煤礦井下單軌吊車輔助運(yùn)輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)用*

彭天府

(同煤集團(tuán)燕子山礦，山西 大同 037037)

0 引 言

煤炭作為我國能源物資[1]，其安全高效率生產(chǎn)對于保障我國能源安全具有舉足輕中的作用，煤礦生產(chǎn)包括開采、運(yùn)輸、加工等等諸多環(huán)節(jié)，其中運(yùn)輸作為中間環(huán)節(jié)，作用尤為重要。煤礦運(yùn)輸工作量大、運(yùn)行周期長，煤炭運(yùn)輸方式系統(tǒng)繁雜，結(jié)構(gòu)多樣，筆者重點(diǎn)對輔助運(yùn)輸系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，目的在于解決傳統(tǒng)運(yùn)輸系統(tǒng)對人力依賴嚴(yán)重，自動化程度較低，安全生產(chǎn)風(fēng)險(xiǎn)較大的問題，通過系統(tǒng)設(shè)計(jì)、參數(shù)計(jì)算完成現(xiàn)代化輔助運(yùn)輸系統(tǒng)，達(dá)到提高作業(yè)自動化水平、降低作業(yè)安全風(fēng)險(xiǎn)的目標(biāo)[2]。

1 煤礦輔助運(yùn)輸系統(tǒng)比較

以下主要介紹目前煤礦井下使用較為頻繁的輔助運(yùn)輸方式(如：共有絞車對拉運(yùn)輸、卡軌車運(yùn)輸和單軌吊輔助運(yùn)輸)，通過比較其各自特點(diǎn)，為系統(tǒng)選定提供依據(jù)。

1.1 絞車對拉運(yùn)輸、卡軌車運(yùn)輸

絞車對拉運(yùn)輸常用于煤礦井下物料和機(jī)器的運(yùn)輸，具有成本較低、運(yùn)輸方便靈活等優(yōu)點(diǎn)，但同時(shí)其具有運(yùn)輸效率低、人員消耗大的缺點(diǎn)，具體表現(xiàn)為運(yùn)輸能力不足，運(yùn)輸速度較慢，運(yùn)輸環(huán)節(jié)需要人員高度參與才能進(jìn)行。同時(shí)由于整個(gè)過程中人員參與度高，為確保安全，需要投入大量資金進(jìn)行設(shè)備維護(hù)和人員管理，因此該方法整體費(fèi)時(shí)費(fèi)力，效率較低。

相對于絞車對拉運(yùn)輸，卡軌道車在運(yùn)輸物料和機(jī)器的同時(shí)，還具有運(yùn)輸能力強(qiáng)、運(yùn)輸距離長、車輛數(shù)目少便于管理和所需配合人員少等優(yōu)點(diǎn)。但是卡軌車采用一條巷道一部車的形式，限制了該方法的適用且運(yùn)輸需要特殊的鋼絲繩。該方法其多用于綜采工作面，隨著開采距離的推進(jìn)和煤礦井下開采空間的變化，其軌道維護(hù)和拓展成本較高。

1.2 單軌吊車輔助運(yùn)輸

單軌吊車輔助運(yùn)輸系統(tǒng)源于20世紀(jì)中期，經(jīng)過多年來的持續(xù)發(fā)展，已經(jīng)成為煤礦井下廣泛使用的運(yùn)輸設(shè)備，采用采油機(jī)、蓄電池等多種驅(qū)動方式，并具有軌道運(yùn)輸可靠性高、驅(qū)動能力可調(diào)、爬坡適應(yīng)能力強(qiáng)、可遠(yuǎn)程控制、運(yùn)輸速度快和配套設(shè)施方便安全等優(yōu)點(diǎn)[3]，因此宜采用單軌吊車輔助運(yùn)輸系統(tǒng)。

2 單軌吊車輔助運(yùn)輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)功能框圖

單軌吊車輔助運(yùn)輸系統(tǒng)作為重要的運(yùn)輸方式，如圖1所示，主要由吊車系統(tǒng)、軌道系統(tǒng)和監(jiān)控系統(tǒng)三部分組成，其中車輛系統(tǒng)主要完成吊車運(yùn)動及重物提升，分別由驅(qū)動系統(tǒng)、制動系統(tǒng)、承重系統(tǒng)和起重系統(tǒng)組成；軌道系統(tǒng)主要完成吊車行進(jìn)路線確定，分為水平軌道和其他軌道(坡道軌道、岔道軌道)；監(jiān)控系統(tǒng)主要完成系統(tǒng)行進(jìn)和起重活動的狀態(tài)監(jiān)測，分為車輛監(jiān)測、起重監(jiān)測系統(tǒng)和其他監(jiān)測系統(tǒng)等。通過對三大系統(tǒng)進(jìn)行選擇，即可完成系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

圖1 系統(tǒng)功能框圖

2.2 核心功能設(shè)計(jì)

考慮到此系統(tǒng)主要針對運(yùn)輸安全進(jìn)行展開，因此驅(qū)動、制動、提升和檢測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)尤為重要，應(yīng)基于這四個(gè)方面進(jìn)行論述[4]：

