礦用新型支架搬運(yùn)拖車的設(shè)計(jì)分析

姜圣賢

（山西潞安環(huán)保能源開發(fā)股份有限公司五陽(yáng)煤礦， 山西 長(zhǎng)治 046205）

引言

國(guó)內(nèi)煤礦工作面正常生產(chǎn)時(shí)間的15%是井下綜采工作面的搬家倒面時(shí)間，而超過70%的總搬家時(shí)間均為液壓支架運(yùn)輸時(shí)間，所以制約礦井產(chǎn)量和效率的最主要、最關(guān)鍵的因素就是綜采工作面中液壓支架的搬運(yùn)效率。

近來市場(chǎng)上出現(xiàn)了適用于斜巷輔運(yùn)的鏟板式搬運(yùn)車、支架搬運(yùn)車等不同種類的無(wú)軌式的液壓支架輔運(yùn)設(shè)備，但是不適用于立井輔運(yùn)方式。因此，研究一種適用范圍廣、運(yùn)輸效率高、制造成本低的支架搬運(yùn)設(shè)備是非常必要的，快換式支架搬運(yùn)拖車就是解決此問題的一種理想設(shè)備。

1 國(guó)內(nèi)主流井下液壓支架運(yùn)輸方式和特征

近年來，隨著無(wú)軌輔助運(yùn)輸?shù)目焖侔l(fā)展，煤礦井下綜采工作面液壓支架的搬運(yùn)作業(yè)主要通過使用防爆膠輪車整體運(yùn)輸來實(shí)現(xiàn)，這種運(yùn)輸方式充分保證了礦井的安全高效生產(chǎn)，極大地減少了輔運(yùn)人員的人數(shù)，有效降低了井下人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，不僅提高了綜采工作面的運(yùn)輸速度和安撤效率，還提高了礦井作業(yè)的安全水平，降低了成本，提高了收益。目前斜井和立井開采礦井液壓支架的運(yùn)輸方式不同。適用于斜井的液壓支架主要包括兩種方式：框架式支架搬運(yùn)車和鏟板式搬運(yùn)車[1]。

框架式支架搬運(yùn)車如圖1所示。支架長(zhǎng)距離運(yùn)輸且采用U型框架的框架式支架搬運(yùn)車，支架從地面經(jīng)搬運(yùn)車運(yùn)輸，被運(yùn)至工作面的切眼位置。其中，框架式支架搬運(yùn)車車型是產(chǎn)自山西天地煤機(jī)裝備有限公司澳大利亞工創(chuàng)集團(tuán)的防爆支架搬運(yùn)車。

鏟板式搬運(yùn)車如圖2所示。支架在切眼位置，經(jīng)鏟板式搬運(yùn)車，被運(yùn)輸至工作面后安裝。其中的車型主要是產(chǎn)自美國(guó)CAT、山西天地煤機(jī)裝備有限公司以及德國(guó)SANDVIK的鏟板式搬運(yùn)車，其動(dòng)力裝置主要包括防爆柴油機(jī)和蓄電池兩種類型。

圖1 框架式支架搬運(yùn)車實(shí)樣

圖2 鏟板式支架搬運(yùn)車實(shí)樣

因?yàn)榱⒕_采礦井中具有對(duì)罐籠尺寸的要求，一般為5.2 m，此時(shí)，長(zhǎng)為10 m左右的支架搬運(yùn)車沒有辦法進(jìn)入罐籠。在該種情況下，基本借助地面拆解的方式進(jìn)行液壓支架搬運(yùn)，通過罐籠被轉(zhuǎn)運(yùn)到井下硐室并進(jìn)行再次安裝，經(jīng)框架式支架搬運(yùn)車把它運(yùn)輸?shù)焦ぷ髅?，或者附近的硐室進(jìn)行二次組裝。使用該運(yùn)輸方式的代表企業(yè)有山東兗礦集團(tuán)和集散煤礦。

近幾年興建了很多大型的礦井，立井礦井的提升能力和罐籠尺寸也得到逐漸改善，比如，提升能力實(shí)現(xiàn)65 t，罐籠運(yùn)輸?shù)拈L(zhǎng)度尺寸實(shí)現(xiàn)增長(zhǎng)至8 m。因此，也改變了立井礦井中液壓支架的搬運(yùn)方式，其傳統(tǒng)的支架搬運(yùn)方式通常是在地面調(diào)整液壓支架姿態(tài)（支架長(zhǎng)度縮短，高度變高），使得對(duì)應(yīng)的支架獲得適用的下罐構(gòu)造，經(jīng)過提升設(shè)備的運(yùn)輸，將對(duì)應(yīng)的液壓支架運(yùn)至平板車上，之后，經(jīng)過功能齊全的鏟運(yùn)機(jī)與相應(yīng)運(yùn)輸平板車的耦合連接，在較短時(shí)間內(nèi)，將支架和對(duì)應(yīng)的支架運(yùn)輸平板車直接運(yùn)送到相應(yīng)的罐籠內(nèi)，同時(shí)轉(zhuǎn)運(yùn)到井下。通過井下專門的轉(zhuǎn)運(yùn)換裝臺(tái)，把支架換裝到框架式支架搬運(yùn)車中，等到液壓支架姿態(tài)恢復(fù)之后，再把其運(yùn)輸?shù)焦ぷ髅?，如圖3所示。該運(yùn)輸方式能夠有效避免框架式支架搬運(yùn)車無(wú)法直接下罐的問題，能夠充分解決由于支架拆解運(yùn)輸產(chǎn)生的問題，整個(gè)綜采工作面經(jīng)此操作，其安撤效率得到了很大的提高，并且相應(yīng)液壓支架的運(yùn)輸周期極大地縮短。

