李 剛

(1.中國煤炭科工集團(tuán)太原研究院有限公司,太原 030006;2.山西天地煤機裝備有限公司,太原 030006)

煤礦用設(shè)備列車是煤礦綜采工作面的動力控制核心,整體牽引長度約30 m,電纜液管吊掛單軌道長度約100 m,總質(zhì)量約280 t,傳統(tǒng)絞車牽引設(shè)備列車采用2臺回柱絞車前后拉動來調(diào)整位置以便為工作面正常開采提供支持,在±5°以上的坡道上行走存在列車自滑移現(xiàn)象,整體穩(wěn)定性差,鋼絲繩易斷裂,存在嚴(yán)重的安全隱患[1-4]。

長距離遙控式設(shè)備列車組的研制,可實現(xiàn)順槽巷道中的動力負(fù)荷中心[5]、泵站、電纜、液管、工具箱等設(shè)備與工作面三機設(shè)備快速聯(lián)動,無需鋪設(shè)軌道、掛電纜、移動絞車等繁重工作,避免設(shè)備列車發(fā)生自滑移、掉道、翻車、跑車、鋼絲繩斷等事故,極大地降低了工人的勞動強度,提高了設(shè)備的自動化水平,保證其在大角度煤礦井下的適應(yīng)性以及安全性[6]。

1 設(shè)備列車組組成

自移設(shè)備列車組總長260 m,如圖1所示。主要由錨固牽引裝置,自移軌道、推移控制系統(tǒng)、30臺自移式平板車、遠(yuǎn)程遙控電液控制系統(tǒng)以及12臺自動伸縮管纜裝置組成。錨固牽引裝置與自移式平板車互為支點,通過推移與遠(yuǎn)程遙控電液控制系統(tǒng)進(jìn)行操作,實現(xiàn)設(shè)備列車整體前移[7],一個循環(huán)過程大約需要4 min,可實現(xiàn)±12°以下坡道上安全可靠移動。

1-錨固牽引裝置;2-遠(yuǎn)程遙控電液控制系統(tǒng);3-推移控制系統(tǒng);4-自移平板車;5-自移軌道;6-自動伸縮管纜裝置;7-步進(jìn)推移裝置圖1 KDYZ40-40/2000礦用電控液壓移動列車組Fig.1 Mining electronic control hydraulic mobile train units (KDYZ40-40/2000)

2 自移設(shè)備列車適應(yīng)性核算

長距離設(shè)備列車適應(yīng)性研究，主要為260 m設(shè)備列車適應(yīng)中煤平朔井工三礦巷道最大坡度±12°起伏變化;滿足單車承載重量不小于40 t;設(shè)備列車錨固牽引裝置結(jié)構(gòu)形式適應(yīng)巷道條件,錨固牽引力與推移系統(tǒng)適應(yīng)牽引重量不小于280 t的要求。為了實現(xiàn)管攬自動伸縮,其裝置關(guān)鍵部件彈簧制動器必須安全可靠,滿足制動適應(yīng)性要求。

2.1 自移式平板車載重

自移式平板車為設(shè)備列車中主要承載機構(gòu),如圖2所示。其主要由平板車、軌道、管攬儲存架、升降裝置以及連接裝置組成。無需人工鋪設(shè)軌道,避免設(shè)備列車翻車事故的發(fā)生,能夠適應(yīng)大坡度順槽巷道的要求,提高了安全性,減輕勞動強度。

1-平板車;2-軌道;3-管攬儲存架;4-升降裝置;5-連接裝置圖2 自移式平板車Fig.2 Self-moving flatcar

自移式平板車配有專用軌道和軌道提升裝置,專用軌道間通過連接段鉸接,適應(yīng)上下坡道,實現(xiàn)移動列車組整體邁步自移,避免列車組跑車和掉道事故的發(fā)生。提升裝置在設(shè)計時和軌道的摩擦方式為滾動摩擦,摩擦力小,不易損壞,整體運行平穩(wěn)。

該裝置采用4根規(guī)格為Φ100 mm/Φ70 mm油缸進(jìn)行提升控制,單車設(shè)計的最大載重不小于40 t。自移式平板車單車載重F1如式(1)所示:

F1=4×F2k1.

