技术在于其气控系统的计算与设计，扶梯气控原理图如图2所示。压缩空气气源直接取自电铲自带的3WC-0.8/12活塞式空压机的储气罐，额定气压0.8MPa，最大风量12m3/min。二位三通电磁阀为常闭阀，工作电压AC 220V。当电铲作业收起梯子时，按下机械室门上的电源接通按钮，电磁阀给电并接通压缩空气，压缩空气推动单向气缸活塞向外伸展，使活动主梯翻转折叠。相反，当人员要上下梯子时，按下电源开关，电磁阀失电并阻断压缩空气，活动主梯凭借自重使气缸活塞缓慢缩回，主梯自然伸展，与固定扶梯呈直线状态。

图1 原伸缩梯结构简图

图2 新型扶梯气控原理图

根据理论力学[3]原理，两个气缸所需的支撑力，与主梯的重量分布及其与固定扶梯铰接支点位置、气缸联结位置有关，结合电磁阀所供压缩空气的最小压力，可计算出气缸工作缸的最小内径[4]。而气缸活塞行程的计算，则与气缸联结位置及主梯最终折叠角度有关。

3.3 新型气控扶梯的制作与组装工艺

首先移除电铲原立式扶梯及滑道、卷扬机构。为保证新型扶梯的末端不伸出电铲尾部之外，须将电铲水平走台去除1000mm。固定扶梯用槽钢与防滑花纹板焊接制成，上端及内侧分别与电铲水平走台及回转平台焊接，底部用角钢制成的三角框架支撑，以保证足够的承载能力。

活动主梯与固定扶梯采用φ50mm的轴销联结，主梯下面两侧焊接20mm厚的固定板，用作气缸的固定支撑。整个扶梯的台阶跨度可设计为300mm，踏板与侧板焊接角度呈45°。

图3 新型扶梯结构简图1-气缸;2-扶梯

4 气控扶梯明显优势

新型气控扶梯的设计结合了电铲本身的机械、电气及气控系统平台，按照简约、可靠和独立的原则，力求使新型扶梯具备操控安全、快捷省力、性能可靠、成本低廉的优势特点。

1)安全性明显提高。活动主梯与地面角度由原来75°减缓为45°，且与固定扶梯无异形面交叉拐角，人员上下通行更加安全。

2)操作更加灵敏快捷。操作扶梯再无须用力拽拉绳索，仅需按下电源按钮即可实现扶梯的下放和收回。况且不存在滑道及滑轮等的锈蚀问题，扶梯动作始终保持灵敏快捷。

3)故障率明显降低。由于压缩空气本身具备缓冲及减震作用，由气缸及电磁阀控制的扶梯动作平稳，不会产生硬冲击而破坏限位开关而导致停机。电铲作业时，主动扶梯末端向上翘起，且紧贴机身，不易遭矿车或岩石碰撞。

4)制造成本控制较低。扶梯机械焊接结构的制造成本与原来基本持平，而气控部分无需另配空压机，仅增加两个气缸、一个电磁阀及若干附属气控件。

5 结论

本文设计的新型气控扶梯已在国内某矿山的WK-10B及WK-12C电铲上应用两年有余，改型扶梯相比于传统扶梯的性能优势十分明显，受到电铲操作、维护人员的一致好评。目前笔者正研发同类产品，并计划推广应用于其它电铲机型，此项设计正符合工业产品所追逐的人机工程学方面的安全、便捷、舒适、可靠等功能要求，具备普遍推广的实际意义。