圖3 多功能鏟運(yùn)機(jī)+支架運(yùn)輸平板車實(shí)樣

對(duì)應(yīng)涉及的支架搬運(yùn)方式，包括“框架式支架搬運(yùn)車+鏟運(yùn)機(jī)+支架運(yùn)輸平板車”三部分，具有如下特征：支架裝卸比較困難，轉(zhuǎn)運(yùn)環(huán)節(jié)和設(shè)備比較復(fù)雜，涉及的人員比較多，容易發(fā)生安全隱患。與此同時(shí)，出于地面液壓支架存放地點(diǎn)的遠(yuǎn)近距離不等的原因，設(shè)備的使用效率還會(huì)受到以下因素的直接影響：輔運(yùn)順槽的長(zhǎng)度因綜采工作面不同而出現(xiàn)差異、不同車輛和車型數(shù)量不匹配、框架式支架搬運(yùn)車和多功能鏟運(yùn)機(jī)等個(gè)別設(shè)備處于等待工作的運(yùn)行狀態(tài)，不能夠?qū)ζ涓咝褂?。除此之外，該搬運(yùn)方式還要求在井下出罐附近額外設(shè)置專用的轉(zhuǎn)運(yùn)換裝臺(tái)，并且開拓?fù)Q裝空間，這為礦井的設(shè)計(jì)增添了較多的要求，不便于設(shè)計(jì)。

2 新型支架搬運(yùn)拖車的設(shè)計(jì)分析

2.1 支架搬運(yùn)拖車應(yīng)用的相關(guān)范圍

支架搬運(yùn)拖車是一個(gè)無(wú)軌輔運(yùn)設(shè)備，用于搬運(yùn)液壓支架，能夠?qū)崿F(xiàn)快速連接多功能鏟運(yùn)機(jī)。其中，借助獨(dú)特的U型封底框架，配置快速裝卸液壓支架系統(tǒng)以及大扭矩安全型制動(dòng)裝備，具有如下優(yōu)點(diǎn)：低制造成本、大運(yùn)輸能力、強(qiáng)爬坡能力、安裝簡(jiǎn)便、操作簡(jiǎn)單可靠等。該類型的支架搬運(yùn)拖車一方面能夠達(dá)到液壓支架長(zhǎng)距離運(yùn)輸?shù)哪繕?biāo)，另一方面能適用于多樣化條件的礦井，比如立井運(yùn)輸?shù)V井、斜巷運(yùn)輸?shù)V井等，特別是適用于配備大型罐籠的副立井輔運(yùn)系統(tǒng)，能夠在該新型支架搬運(yùn)方法的立井輔運(yùn)條件下快速搬運(yùn)液壓支架。這種搬運(yùn)設(shè)備的主要思路如下：支架在地面時(shí)，經(jīng)支架搬運(yùn)車與多功能鏟運(yùn)車的高效運(yùn)轉(zhuǎn)被運(yùn)至礦井口，將整個(gè)支架和拖車所組成的一個(gè)整體裝入罐中，在避免了吊裝、卸載、轉(zhuǎn)運(yùn)等環(huán)節(jié)的情況下，經(jīng)其他鏟運(yùn)機(jī)和拖車的高效運(yùn)轉(zhuǎn)和配合，將支架直接運(yùn)送至所處的工作面。與此同時(shí)，結(jié)合綜采工作面液壓支架的質(zhì)量、罐籠的尺寸及提升能力，借助模塊化的方式，設(shè)計(jì)具有不同噸位級(jí)別的拖車[2]。

2.2 支架搬運(yùn)拖車的整體架構(gòu)和運(yùn)行特征

該支架搬運(yùn)拖車的整體架構(gòu)如圖4所示。通過快換連接裝置連接該拖車和多功能鏟運(yùn)機(jī)，由多功能鏟運(yùn)機(jī)產(chǎn)生動(dòng)力。在具體的結(jié)構(gòu)中，支架搬運(yùn)拖車基于U型封底式箱型框架結(jié)構(gòu)，配備各項(xiàng)裝置，包括三自由度鉸接、快速連接、升降、推移、牽引和制動(dòng)裝置等。

圖4 支架搬運(yùn)拖車總體結(jié)構(gòu)