(1)

單根提升油缸提升力F2:

(2)

式(1)(2)中:k1為支撐效率系數(shù),取0.7;p為泵站供液壓力,取31.5 MPa;D1為外缸內(nèi)徑,為100 mm。

將參數(shù)代入公式(1)、(2)得出:自移式平板車單車載重F1≈692 kN> 40 kN,符合設(shè)計要求。

2.2 錨固牽引裝置適應(yīng)性核算

錨固牽引裝置為設(shè)備列車提供錨固牽引點,錨固牽引裝置以液壓為動力,如圖3所示 。由錨固架、調(diào)偏裝置、升降裝置、軌道以及推移控制系統(tǒng)組成,實現(xiàn)長距離設(shè)備列車快速前移,防止設(shè)備列車跑車,翻車。

1-錨固架;2-升降裝置;3-調(diào)偏裝置;4-軌道;5-推移控制系統(tǒng)圖3 錨固牽引裝置Fig.3 Anchor traction equipment

錨固牽引裝置在牽引設(shè)備時必須有足夠大的錨固牽引力,這就要求牽引裝置給頂板和底板足夠的支撐力,不破壞頂板的同時對頂?shù)装宓慕佑|面產(chǎn)生足夠大的摩擦力,不發(fā)生倒移現(xiàn)象。錨固牽引裝置采用2根規(guī)格為Φ200/Φ160 mm油缸的立柱撐頂,錨固力為錨固牽引裝置撐住頂板和底板摩擦力之和,錨固牽引裝置錨固牽引力F3如式(3)所示:

F3=4×μ1F4k2.

(3)

單根立柱支撐力F4:

(4)

式(3)(4)中:k2為支撐效率系數(shù),取0.9;p1為泵站供液壓力,取31.5 MPa;D2為外缸內(nèi)徑,為100 mm;μ1為錨固牽引裝置撐住頂板和底板,取鋼對煤的摩擦系數(shù)0.3。

將參數(shù)代入公式(3)、(4)得出:錨固牽引裝置錨固牽引力F3≈1 068 kN。

2.3 設(shè)備列車的牽引力核算

2.3.112°坡道爬坡安全計算

中煤平朔井工三礦巷道最大坡度±12°,設(shè)備列車與伸縮管攬裝置(42臺)設(shè)計的最大載重為200 t,自移式平板車與管攬車總重80 t,需要牽引的總重量為280 t,牽引的自移式平板車自帶重型軌道、壓輪以及升降系統(tǒng),壓輪采用自潤滑滾動機構(gòu),實現(xiàn)列車滾動摩擦前移,驗算時按滑動摩擦系數(shù)考慮,取鋼對鋼的滑動摩擦系數(shù)μ2=0.15;在12°坡道上設(shè)備列車需要的最大牽引力為設(shè)備列車總重下滑分力與其產(chǎn)生的摩擦力之和,在12°坡道上設(shè)備列車需要的最大牽引力F5如式(5)所示:

F5=Gsin12°+μ2Gcos12° .

(5)

將參數(shù)代入公式(5)得出:在12°坡道上設(shè)備列車需要的最大牽引力F5≈993 kN

2.3.2推移控制系統(tǒng)牽引力核算

自移設(shè)備列車推移控制系統(tǒng)采用2根規(guī)格為Φ230/Φ180mm的推移油缸,通過遠(yuǎn)程遙控器同步控制,其設(shè)備列車牽引力F6如式(6)所示:

F6=2×F7.

(6)

單根推移油缸牽引力F7:

(7)

式中:p1為泵站供液壓力,取31.5 MPa;D3為外缸內(nèi)徑,為230 mm;D4為活塞桿外徑, 180 mm。

將參數(shù)代入公式(6)、(7)得出:設(shè)備列車牽引力F6≈1 236 kN>F5(在12°坡道上設(shè)備列車需要的最大牽引力),滿足現(xiàn)場使用要求。

2.4 自動伸縮管纜裝置適應(yīng)性核算

自動伸縮管纜裝置,如圖4所示。主要由運輸車、撐頂立柱、步進(jìn)推移裝置以及管纜托架等組成,可將設(shè)備列車的電纜、液管吊掛于管纜裝置的單軌吊上,完全替代傳統(tǒng)的單軌吊高空懸掛電纜以及液管,管攬通過電液控制系統(tǒng)與工作面同步自動伸縮,減少了液管與電纜的長度,最大儲存電纜36 m,避免了高空作業(yè)的安全隱患,實現(xiàn)了工作面的自動化。

