陳瑞云，鄧海順，陳寶震，靳華偉，年介輝，周慶龍，黃志祥

（1.淮南礦業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，安徽 淮南 232001；2.安徽理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，安徽 淮南 232001）

0 引言

我國(guó)是世界煤炭資源大國(guó)，煤炭作為消耗性能源在我國(guó)所有能源使用中占70%左右。在煤炭的開(kāi)發(fā)利用中，煤礦運(yùn)輸系統(tǒng)起著舉足輕重的作用。目前，國(guó)內(nèi)外的礦井機(jī)動(dòng)運(yùn)載設(shè)備絕大多數(shù)采用防爆柴油機(jī)作為動(dòng)力裝置[1]。防爆柴油機(jī)單軌吊機(jī)車是一種煤礦輔助運(yùn)輸設(shè)備，近年來(lái)被廣泛應(yīng)用，是下一步輔助運(yùn)輸?shù)闹饕l(fā)展方向。柴油機(jī)單軌吊是當(dāng)今最主要的單軌運(yùn)輸機(jī)型，按驅(qū)動(dòng)部數(shù)量可分為二驅(qū)到十二驅(qū)的單軌吊系統(tǒng)。防爆柴油機(jī)單軌吊適宜用于長(zhǎng)距離、大坡度、大載荷的復(fù)雜工況重載運(yùn)輸，利遠(yuǎn)大于弊，有較高的研究應(yīng)用價(jià)值[2]。單軌吊系統(tǒng)主要由軌道、駕駛室、驅(qū)動(dòng)制動(dòng)部、主機(jī)以及運(yùn)送人車或起吊梁等模塊組成。各模塊之間通過(guò)拉桿傳遞動(dòng)力，單軌吊能夠適應(yīng)井下各種復(fù)雜環(huán)境，在轉(zhuǎn)彎和變坡位置具有良好的適應(yīng)性。在實(shí)際使用中，單軌吊在垂直轉(zhuǎn)彎的位置因?yàn)檐壍榔酆筒僮鞑划?dāng)導(dǎo)致折軌現(xiàn)象。張集煤礦時(shí)淮南礦業(yè)集團(tuán)的主力礦井之一，也是國(guó)家瓦斯綜合治理實(shí)驗(yàn)基地和安徽省首座千萬(wàn)噸級(jí)現(xiàn)代化礦井，單軌吊運(yùn)輸車作為張集礦井下的重要輔助運(yùn)輸設(shè)備，一旦出現(xiàn)故障，會(huì)給設(shè)備運(yùn)輸和安全生產(chǎn)帶來(lái)難題。本文通過(guò)對(duì)單軌吊的驅(qū)動(dòng)和軌道懸掛方式進(jìn)行分析、計(jì)算、建模、仿真，確定失效原因，提出優(yōu)化方案，為輔助運(yùn)輸單軌吊的連續(xù)化作業(yè)理論研究和實(shí)際使用提供有效建議。