驅(qū)動系統(tǒng)選擇：考慮到柴油機(jī)驅(qū)動方式提升力強(qiáng)，但是其對巷道通風(fēng)條件要求較高；蓄電池驅(qū)動方式檢修方便，但是其驅(qū)動力小；氣動方式不會有空氣污染，但驅(qū)動能力受氣壓限制等條件，選擇液壓單軌吊較為適宜，其具有提升能力大，空氣污染較小等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)配套泵站和電機(jī)，利用電纜，為系統(tǒng)提供動力[5]。

提升系統(tǒng)選擇：由于系統(tǒng)動力由液壓提供，因此選擇液壓馬達(dá)驅(qū)動提升系統(tǒng)，并加入鐵鉤和鏈條控制系統(tǒng)，以完成物料提升。

制動系統(tǒng)選擇：根據(jù)如圖2(a)對液壓系統(tǒng)進(jìn)行受力分析，實(shí)際使用過程中單軌吊車軌道工作傾角α范圍為0°～30°，提升最大重物時(shí)，總重達(dá)到40 t，在其運(yùn)動過程中，機(jī)車主要受到鏈條的驅(qū)動力和軌道的摩擦力，同時(shí)由于吊車與軌道之間為滾動摩擦力，即μ較小，所以制動裝置克服其重力G的下滑分力。其大小為[6]：

F=mgsinα(0≤α≤30°)

(1)

如圖2(b)，系統(tǒng)的制動力由制動閘片(陰影部分)和工字鋼軌道之間的摩擦力提供，制動力的大小由兩者之間的正壓力和材料之間的動摩擦因數(shù)決定，而制動力應(yīng)該滿足以下要求，同時(shí)保持25%的裕量，確保使用安全：

圖2 制動情況分析圖

F制動≥F=mgsinα(0≤α≤30°)

(2)

監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)(見圖3所示)：車輛監(jiān)測系統(tǒng)作為檢測系統(tǒng)的主要部分[7]，主要完成車輛運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測，當(dāng)位于車輛上的狀態(tài)感知傳感器(信號燈、位置、速度等)確定車輛狀態(tài)后，交給中央處理系統(tǒng)運(yùn)算判斷并通過以太網(wǎng)通信端口和礦用路由器，經(jīng)由光纖等介質(zhì)傳至地面，并經(jīng)過內(nèi)網(wǎng)服務(wù)器、上位機(jī)處理后，完成監(jiān)控界面的顯示和對煤礦井下車輛的運(yùn)行控制、人員通信等功能。通過礦用路由器井下其他監(jiān)測系統(tǒng)完成傳輸，數(shù)據(jù)由以太網(wǎng)和外部網(wǎng)絡(luò)交互時(shí)，需進(jìn)行加密和解密處理，以確保系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)安全。

圖3 監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3 相關(guān)問題及處理方法

支架及軌道加固方面，由于單軌吊車輔助運(yùn)輸系統(tǒng)的軌道位于巷道上方[8],而隨著運(yùn)輸通道的向前行進(jìn)，運(yùn)輸系統(tǒng)附近的地質(zhì)情況也發(fā)生變化，應(yīng)該根據(jù)具體情況制作特定的巷道加固裝置和軌道轉(zhuǎn)換裝置。同時(shí)也可以通過改變橫梁的連接方式(如添加輔助橫梁)等，進(jìn)一步增加系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性。

吊車運(yùn)動和電纜方面，由于本系統(tǒng)采取電纜供電，電機(jī)驅(qū)動液壓的方式提供系統(tǒng)電源，因此在吊車運(yùn)動過程中，需要添加相應(yīng)的裝置(如電纜線盤)來存放電纜，因此在電纜長度一定的情況下，通過匹配當(dāng)前吊車移動速度來調(diào)整電纜線盤的收放速度，可以解決電纜運(yùn)動的問題。

4 系統(tǒng)設(shè)計(jì)運(yùn)行效果

為驗(yàn)證系統(tǒng)可靠性，尤其是對機(jī)車行動速度的控制精度，在實(shí)驗(yàn)室條件下對單軌電車進(jìn)行行駛速度實(shí)驗(yàn)，其參數(shù)：主動輪轉(zhuǎn)矩為400 N·m，軌道傾斜角度為30°且懸掛在液壓支架上，可以看到0～2 s內(nèi)車輛速度由0增加至5.5 m/s,雖然有小幅波動，但其幅度不超過0.05 m/s，在合理范圍內(nèi)，證明系統(tǒng)可以保持正常工作。圖4為系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)果。

圖4 系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)果圖

5 結(jié) 語

設(shè)計(jì)了一種用于煤礦井下提升運(yùn)輸效率的輔助運(yùn)輸系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用單軌道吊車的運(yùn)輸方式，通過對驅(qū)動方式、提升方式、制動方式和監(jiān)控系統(tǒng)等方面的選擇，完成系統(tǒng)設(shè)計(jì)，并針對實(shí)際應(yīng)用過程中遇到的問題提出相應(yīng)的解決方法，并對單軌吊車運(yùn)行速度進(jìn)行測試，滿足實(shí)際使用要求，且速度波動誤差不大于0.05m/s,對于拓展單軌吊車的應(yīng)用環(huán)境，增加煤礦井下使用安全性能，提高系統(tǒng)運(yùn)輸效率，具有一定的參考價(jià)值和借鑒意義。