單軌自移設(shè)備列車系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及應(yīng)用

寧振兵

（太原礦機(jī)電氣發(fā)展有限公司，山西 太原 030032）

0 引言

煤礦企業(yè)多采用綜合機(jī)械化采煤工藝，并且機(jī)電設(shè)備實(shí)現(xiàn)了大型化、高速連續(xù)化和自動(dòng)化。為了便于設(shè)備的管理，煤礦企業(yè)將所有設(shè)備（如液壓、液泵、負(fù)荷中心、開(kāi)關(guān)組等）集中布置于工作面順槽中，距離采煤工作面切眼40m～200m處，這些設(shè)備統(tǒng)稱為設(shè)備列車。隨著采煤機(jī)和轉(zhuǎn)載機(jī)的向前推移，設(shè)備列車需克服巷道內(nèi)的地板起伏不定、巷道上下坡度、移動(dòng)過(guò)程中電纜布置以及電纜回收等困難，跟隨向前移動(dòng)。

隨著煤礦現(xiàn)代化水平的不斷提高，煤礦企業(yè)由最開(kāi)始的圓柱絞車牽引設(shè)備列車，發(fā)展到使用液壓地軌卡軌車自移的方式。然而，這些方式?jīng)]能從根本上解決巷道內(nèi)地板起伏不定、巷道上下坡度等帶來(lái)的工人勞動(dòng)強(qiáng)度大、地軌成本高的問(wèn)題，且存在移動(dòng)效率低、安全事故多以及電纜布置和回收困難等問(wèn)題。

針對(duì)地軌設(shè)備列車存在的一系列問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)一種行駛于柔性掛接于巷道頂部的I140E單軌軌道上的懸掛式自移設(shè)備列車系統(tǒng)，它以液壓為動(dòng)力，自帶制動(dòng)裝置，高度集成設(shè)備自移、電纜自移、電纜回收等功能，在提高煤礦安全因素、減輕工人勞動(dòng)強(qiáng)度、提高采煤工作效率等方面具有深遠(yuǎn)的意義。

1 設(shè)計(jì)方案及原理

1.1 設(shè)計(jì)方案

礦用設(shè)備列車具有如下特點(diǎn)：①設(shè)備多，包括負(fù)荷中心、開(kāi)關(guān)組、乳化液泵、乳化液箱、噴霧泵、清水箱、電纜回收車等約20個(gè)設(shè)備部件；②重量大，其中的負(fù)荷中心一般從8t到20t不等，其他設(shè)備平均都是3t以上，一整套設(shè)備列車最重能達(dá)到100t；③長(zhǎng)度長(zhǎng)，由于單個(gè)設(shè)備最短也有3m長(zhǎng)，而負(fù)荷中心最長(zhǎng)能達(dá)到7 m，設(shè)備之間還有一定的安全距離，再包括設(shè)備列車與工作面之間的電纜距離，整套列車平均長(zhǎng)度都在100 m以上。

針對(duì)這些特點(diǎn)，單軌自移設(shè)備列車運(yùn)行軌道采用DIN2093標(biāo)準(zhǔn)I140E規(guī)格單軌軌道，軌道沿運(yùn)行巷道從轉(zhuǎn)載機(jī)處至巷道口鋪設(shè)，徹底擺脫煤礦巷道地板的復(fù)雜情況對(duì)設(shè)備列車運(yùn)行的影響，而且單軌軌道具有卡軌功能，運(yùn)行過(guò)程中不存在掉道現(xiàn)象。單軌自移設(shè)備列車自帶動(dòng)力源，由自帶乳化液泵站或液壓泵站提供動(dòng)力。單軌自移設(shè)備列車由設(shè)備自移部分和電纜伸縮自移部分兩大部分構(gòu)成，這兩大部分采用拉桿相連但是分開(kāi)運(yùn)動(dòng)。電纜伸縮自移部分跟隨采煤機(jī)、轉(zhuǎn)載機(jī)等同步移動(dòng)，每次移動(dòng)距離較短；設(shè)備自移部分根據(jù)采煤機(jī)前進(jìn)速度以及煤礦企業(yè)需要設(shè)計(jì)一定的移動(dòng)周期，每次移動(dòng)距離較長(zhǎng)。由于煤礦安全規(guī)程禁止礦用設(shè)備帶電移動(dòng)，因此設(shè)備列車兩部分移動(dòng)動(dòng)力采用交叉供液，即設(shè)備自移部分的動(dòng)力泵站集成于電纜伸縮自移部分，電纜伸縮自移部分動(dòng)力采用設(shè)備自移部分集成的泵站，也可直接采用礦方乳化液泵提供動(dòng)力。單軌自移設(shè)備列車排布方案如圖1所示。