1 軌道破壞原因

單軌吊運(yùn)輸車從右向左運(yùn)行時(shí)，單軌吊的前5臺(tái)驅(qū)動(dòng)部為整體提供拉力，后5臺(tái)驅(qū)動(dòng)部為整體提供推力，其傳遞牽引力的拉桿間力的峰值在起吊梁最右側(cè)的拉桿位置。若單軌吊運(yùn)輸車運(yùn)行方向?yàn)橛勺笙蛴遥瑒t反之。單軌吊特有的驅(qū)動(dòng)方式，會(huì)使得力在起吊梁兩側(cè)的拉桿兩端累加。由于單軌吊系統(tǒng)特有的軌道連接方式為鉸接，且軌道用柔性鏈環(huán)吊掛在巷道頂板的方式，導(dǎo)致軌道在沿軌道方向存在一個(gè)小角度偏折誤差，最大值為1°[3]，軌道之間出現(xiàn)偏折的夾角為α。軌道在長(zhǎng)期使用的情況下發(fā)生一定量的形變，當(dāng)軌道的偏折到達(dá)某一極限，即左側(cè)軌道與右側(cè)軌道結(jié)合處最外端接觸面積達(dá)到最小，如圖1所示。單軌吊各設(shè)備之間的拉桿不在一條直線上，拉桿與右邊軌道之間形成夾角β，當(dāng)單軌吊系統(tǒng)的設(shè)備行駛在該節(jié)軌道上，后方的設(shè)備會(huì)對(duì)軌道垂直于軌道腹板方向產(chǎn)生沖擊，夾角越大，垂直于軌道腹板方向上的力越大。當(dāng)單軌吊重載垂直轉(zhuǎn)彎時(shí)，驅(qū)動(dòng)部需要提供更大的驅(qū)動(dòng)力讓機(jī)車完成轉(zhuǎn)彎，此時(shí)機(jī)車對(duì)軌道的沖擊增大，當(dāng)沖擊超出允許的范圍，則軌道遭到破壞，煤礦井下輔助運(yùn)輸系統(tǒng)無(wú)法完成連續(xù)化作業(yè)，甚至出現(xiàn)運(yùn)輸事故，造成無(wú)法挽回的損失。

圖1 偏折軌道俯視圖

2 垂直轉(zhuǎn)彎的軌道數(shù)學(xué)模型

2.1 軌道的懸掛方式分析

單軌吊軌道擁有特有的安裝標(biāo)準(zhǔn)，軌道兩側(cè)都有懸掛結(jié)合端，水平直軌與第一節(jié)彎軌結(jié)合處用法蘭連接，所以水平直軌與第一節(jié)彎軌之間的偏折夾角最小，在安全范圍內(nèi)。同種軌道之間首尾連接，懸掛架下端用剛強(qiáng)度螺栓與軌道的連接處鉸接，上端的左右兩側(cè)與鏈環(huán)配合，將軌道吊掛在巷道頂板上，吊掛方式如圖2所示。

圖2 單軌吊軌道吊掛方式

2.2 單軌吊整機(jī)受力分析

由于煤礦井下運(yùn)輸環(huán)境復(fù)雜多變，機(jī)車在實(shí)際運(yùn)行中會(huì)出現(xiàn)水平轉(zhuǎn)彎以及垂直轉(zhuǎn)彎等工況，因此根據(jù)井下機(jī)車運(yùn)輸要求，機(jī)車水平轉(zhuǎn)彎最小半徑為4 m，垂直轉(zhuǎn)彎最小半徑為8 m[4]。軌道在垂直轉(zhuǎn)彎時(shí)軌道是“以直代曲”的方式連接，垂直轉(zhuǎn)彎處的相鄰軌道都是直軌，當(dāng)單軌吊機(jī)車在進(jìn)入垂直轉(zhuǎn)彎向上行駛時(shí)，降低車速，驅(qū)動(dòng)力增加，當(dāng)偏折軌道之間的夾角α越大，單軌吊設(shè)備對(duì)負(fù)責(zé)承載的軌道產(chǎn)生的沖擊越大。單軌吊運(yùn)輸車在坡度為γ的巷道內(nèi)運(yùn)行時(shí)，單軌吊整體的受力如圖3所示。

圖3 單軌吊運(yùn)輸車整體受力圖

圖3中：G為單軌吊自重和負(fù)載重力，kN；F為單軌吊總驅(qū)動(dòng)力，kN；FN為軌道對(duì)運(yùn)輸車的支持力，kN；Ff為軌道對(duì)單軌吊的摩擦阻力，kN；v為單軌吊的整體速度，m/s；γ為軌道坡度，（°）。