第一，三自由度鉸接裝置。能夠有效保障整車行走的穩(wěn)定安全，幫助實(shí)現(xiàn)拖車的轉(zhuǎn)動(dòng)和橫向前后擺動(dòng)。

第二，升降裝置。有效保障整車充足的提升能力，有效節(jié)省很多拖車橫向布置的空間，能夠達(dá)到整車外形的尺寸要求。

第三，推移裝置。其構(gòu)成主要是兩個(gè)獨(dú)立的推移導(dǎo)向筒和油缸，具有推移行程較長(zhǎng)、推移能力較大的特征，有利于把液壓支架從車廂推出。

第四，牽引裝置。結(jié)合大繩力液壓絞車的設(shè)計(jì)，通過推移和升降裝置能夠有效實(shí)現(xiàn)快速裝卸拖運(yùn)物件的目的。

第五，制動(dòng)裝置。能夠有效保證駐車和行車的可靠安全。

3 支架搬運(yùn)拖車U型結(jié)構(gòu)的性能分析

在支架搬運(yùn)拖車中，其主要承載結(jié)構(gòu)即是U型框架，其前端是由多功能鏟運(yùn)機(jī)和三自由度鉸接裝置進(jìn)行快速連接，其后端是由升降裝置與制動(dòng)裝置和行走部分輪胎連接，故拖車U型框架是整車運(yùn)輸過程中的最主要承載機(jī)構(gòu)，如穩(wěn)定性和可靠性等運(yùn)輸設(shè)備的性能，直接受到U型框架中各個(gè)部件的強(qiáng)度和剛度的影響。

封底式的U型框架結(jié)構(gòu)被用于支架搬運(yùn)拖車，可以實(shí)現(xiàn)煤礦綜采設(shè)備高效遠(yuǎn)距離運(yùn)輸，由于車輛行駛速度快，并且運(yùn)輸設(shè)備大部分是大采高重型設(shè)備，煤礦井下的運(yùn)輸環(huán)境也十分的惡劣，因此對(duì)U型框架強(qiáng)度的設(shè)計(jì)具有較高的要求?；谝陨戏治銮闆r，通過多體動(dòng)力學(xué)分析方式，對(duì)左輪過障礙和右輪過坑進(jìn)行全面的受力分析，詳情見圖5、圖6，優(yōu)化了搬運(yùn)拖車U型框架設(shè)計(jì)，對(duì)拖車中各系統(tǒng)的質(zhì)量進(jìn)行合理分配，其中不僅保證拖車U型框架強(qiáng)度，滿足對(duì)支架搬運(yùn)拖車承載的要求，還使得拖車充分符合輕量化的設(shè)計(jì)要求。

圖5 U型框架動(dòng)態(tài)受力曲線

圖6 U型框架惡劣工況有限元分析應(yīng)力云圖

可以從應(yīng)力云圖得到一些信息，如圖6，處于升降裝置的油缸耳位置，拖車的U型框架最大的應(yīng)力值達(dá)到了210 MPa，其應(yīng)力的性質(zhì)是拉應(yīng)力，預(yù)選拖車材料的屈服極限為345 MPa，其安全系數(shù)較高，可滿足實(shí)際需要。其中，為了有效提高局部區(qū)域的強(qiáng)度，采用高強(qiáng)度板材作為部分板件材料[3]。

4 實(shí)際適用的狀態(tài)

經(jīng)過一系列的研究，研制出50 t級(jí)別的支架搬運(yùn)拖車，并且，在研制成功之后，在鄂爾多斯的某個(gè)主斜井副立井式的煤礦中開展了一系列的試驗(yàn)與探究，在24 d的時(shí)間當(dāng)中，有效完成了質(zhì)量約45 t、170臺(tái)綜采液壓支架的搬運(yùn)，對(duì)比其他的搬運(yùn)方式時(shí)間足足減少21 d，極大地提高了搬運(yùn)的效率，有效減小了綜采工作面搬家倒面的時(shí)間，縮短了周期。

5 研究結(jié)論

本研究對(duì)目前國(guó)內(nèi)主流的礦井支架搬運(yùn)方式進(jìn)行了分析和總結(jié)，結(jié)合實(shí)際綜采時(shí)的各種問題以及斜巷和立井兩種礦井輔運(yùn)類型，研發(fā)出了新型支架搬運(yùn)拖車的運(yùn)輸設(shè)備，對(duì)支架搬運(yùn)拖車的參數(shù)指標(biāo)、技術(shù)構(gòu)成、適用場(chǎng)景以及工作特征進(jìn)行了介紹，并且對(duì)該支架搬運(yùn)拖車所采用的新型U型框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行了強(qiáng)度校核。經(jīng)實(shí)踐運(yùn)用，該種搬運(yùn)方式使支架搬運(yùn)效率得到了極大提高，有效減少了在綜采工作面進(jìn)行作業(yè)時(shí)的搬家倒面的時(shí)間，并且該搬運(yùn)方式參與人數(shù)減少，使用設(shè)備單一高效，轉(zhuǎn)運(yùn)工作簡(jiǎn)單，提高了安全系數(shù)。