圖1 單軌自移設(shè)備列車的排布方案

1.2 設(shè)備自移方案及原理

設(shè)備列車中設(shè)備自移部分主要用于集成整套設(shè)備列車并且懸掛于I140E單軌軌道上，以及為整套設(shè)備列車提供移動(dòng)動(dòng)力。其移動(dòng)原理采用煤礦目前相對(duì)比較成熟的邁步式移動(dòng)方式，即一個(gè)推進(jìn)油缸、前后各一個(gè)制動(dòng)裝置的方式，采用一組控制閥控制前后制動(dòng)裝置的工作和打開(kāi)，以及推進(jìn)油缸的伸縮來(lái)實(shí)現(xiàn)整個(gè)設(shè)備的向前移動(dòng)。

傳統(tǒng)的方案是將整部列車分為前、后兩段來(lái)運(yùn)行，這時(shí)由于整套設(shè)備列車重量大、長(zhǎng)度長(zhǎng)，在上、下坡時(shí)容易造成單缸推力過(guò)大或上、下設(shè)備堆積等現(xiàn)象，對(duì)運(yùn)行軌道造成一定的破壞。

本設(shè)計(jì)方案是將整部設(shè)備自移列車在單軌上分為3段或者4段，采用2個(gè)或3個(gè)推進(jìn)油缸分段推移前進(jìn)。各推進(jìn)油缸采用串聯(lián)連接以實(shí)現(xiàn)移動(dòng)同步，移動(dòng)原理如圖2、圖3所示。

圖2 設(shè)備列車分3段推進(jìn)原理

圖3 設(shè)備列車分4段推進(jìn)原理

1.3 電纜伸縮自移方案及原理

電纜伸縮自移部分主要用于設(shè)備自移部分與工作面綜采設(shè)備的連接過(guò)渡，集成、排布設(shè)備列車與工作面切眼之間的電纜、油管等，并且實(shí)現(xiàn)電纜與工作面綜采設(shè)備的同步前進(jìn)和伸縮的功能。

本設(shè)計(jì)方案采用單組邁步式移動(dòng)裝置作為電纜與工作面綜采設(shè)備同步移動(dòng)的動(dòng)力，采用多組電纜小車（使用鏈條進(jìn)行連接）間隔一定距離來(lái)實(shí)現(xiàn)電纜部分的伸縮功能。

工作時(shí)，邁步式移動(dòng)裝置與綜采設(shè)備同步前進(jìn)，推移電纜小車的過(guò)程中電纜實(shí)現(xiàn)收縮；經(jīng)過(guò)一定行程的收縮，設(shè)備自移部分開(kāi)始移動(dòng)，對(duì)電纜小車?yán)?shí)現(xiàn)電纜的伸展。

2 受力分析

2.1 單軌軌道懸掛受力分析

目前，煤礦企業(yè)應(yīng)用設(shè)備列車中的最重、最大的設(shè)備為礦用負(fù)荷中心（或者移動(dòng)變電站），最重能達(dá)到20 t，將20t重的設(shè)備懸掛于采用錨桿懸掛的I140E單軌軌道上，需要一些特殊的懸掛裝置，如圖4所示。

懸掛20t重型設(shè)備采用杠桿分力的結(jié)構(gòu)形式，將20t重量通過(guò)分散力臂裝置分成4個(gè)連接點(diǎn)將重力傳遞到懸掛裝置上，懸掛裝置通過(guò)6個(gè)承載小車再次將重量分散到I140E單軌軌道上，最后軌道通過(guò)軌道吊點(diǎn)將力傳遞到巷道基板上。軌道長(zhǎng)3m，承載小車間距1.8m，分散力臂長(zhǎng)3 390mm，其吊點(diǎn)在1/3處（1 130mm設(shè)備處）。