當(dāng)單軌吊運(yùn)輸車在平行于軌道腹板方向上運(yùn)行時(shí)，單軌吊的驅(qū)動(dòng)部主要受到運(yùn)輸車負(fù)載的集中力。在平巷時(shí)，理想狀態(tài)下，坡度為0，即γ=0，此時(shí)驅(qū)動(dòng)部所提供的驅(qū)動(dòng)力較小，拉桿之間的集中力較小，驅(qū)動(dòng)力F只需要克服單軌吊與軌道之間的摩擦力。當(dāng)單軌吊在斜巷（含垂直轉(zhuǎn)彎）上坡時(shí)，驅(qū)動(dòng)部提供的拉力不僅需要克服摩擦力，還要克服單軌吊運(yùn)輸車整體的下滑力。

單軌吊運(yùn)輸車在上坡時(shí)與軌道之間的摩擦阻力為

式中，μ為單軌吊運(yùn)輸車負(fù)載與軌道之間的滾動(dòng)摩擦因數(shù)。

單軌吊運(yùn)輸車在上坡時(shí)驅(qū)動(dòng)部需要克服的下滑力為

理想狀態(tài)下，單軌吊運(yùn)行過(guò)程中不考慮變形阻力、空氣阻力等因素，只考慮克服摩擦力和下滑力的作用，則單軌吊總牽引力為

本文基于在張集礦的實(shí)際情況進(jìn)行研究，張集礦井下采用的是石家莊煤礦機(jī)械有限責(zé)任公司的DC280/160Y防爆柴油機(jī)10驅(qū)單軌吊車，則單軌吊的單個(gè)驅(qū)動(dòng)部提供的驅(qū)動(dòng)力為

2.3 軌道的力學(xué)分析

根據(jù)石家莊煤礦機(jī)械有限責(zé)任公司的DC280/160Y防爆柴油機(jī)10驅(qū)單軌吊，起吊梁前后各布置5臺(tái)驅(qū)動(dòng)部進(jìn)行建模與仿真分析。各礦井要從本礦井自身的實(shí)際出發(fā)，在對(duì)各種設(shè)備的性能和特點(diǎn)充分了解的基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化配置，統(tǒng)籌兼顧，對(duì)設(shè)備的運(yùn)輸能力和使用范圍要留有余地[5]。由于單軌吊各單元設(shè)備的實(shí)際尺寸、傳遞牽引力的拉桿長(zhǎng)度和軌道長(zhǎng)度的限制，當(dāng)單軌吊運(yùn)輸車在垂直轉(zhuǎn)彎處向上運(yùn)行時(shí)，起吊梁的承載車和起吊梁下方的第一臺(tái)驅(qū)動(dòng)部不在一根軌道上。當(dāng)起吊梁的承載車在軌道上行駛時(shí)，對(duì)軌道垂直于腹板方向一個(gè)力，軌道兩側(cè)吊耳與相鄰軌道之間產(chǎn)生反作用力，軌道受力如圖3所示。

由圖3可知，軌道在水平方向上處于平衡狀態(tài)，以軌道右端為參考點(diǎn)，可得：

式中：F1、F2為軌道兩側(cè)吊耳最外端對(duì)軌道的力，kN；Fh為承載車水平方向?qū)壍篮狭?，kN。

承載車在軌道上運(yùn)行時(shí)，不僅對(duì)有水平方向上的力，在垂直方向上有一個(gè)向下的力，隨即軌道兩側(cè)吊耳產(chǎn)生向上的反作用力，如圖4所示。

圖4 軌道水平方向受力圖

由圖4可知，軌道在垂直方向上處于平衡狀態(tài)，以軌道右端為參考點(diǎn)，可得：

式中：FN1、FN2為軌道兩側(cè)鏈環(huán)對(duì)軌道的力，kN；G1為承載車垂直方向?qū)壍赖牧?，kN。

3 軌道的仿真分析

根據(jù)石家莊煤礦機(jī)械有限責(zé)任公司提供的設(shè)備數(shù)據(jù)，選用DC280/160Y防爆柴油機(jī)10驅(qū)單軌吊車，該系統(tǒng)配套設(shè)備自重15 t，垂直轉(zhuǎn)彎半徑8 m，煤礦單軌吊需要使用專用的軌道，軌道截面形狀為工字形，根據(jù)廠家提供目前常用的兩種型號(hào)的軌道，分別是I140E和I140V[6]，本文計(jì)算和仿真均采用I140E型軌道。