1-運輸車;2-撐頂立柱;3-懸臂梁;4-工字鋼梁;5-步進(jìn)推移裝置;6-管纜;7-管纜托架組成圖4 自動伸縮管纜裝置Fig.4 Automatic telescopic pipe and cable device

自動伸縮管纜裝置中的步進(jìn)推移裝置是實現(xiàn)電纜、液管與工作面同步自動伸縮關(guān)鍵設(shè)備,步進(jìn)推移裝置主要由推移油缸與彈簧制動器組成。按照大于2倍工作面推移步距確定推移油缸規(guī)格為Φ160 mm/Φ105 mm,推移行程為1 500 mm。彈簧制動器是步進(jìn)推移裝置的關(guān)鍵機構(gòu),彈簧制動器采用摩擦制動原理,結(jié)構(gòu)主要包括機架組件、行走輪組件、搖臂組件、液壓缸彈簧組件和制動閘塊,具體結(jié)構(gòu)如圖5所示。

1-機架組件;2-行走輪組件;3-液壓缸彈簧制動組件;4-搖臂組件;5-制動閘塊圖5 彈簧制動器的結(jié)構(gòu)Fig.5 Structure of spring brake

整體采用剎腹板式雙彈簧制動,增大制動力，對導(dǎo)軌精度及強度要求低。雙邊搖臂組件采用連桿框架結(jié)構(gòu),可以沿鉸接點靈活擺動。液壓缸彈簧制動組件的彈簧內(nèi)設(shè)有液壓缸,有效節(jié)省空間的同時,可以防止彈簧隨搖臂運動時彈力增大而崩落,極大地增加了彈簧制動器的安全可靠性。

彈簧制動器利用彈簧蓄能,制動時,彈簧瞬間張開致使摩擦閘塊壓緊軌道腹板完成制動。因此,彈簧的選型設(shè)計尤為重要。本裝置選擇圓柱螺旋壓縮彈簧,閘塊與軌道間的摩擦系數(shù)μ2為0.15。彈簧材料選用高強度彈簧鋼40SiZCrNiZMoV,許用切應(yīng)力τp為1 200 MPa。礦用管纜單軌吊設(shè)計工作適用巷道傾角α范圍為0°～12°,總重量m(包含懸掛電纜和液壓膠管質(zhì)量) 約為10.4 t。在計算彈簧制動力時忽略整機加速度和行走輪滾動摩擦力的影響。

管纜單軌吊整機下滑力F8如式(8)所示:

F8=mgsinα.

(8)

礦用管纜單軌吊實現(xiàn)制動Fz需滿足以下條件:

Fz≥F8max=mgsin18°=21.63 kN .

制動閘塊n數(shù)量為4,Fz為彈簧制動器的制動力,來源于彈簧產(chǎn)生的摩擦力,單個制動閘塊的制動力Fdz如式(9)所示:

(9)

彈簧制動力Ft=Δxk,彈簧彈性系數(shù)k為定值,Δx為彈簧變形量。為增大閘塊壓力,同時不影響彈簧及液壓缸的受力,搖臂設(shè)計為1:2的杠桿機構(gòu),制動器彈簧制動力Ft2如式(10)所示:

(10)

(11)

選取彈簧直徑d為 30 mm;得出制動彈簧中徑D5=C·d=180 mm。

3 結(jié)論

傳統(tǒng)設(shè)備列車采用絞車牽引,人工鋪設(shè)軌道,高空懸掛電纜存在諸多安全隱患，勞動強度大、工作效率低、設(shè)備穩(wěn)定性極差,嚴(yán)重制約著礦井高產(chǎn)高效、自動化、智能化的發(fā)展。井下長距離自動化設(shè)備列車組給錨固牽引設(shè)備列車的安全運行、管纜拖掛和存儲方式帶來的革命性變化,能夠適應(yīng)±12°巷道的工況條件,取消絞車牽引、高空懸掛單軌吊以及鋪設(shè)軌道,有效保證安全高效生產(chǎn)。