圖4 懸掛裝置簡(jiǎn)圖

經(jīng)過(guò)計(jì)算，單軌軌道單個(gè)吊點(diǎn)最大受力為59.99 kN，實(shí)際懸掛軌道時(shí)采用雙錨桿懸掛，單根錨桿錨固力保證150kN，雙根為300kN。安全系數(shù)約為5倍，滿足煤礦懸掛要求。

2.2 設(shè)備列車自移爬坡角度的分析確定

目前煤礦企業(yè)使用的設(shè)備列車整套最重約為100 t，設(shè)備列車采用多節(jié)同步邁步式移動(dòng)。該移動(dòng)方式的特點(diǎn)是不論分成幾節(jié)，整體都是靠2個(gè)三位四通液壓閥控制，一個(gè)液壓閥控制制動(dòng)裝置的打開(kāi)，一個(gè)液壓閥控制推進(jìn)油缸的伸縮。設(shè)備列車移動(dòng)時(shí)，總是一部分制動(dòng)靜止，一部分被推進(jìn)油缸推進(jìn)移動(dòng)，如設(shè)備列車分4段，推進(jìn)原理如圖3所示，設(shè)備列車一段和三段同步移動(dòng)，二段和四段同步移動(dòng)。

根據(jù)這種情況，推進(jìn)油缸的布置可以將設(shè)備列車分成重量大約相等的兩部分，如設(shè)備列車分4段推進(jìn)原理圖，可將設(shè)備列車一段、三段的重量之和與設(shè)備列車二段、四段的重量之和相等，這樣可以盡量使推進(jìn)油缸受力均衡。

本設(shè)計(jì)中推進(jìn)油缸為Φ160/90-1500，工作壓力為12MPa，其油缸推力為：

油缸拉力為：

由于各推進(jìn)油缸油路采用串聯(lián)方式連接，用以達(dá)到同步運(yùn)行，因此整套設(shè)備列車的推移動(dòng)力為單個(gè)油缸的推力或拉力，所以可得整套設(shè)備列車的驅(qū)動(dòng)力為164.9kN。

設(shè)爬坡角度為α，則驅(qū)動(dòng)力為：

其中：F為驅(qū)動(dòng)力，F(xiàn)＝164.9kN；m為設(shè)備重量，m＝50t；g為重力加速度，g＝10m/s2；α為爬坡角度；0.03為設(shè)備列車在軌道行駛時(shí)的摩擦系數(shù)?？紤]在實(shí)際工作過(guò)程中液壓系統(tǒng)和機(jī)械系統(tǒng)的效率損失，為驅(qū)動(dòng)力提供30%的富裕量，即：

代入相關(guān)數(shù)據(jù)計(jì)算可得設(shè)備列車的爬坡角度α≈11.5°。

3 總結(jié)

根據(jù)以上設(shè)計(jì)、計(jì)算、分析可得，單軌自移設(shè)備列車可承載現(xiàn)有煤礦企業(yè)使用列車全部設(shè)備，根據(jù)設(shè)備重量的不同可選擇不同的懸掛承載裝置；單軌自移設(shè)備列車可適應(yīng)復(fù)雜的煤礦巷道環(huán)境，特別是上、下帶坡起伏巷道；單軌自移設(shè)備列車擺脫地軌形式，采用頂懸掛I140E單軌軌道形式運(yùn)行，投資成本低，安裝簡(jiǎn)單，地面環(huán)境影響小，不脫軌，運(yùn)行安全。

4 實(shí)際應(yīng)用

目前，在山西潞安常村礦、漳村礦、王莊礦，霍州煤電山浪礦、李雅莊礦以及潞寧礦業(yè)和汾西礦業(yè)的各大煤礦企業(yè)都已運(yùn)行該系統(tǒng)，實(shí)際使用效果良好。實(shí)踐證明，這一應(yīng)用可顯著提高煤礦的生產(chǎn)效率，大大降低了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，徹底消除“絞車對(duì)拉”產(chǎn)生的安全隱患，保證了煤礦的安全生產(chǎn)，值得推廣和應(yīng)用。