經(jīng)計(jì)算，軌道偏折的夾角α越大，對(duì)軌道的沖擊越強(qiáng)，當(dāng)單軌吊機(jī)車起吊梁的最后一臺(tái)承載車剛行駛到彎軌的最后一根軌道的右端時(shí)，最后一臺(tái)承載車與起吊梁下方的第一臺(tái)驅(qū)動(dòng)部連桿之間的夾角β與軌道偏折角相等，即夾角β為最大值，該承載車對(duì)軌道的沖擊最大，此時(shí)為軌道發(fā)生偏折時(shí)出現(xiàn)的最危險(xiǎn)工況。

軌道的截面為工字型，按照單軌吊的標(biāo)準(zhǔn)制造，轉(zhuǎn)彎部分的每根軌道長(zhǎng)度取l=2 m，I140E型軌道采用德國(guó)標(biāo)準(zhǔn)制造，軌道所用的鋼材材質(zhì)為S355J2G3，與國(guó)內(nèi)的Q345材質(zhì)相同，則軌道在使用過(guò)程中的許用條件為：

單軌吊軌道安裝過(guò)程中會(huì)存在安裝誤差，使得各段軌道之間不成直線，軌道在沿軌道方向存在一個(gè)小角度偏折誤差，根據(jù)單軌吊安裝標(biāo)準(zhǔn)，角度偏折最大值為1°，運(yùn)用MATLAB計(jì)算，將單軌吊的軌道模型保存為“.xt”格式，將模型導(dǎo)入ANSYS Workbench中做力學(xué)仿真，單軌吊載重45 t時(shí)，偏折角度為1°時(shí)，軌道最危險(xiǎn)工況應(yīng)力應(yīng)變?nèi)鐖D6所示，最大應(yīng)變y=0.1734 mm ＜4 mm，最大應(yīng)力在軌道連接處，為δ=149.22 MPa＜230 MPa。當(dāng)軌道偏折角在1°時(shí)，危險(xiǎn)工況下軌道出現(xiàn)的最大應(yīng)變和最大應(yīng)力均在軌道的許用范圍內(nèi)。

圖6 偏折角1°時(shí)軌道應(yīng)變、應(yīng)力圖

當(dāng)單軌吊載重45 t時(shí)，偏折角度為1.7°時(shí)，軌道最危險(xiǎn)工況應(yīng)力應(yīng)變?nèi)鐖D7所示，最大應(yīng)變y=0.25446 mm ＜4 mm，最 大 應(yīng)力在軌道連接處，為δ =217.35 MPa ＜230 MPa，當(dāng)軌道偏折角在1.7°時(shí)，危險(xiǎn)工況下軌道出現(xiàn)的最大應(yīng)變和最大應(yīng)力均在軌道的許用范圍內(nèi)。

圖7 偏折角1.7°時(shí)軌道應(yīng)變、應(yīng)力圖

當(dāng)單軌吊載重45 t時(shí)，偏折角度為1.8°時(shí)，軌道最危險(xiǎn)工況應(yīng)力應(yīng)變?nèi)鐖D8所示，最大應(yīng)變y=0.28192 mm＜4 mm，最 大 應(yīng)力在軌道連接處，為δ=240.12 MPa＞230 MPa，危險(xiǎn)工況下軌道出現(xiàn)的最大應(yīng)力超出軌道的許用范圍。

