煤礦井下長距離設備列車適應性研究

李 剛

(1.中國煤炭科工集團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,總質量約280 t,傳統絞車牽引設備列車采用2臺回柱絞車前后拉動來調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象,整體穩定性差,鋼絲繩易斷裂,存在嚴重的安全隱患[1-4]。

長距離遙控式設備列車組的研制,可實現順槽巷道中的動力負荷中心[5]、泵站、電纜、液管、工具箱等設備與工作面三機設備快速聯動,無需鋪設軌道、掛電纜、移動絞車等繁重工作,避免設備列車發生自滑移、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,提高了設備的自動化水平,保證其在大角度煤礦井下的適應性以及安全性[6]。

1 設備列車組組成

自移設備列車組總長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、30臺自移式平板車、遠程遙控電液控制系統以及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,通過推移與遠程遙控電液控制系統進行操作,實現設備列車整體前移[7],一個循環過程大約需要4 min,可實現±12°以下坡道上安全可靠移動。

1-錨固牽引裝置;2-遠程遙控電液控制系統;3-推移控制系統;4-自移平板車;5-自移軌道;6-自動伸縮管纜裝置;7-步進推移裝置圖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 自移設備列車適應性核算

長距離設備列車適應性研究，主要為260 m設備列車適應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;設備列車錨固牽引裝置結構形式適應巷道條件,錨固牽引力與推移系統適應牽引重量不小于280 t的要求。為了實現管攬自動伸縮,其裝置關鍵部件彈簧制動器必須安全可靠,滿足制動適應性要求。

2.1 自移式平板車載重

自移式平板車為設備列車中主要承載機構,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。無需人工鋪設軌道,避免設備列車翻車事故的發生,能夠適應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,適應上下坡道,實現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生。提升裝置在設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。

該裝置采用4根規格為Φ100 mm/Φ70 mm油缸進行提升控制,單車設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,取0.7;p為泵站供液壓力,取31.5 MPa;D1為外缸內徑,為100 mm。

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

2.2 錨固牽引裝置適應性核算

錨固牽引裝置為設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、調偏裝置、升降裝置、軌道以及推移控制系統組成,實現長距離設備列車快速前移,防止設備列車跑車,翻車。

1-錨固架;2-升降裝置;3-調偏裝置;4-軌道;5-推移控制系統圖3 錨固牽引裝置Fig.3 Anchor traction equipment

錨固牽引裝置在牽引設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底板的接觸面產生足夠大的摩擦力,不發生倒移現象。錨固牽引裝置采用2根規格為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,取0.9;p1為泵站供液壓力,取31.5 MPa;D2為外缸內徑,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0.3。

將參數代入公式(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°,設備列車與伸縮管攬裝置(42臺)設計的最大載重為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,壓輪采用自潤滑滾動機構,實現列車滾動摩擦前移,驗算時按滑動摩擦系數考慮,取鋼對鋼的滑動摩擦系數μ2=0.15;在12°坡道上設備列車需要的最大牽引力為設備列車總重下滑分力與其產生的摩擦力之和,在12°坡道上設備列車需要的最大牽引力F5如式(5)所示:

F5=Gsin12°+μ2Gcos12° .

(5)

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

2.3.2推移控制系統牽引力核算

自移設備列車推移控制系統采用2根規格為Φ230/Φ180mm的推移油缸,通過遠程遙控器同步控制,其設備列車牽引力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為外缸內徑,為230 mm;D4為活塞桿外徑, 180 mm。

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

2.4 自動伸縮管纜裝置適應性核算

自動伸縮管纜裝置,如圖4所示。主要由運輸車、撐頂立柱、步進推移裝置以及管纜托架等組成,可將設備列車的電纜、液管吊掛于管纜裝置的單軌吊上,完全替代傳統的單軌吊高空懸掛電纜以及液管,管攬通過電液控制系統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,避免了高空作業的安全隱患,實現了工作面的自動化。

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推移裝置是實現電纜、液管與工作面同步自動伸縮關鍵設備,步進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格為Φ160 mm/Φ105 mm,推移行程為1 500 mm。彈簧制動器是步進推移裝置的關鍵機構,彈簧制動器采用摩擦制動原理,結構主要包括機架組件、行走輪組件、搖臂組件、液壓缸彈簧組件和制動閘塊,具體結構如圖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 彈簧制動器的結構Fig.5 Structure of spring brake

整體采用剎腹板式雙彈簧制動,增大制動力，對導軌精度及強度要求低。雙邊搖臂組件采用連桿框架結構,可以沿鉸接點靈活擺動。液壓缸彈簧制動組件的彈簧內設有液壓缸,有效節省空間的同時,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μ2為0.15。彈簧材料選用高強度彈簧鋼40SiZCrNiZMoV,許用切應力τp為1 200 MPa。礦用管纜單軌吊設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制動Fz需滿足以下條件:

Fz≥F8max=mgsin18°=21.63 kN .

制動閘塊n數量為4,Fz為彈簧制動器的制動力,來源于彈簧產生的摩擦力,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,搖臂設計為1:2的杠桿機構,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 結論

傳統設備列車采用絞車牽引,人工鋪設軌道,高空懸掛電纜存在諸多安全隱患，勞動強度大、工作效率低、設備穩定性極差,嚴重制約著礦井高產高效、自動化、智能化的發展。井下長距離自動化設備列車組給錨固牽引設備列車的安全運行、管纜拖掛和存儲方式帶來的革命性變化,能夠適應±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軌道,有效保證安全高效生產。