矿井辅助运输设备连接插销|受力|插销|矿井|破断

王金利1,2

1 上海煤科检测技术有限公司上海 201401 2 中国矿业大学机电工程学院徐州 221116

摘要：连接插销强度试验，是保证其满足矿井辅助运输设备连接装置破断强度安全系数的一项试验工作。各种辅助运输设备要求其连接装置的破断强度安全系数不同，运送人员为13 倍最大牵引力，运送物料为10 倍最大牵引力。针对现有连接插销标准对破断强度无检验要求等问题，对连接插销的破断强度进行测试和分析，为矿井辅助运输设备连接插销的选型和设计提供建议和数据支撑。

关键词：矿井辅助运输设备；连接插销；破断强度；安全系数

中图分类号：TD528 文献标识码：A 文章编号：1001-0785（2020）15-0058-04

0 引言

连接插销是无极绳连续牵引车、煤矿井下钢丝绳牵引卡轨车、煤矿井下钢丝绳牵引单轨吊车等矿井辅助运输设备的重要组成部件。连接插销通过销孔与拉杆（或链环）牵引运输车辆，将各节运输车辆组成列车，由矿用无极绳调速机械绞车在轨道上牵引运行。为保证列车运行中的安全，避免连接插销断裂发生事故，矿井辅助运输设备的产品标准中，对连接装置的安全系数都有明确的规定。MT/T988—2006《无极绳连续牵引车》、MT/T590—1996《煤矿井下钢丝绳牵引卡轨车》、MT/T886—2006《煤矿井下钢丝绳牵引单轨吊车》中均规定：连接装置的安全系数，运送人员时不小于13，运送物料时不小于10[1-3]。连接插销根据其直径大小及其破断强度，在规定安全系数下使用，以保证行驶车辆的安全运输。

目前MT244.2—2005《煤矿窄轨车辆连接件连接插销》中规定连接插销的最大径向载荷为588 kN[4]，无法满足矿井辅助运输设备连接插销破断强度高达1 600kN 的安全要求, 连接插销的断裂是矿井辅助运输设备发生跑车事故的主要原因，其质量和性能的优劣关系着矿山辅助运输的安全。邓勇等[5-7] 研究了辅助运输设备用连接插销的检验方法和测试仪器，针对连接插销对煤矿安全生产的重要性，通过检验方法和使用仪器的对比分析，提出了连接插销在使用中应该注意的问题。

李栋[8] 对煤矿窄轨车辆用连接插销的弯曲变化提出了新的测试方法, 分析了试验中产生的误差并提出了减小试验误差的具体技术措施。杨建威等[9-11] 对连接插销的实际应用进行了综合分析和探讨，针对使用过程中发生容易脱落等实际状况进行研究与分析, 提出了连接插销的设计方案和改进措施。国内目前对连接插销和辅助运输设备分别作为独立的单元进行安全检测认证。由于两类产品标准对连接插销强度技术要求的差异性，使得安全检测认证合格的连接插销，因强度等技术参数方面的原因无法直接适用于矿用辅助运输设备连接装置的配套和选型。

1 连接插销强度试验应力分析

连接插销通过销孔与拉杆（或链环）将运输车辆连接起来，连接插销的受力分析和应力分布如图1 所示。连接插销两部分沿剪切面发生相对错动的趋势；以力F 的横截面为分界面，剪力Q 的作用线与剪切面m—m平行。

