礦用井下氣動單軌吊制動系統設計與應用研究

王 剛

（晉能控股煤業集團四臺礦輔運科， 山西 大同 037000）

引言

目前，井下煤礦常用的輔助運輸設備有氣動單軌吊、卡軌車、無軌膠輪車、柴油機單軌吊等，其中單軌吊主要吊掛在頂板軌道上行駛，對地板沒有特殊要求，且該設備機動性好、爬坡能力也比較強，能夠很好地適應巷道[1]。氣動單軌吊組成部分有氣動控制結構、氣動電葫蘆、承載小車、動力結構以及連接桿等，動力結構主要提供驅動力；承載小車在軌道上行走，行走小車包含兩對行走輪，在位于承載小車兩端的連接孔可利用連接桿與提升裝置、制動裝置相連接[2]；連接桿在承載小車之間、動力結構與承載小車之間相連接；氣動葫蘆可用于提升貨物，并依靠氣動葫蘆進行提升和下降動作。氣動單軌吊自身帶有氣動馬達，是借助氣動馬達來驅動運輸體系上的吊運車，并依靠驅動輪，機車在軌道的腹板上壓緊，在摩擦力作用下牽引機車動作[3]，因此，氣動單軌吊不僅可以應用于巷道內的短途運輸，也可以應用于礦井下料場至毛干、迎頭物料的運輸。鑒于氣動單軌吊在煤礦井下輔助運輸中具有明顯的優勢[4]，本文對氣動單軌吊制動系統進行設計研究，旨在提高其輔助運輸效率，進而保證礦井下人員和設備的安全。

1 礦用氣動單軌吊的組成及工作原理

氣動單軌吊包含有承載和運輸系統，其中，對于運輸系統，包含有制動系統、夾緊系統和行走系統，主要功能是執行機車的行走、制動等動作，運輸系統中的這三個子系統相互協作配合，一起完成井下輔助運輸工作[5]。對于承載系統，包含有氣動葫蘆、承載小車和連接組件等，主要功能一是升降吊掛的負載；二是收放氣管管路[6]。

單軌吊運輸系統工作機理是：啟動工作時，通過來源于夾緊系統的夾緊力，將驅動輪緊緊壓在軌道上，執行行走工作時，進氣給制動氣缸的有桿腔，使氣缸收縮，制動彈簧壓縮蓄能，制動動作解除，氣動馬達帶動驅動輪轉動，機車進行行走動作。執行制動動作時，氣動馬達停止動作，停轉驅動輪，使制動缸活塞桿伸出，展開制動彈簧，使制動輪緊緊壓在軌道上，機車完成制動動作[7]。

2 氣動單軌吊制動系統的設計

礦用井下氣動單軌吊制動方式是應用失效安全型，在機車出現正常停機或者忽然停止供氣的情況時，制動彈簧作用使制動輪與軌道腹板緊貼，借助軌道和制動輪間的摩擦力作用完成制動動作。氣動單軌吊制動系統使用兩組制動裝置，其應用杠桿原理結構設計，且分別位于驅動部機架的兩端位置，不僅制動力大，且占用空間小。因此，制動系統結構由制動輪、制動氣缸、制動臂、制動彈簧、推桿與連接件等部分組成。

本文首先對氣動單軌吊制動系統進行設計，其系統設計圖如圖1 所示。其中，1 是應用井下氣源為系統動力源，主要供應井下所需的壓力氣體；2 是二位五通氣控換向閥，主要通過氣控回路對換向進行控制[8-10]；3 是梭閥；4 是制動氣缸；5 是氣控回路；6 是快速放氣閥。當機車行駛時，注入壓力氣體給氣控回路，使右位換向閥工作，并將其輸出的氣源壓力氣體給入梭閥3.1 和3.4，再經其給入制動氣缸4.1 和4.2 有桿腔，同時，縮回制動缸活塞桿，使制動彈簧蓄能壓縮，制動動作解除。當機車制動時，停止供氣給氣控回路，使左位換向閥工作，將輸出的氣源壓力氣體給入梭閥3.2 和3.3，再給入制動缸的無桿腔，同時，伸出制動缸活塞桿，使制動彈簧展開，制動輪壓緊軌道，制動動作完成。

圖1 氣動單軌吊制動系統的結構

3 氣動單軌吊制動系統的模擬應用

本文對氣動單軌吊制動系統設計后，并對其進行模擬研究，用來驗證系統設計的合理性以及制動系統的各項特性。模擬參數設置為時間25 s，步長0.01 s，針對其應用失效安全型的制動模式，從制動動作起進行模擬研究。具體過程是：最開始為制動狀態，0～5 s機車制動解除，此時換向閥氣控位工作，縮回制動活塞桿，制動輪離開軌道，機車執行行走動作；5～10 s是行走過程，制動活塞桿持續為縮回動作，機車行走在軌道上；10～15 s 是機車制動過程，利用制動彈簧、制動缸的彈力和推力作用，機車迅速制動；15～20 s機車從制動動作直接到行走動作。模擬機車在不斷啟停動作工況下，其制動系統的穩定性。

由圖2 和圖3 可知，機車制動動作解除時，縮回制動缸活塞桿，并使制動彈簧壓縮，僅用1.5 s 的時間就可實現制動彈簧的壓縮蓄能，此過程中，活塞運行平穩，速度值只在小范圍內波動，且并未形成大幅度的變化趨勢，對制動缸及其機體結構的沖擊力較小。在5～10 s 行走過程中，制動彈簧始終處于壓縮位置，且制動彈簧速度是0，位置沒有發生變化，系統穩定。

圖2 制動彈簧位移變化曲線

圖3 活塞速度變化曲線

圖4 和圖5 中，制動氣缸無桿腔和有桿腔壓力上升平穩，表明系統的穩定性較強。此外，對比上述圖可知，在10～15 s 機車制動中，進氣給入制動缸無桿腔，在0.8 s 內制動彈簧展開，速度比較快，滿足要求。此過程中，制動缸無桿腔和有桿腔的壓力變化不大，有桿腔壓力由0.58 MPa（5.8 bar） 降至0.42 MPa（4.2 bar），下降平穩；而無桿腔壓力由0.1 MPa（1 bar）升至0.16 MPa（1.6 bar），變化較小，主要原因是因為依靠制動彈簧提供的制動力來完成制動動作，因此，整個過程中壓力比較穩定。且從圖5 還可看出，前后腔間的壓差變化幅度不大。在15～20 s 機車解除制動中，轉換期間活塞速度波動范圍在15 mm/s 之間，大小平穩，基本不影響制動系統的沖擊結構。有無桿腔壓力變化曲線均較平滑，其中，有桿腔壓力穩定上升至0.7 MPa（7 bar），基本不再變化，且在解除制動后，壓差呈現上升變化曲線，穩定在0.55 MPa（5.5 bar）不變化，滿足設計要求。

圖4 制動氣缸無桿腔和有桿腔的壓力變化曲線

圖5 制動氣缸無桿腔和有桿腔的壓差變化曲線

4 結論

礦用氣動單軌吊屬于井下輔助運輸中比較重要的設備，為提高其井下運輸能力，本文對氣動單軌吊制動系統進行設計，并對其制動系統設計的合理性及其各項特性進行研究，驗證其應用效果，結論是：

1）通過對單軌吊制動彈簧位移、活塞速度以及制動缸壓差變化情況進行分析，曲線變化均比較平穩，且沒有出現大的波動現象。

2）機車制動系統制動過程滿足要求，且行走、制動過程系統運行穩定，能夠有效實施制動、行走動作。