圖8 偏折角1.8°時(shí)軌道應(yīng)變、應(yīng)力圖

根據(jù)計(jì)算與分析，單軌吊載重45 t時(shí)，采用長(zhǎng)度為2 m的I140E型軌道，當(dāng)軌道偏折的夾角α≤1.7°時(shí)，軌道的應(yīng)力和應(yīng)變?cè)谧钗ｋU(xiǎn)工況時(shí)仍處于安全適用范圍，當(dāng)軌道偏折的夾角α≥1.8°時(shí)，軌道的應(yīng)力值超出了許用范圍，會(huì)導(dǎo)致軌道折彎甚至是斷裂失效。

4 優(yōu)化方案與工程驗(yàn)證

針對(duì)該型單軌吊，在重載垂直轉(zhuǎn)彎，起吊梁的最后一部承載車在垂直轉(zhuǎn)彎軌道的最后一節(jié)彎軌上時(shí)，軌道存在撇軌現(xiàn)象，有很大的安全隱患，為了讓軌道偏折的夾角在安全范圍內(nèi)（α≤1.7°），讓單軌吊運(yùn)輸車在軌道上始終安全運(yùn)行，提出了優(yōu)化方案。在垂直轉(zhuǎn)彎處安裝的軌道吊掛方式的基礎(chǔ)上添加橫向糾偏裝置，該裝置是在原來(lái)的吊掛基礎(chǔ)上在軌道徑向添加一對(duì)花籃螺絲拉緊器，如圖9所示。

圖9 軌道糾偏裝置現(xiàn)場(chǎng)圖

井下工作人員可以根據(jù)軌道的偏折情況調(diào)節(jié)該裝置，通過(guò)調(diào)節(jié)軌道左右兩邊的花籃螺絲拉緊器，減小軌道偏折的幅度，將軌道擺動(dòng)控制在安全范圍內(nèi)，使軌道在危險(xiǎn)工況下受到的沖擊減小，讓輔助運(yùn)輸單軌吊能夠在井下完成連續(xù)化作業(yè)，避免運(yùn)輸安全事故發(fā)生。

淮南礦業(yè)集團(tuán)張集礦煤巷坡度較大，存在多種變坡情況。對(duì)垂直轉(zhuǎn)彎的巷道部分采用該優(yōu)化方案，已通過(guò)多次試驗(yàn)，并在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中運(yùn)用超一個(gè)月之久，未產(chǎn)生軌道連接處斷裂現(xiàn)象。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)單軌吊運(yùn)輸車的工作原理和軌道失效的原因進(jìn)行分析，運(yùn)用SolidWorks建模軟件，建立三維模型，建立垂直轉(zhuǎn)彎部分的軌道數(shù)學(xué)模型，選用單根長(zhǎng)度為2 m的I140E型軌道分析，對(duì)危險(xiǎn)工況的軌道進(jìn)行分析和計(jì)算，運(yùn)用ANSYS Workbench做力學(xué)仿真，得到軌道在垂直轉(zhuǎn)彎處出現(xiàn)最危險(xiǎn)工況時(shí)的應(yīng)力、應(yīng)變?cè)茍D。當(dāng)軌道的偏折角度α≤1.7°時(shí)，軌道在單軌吊運(yùn)輸車重載過(guò)彎時(shí)仍然可以安全使用，當(dāng)軌道的偏折角α≥1.8°時(shí)，軌道受到的集中力產(chǎn)生的最大應(yīng)力超出了軌道的許用范圍，會(huì)出現(xiàn)折彎甚至失效。經(jīng)過(guò)以上分析并結(jié)合巷道內(nèi)的實(shí)際情況，提出了輔助運(yùn)輸單軌吊連續(xù)化作業(yè)的優(yōu)化方案，經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)，并在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中運(yùn)用，經(jīng)過(guò)一個(gè)多月的工程驗(yàn)證，證明了單軌吊連續(xù)化作業(yè)方案的可靠性。