图 1 连接插销受力分析和应力分布

设连接插销在整个水平面上的受力F 均匀分布，由ΣFx=0 可知，连接插销受力F 与 m—m 面上的剪力Q大小相等。

名义剪应力τ 为

式中: AQ 为剪切面m—m 的面积。

名义截切应力不得超过材料的许用剪切应力为

式中：τjx 为极限剪应力，[τ] 为许用剪切应力，n 为安全系数。

许用应力和材料的屈服应力之间的关系为

式中：σs 为材料的屈服应力；[σ] 为许用应力；n 为安全系数，一般取n=1.2~1.5。

许用应力与许用剪切应力关系为

材料40Cr 的屈服应力σs=785 MPa[12]。依据式（2）、式（3），分别选取最低、最高安全系数1.2、1.5；最小、最大比例系数0.6、0.8，

可得材料40Cr 的许用剪应力为

选择常用的φ 50 mm 连接插销，依据式（1）可得连接插销可承受的理论最小力Fmin 和理论最大力Fmax为

2 试验概况

2.1 连接插销材料

试验连接插销符合MT244.2—2005《煤矿窄轨车辆连接件连接插销》标准规定的要求，材料选用机械性能好的40Cr 中碳合金钢锻造成形。连接插销的常温冲击功不低于48 J，进行调质处理。调质并高频表面淬火后硬度为HB 230-260，淬火温度850℃，冷却剂油，回火加热温度520℃，水冷。表面不允许有裂纹、毛刺等缺陷。连接插销的化学元素含量如表1 所示。

2.2 试验仪器

连接插销强度试验中用到的设备有：拉力机、数显游标卡尺、钢卷尺、温度计，其中拉力机型号为AS300，测量范围为0 ～ 3 000 kN，误差为±1%；游标卡尺型号为150 mm 游标卡尺，测量范围为0 ～ 150mm，误差为±0.03 mm；钢卷尺型号为L19-50，测量范围为0 ～ 5 m，准确度为Ⅱ级；温度计型号为ZC1-2，测量范围为-40℃～ 50℃，误差为±2℃。

2.3 测试方法

1）按MT244.2—2005《煤矿窄轨车辆连接件连接插销》要求，将连接插销放入图2 所示的夹具上，强度试验加载在无冲击的状态下进行，设定破断强度力量极限保护值为1 610 kN。

图 2 连接插销强度试验

2）连接插销的受力位置在矿用辅助设备连接装置U 形卡槽上下端向内60 mm 处，启动拉力机作动缸连续加载至10 kN 的预紧力, 保证连接插销在夹具中位置固定。

3）在无冲击的状态下，试验机连续加载至10 kN时，在标尺上读出初始数据；然后加载到350 kN 负荷,读出标尺上的数据，算出连接插销的变形量。

4）第一根连接插销以10 N/mm2·s 的加载速率进行强度试验，直到达到系统预先设定的保护值1 610 kN 为止, 观察连接插销是否断裂。

5）第二根连接插销以1.5 mm/min 的加载速率进行强度试验，直到达到系统预先设定的保护值1 610 kN为止, 观察连接插销是否断裂。

6）利用数据采集系统对拉力机传感器的输出信号进行实时采集，在计算机中自动进行记录，保存，处理。

3 实验结果与分析

在室温（25℃）的条件下，对φ 50 mm 连接插销进行强度试验，图3 为试验样品，从试验后的状态可以看出，连接插销在1 610 kN 强度试验后发生了明显的弯曲变形。

图 3 连接插销试验样品

从表2 为连接插销变形量，可以看出，连接插销从初始负荷11.0 kN，按照10 N/mm2·s、1.5 mm/min 加载速率两种试验条件连续加载至350.0 kN 的试验负荷，其永久弯曲变形量分别为4 mm 和3 mm；负荷达到设定的1 610 kN 时，最终变形量分别为14.5 mm 和13.5mm。不同的加载试验速率对φ 50 mm 连接插销强度没有明显影响。

图4、图5 是两种不同加载速率下破断强度随时间变化规律，可以看出，达到设定的1 610 kN 的负荷，两种加载速率下φ 50 mm 40Cr 的连接插销都没有发生断裂。破断强度随时间的应变规律基本一致，10 N/mm2·s加载速率下达到力量保护值所用的加载时间为540 s ；1.5 mm/min 加载速率下加载时间为450 s。在化学成分和调质工艺相同的条件下，影响连接插销强度的主要因素是连接插销的直径。

材料为40Cr 的φ 50 mm 连接插销理论最大截切强度为2 053 kN, 考虑1.25 倍的许用安全系数（1 642），1 610 kN 的试验值可以作为矿井辅助运输设备连接插销的选型依据。