煤礦井下齒軌卡軌車的優(yōu)化研究

閆 偉

（潞安化工集團(tuán)司馬煤業(yè)公司，山西 長治 047105）

齒軌卡軌車是煤礦井下一種重要的物料輔助運輸設(shè)備，具有運輸安全性高、經(jīng)濟(jì)性好的優(yōu)點。目前潞安化工集團(tuán)司馬煤業(yè)公司所使用的蓄電池式運輸車輛已經(jīng)無法滿足井下運輸需求，在進(jìn)行升級改造時，面臨著傳統(tǒng)齒軌卡軌車必須將井下軌道都更換成異形齒軌，投入大、周期長的不足，極大地限制了齒軌卡軌車應(yīng)用范圍的進(jìn)一步拓展。

結(jié)合齒軌卡軌車在井下運行的實際需求以及井下現(xiàn)有軌道結(jié)構(gòu)，司馬煤業(yè)設(shè)計了一種新的齒軌卡軌車。該車輛將摩擦驅(qū)動和齒輪驅(qū)動相結(jié)合，僅在井下斜坡段鋪設(shè)新型的齒軌，其他地方依舊可以采用原有的電機(jī)車軌道，既能發(fā)揮齒輪車在持重爬坡時穩(wěn)定性高、可靠性好的優(yōu)點，又能充分利用井下現(xiàn)有的軌道設(shè)施，降低改造的成本和周期。為了保證兩種驅(qū)動方式在運行時的可靠性，在齒軌卡軌車和齒軌導(dǎo)引段設(shè)置有信號發(fā)射裝置，齒軌卡軌車接收到導(dǎo)引段的信號后啟動齒輪驅(qū)動單元，當(dāng)再次進(jìn)入到非齒輪軌道處時再切換為傳統(tǒng)的摩擦驅(qū)動方式，極大地提升了齒軌卡軌車的運行便捷性和經(jīng)濟(jì)性，目前已經(jīng)在多個煤礦投入了使用，取得了極好的應(yīng)用效果。

1 新型齒軌卡軌車結(jié)構(gòu)

結(jié)合司馬煤業(yè)井下的實際需求，且為了滿足井下運行可靠性要求，該新型齒軌卡軌車主要由叉桿、轉(zhuǎn)動桿、控制室及驅(qū)動機(jī)組構(gòu)成。驅(qū)動機(jī)組采用了150 kW 大功率發(fā)動機(jī)驅(qū)動，通過叉桿和齒軌卡軌車的兩個控制室相連接。該新型齒軌卡軌車整體結(jié)構(gòu)如圖1[1]。

圖1 新型齒軌卡軌車結(jié)構(gòu)示意圖

該新型齒軌卡軌車核心為摩擦驅(qū)動和齒輪驅(qū)動的控制系統(tǒng)。摩擦驅(qū)動主要包括了傳動齒輪、驅(qū)動馬達(dá)及制動裝置，齒輪驅(qū)動則主要是指齒輪傳動總成。在每個傳動裝置內(nèi)設(shè)置有四組驅(qū)動馬達(dá)，根據(jù)齒軌卡軌車的負(fù)載情況及地質(zhì)情況，靈活地調(diào)整同時投入的驅(qū)動馬達(dá)的數(shù)量，保持齒軌卡軌車運行的靈活性和可靠性。

齒軌卡軌車在運行的時候，液壓泵將液壓油傳輸?shù)揭簤厚R達(dá)內(nèi)，液壓油在馬達(dá)內(nèi)形成一個循環(huán)后再回到油箱內(nèi)，從而形成一個連續(xù)的動力源，推動液壓馬達(dá)的運行。在普通的運行軌道處，采用摩擦驅(qū)動方式，通過連接桿將馬達(dá)和齒軌卡軌車的摩擦輪連接在一起，通過液壓馬達(dá)帶動摩擦輪的運行，從而達(dá)到采用摩擦驅(qū)動運行的方式。在齒軌處，采用齒軌控制模式，此時液壓馬達(dá)和齒軌卡軌車的齒盤連接在一起，齒盤和軌道上的齒軌嚙合，通過齒輪盤帶動機(jī)車在齒軌上的運行。

為了保證液壓馬達(dá)在重載下工作的可靠性，在上面設(shè)置了回油口[2]。若工作時的供油壓力過大，可以通過回油口將高壓油進(jìn)行卸壓，從而保證在不同工況下工作的可靠性。

2 齒軌卡軌車控制系統(tǒng)

該齒軌卡軌車安全運行的核心在于，當(dāng)齒軌卡軌車進(jìn)入到齒軌段后能夠及時切換齒軌運行模式，當(dāng)在傳統(tǒng)的軌道段時能夠快速地切換到摩擦驅(qū)動模式[3]，若沒有及時進(jìn)行切換就極易發(fā)生安全事故，因此本文設(shè)計了一種新的齒軌卡軌車快速切換控制系統(tǒng)。

在齒軌卡軌車的摩擦輪的內(nèi)側(cè)設(shè)置一個折疊式的行程開關(guān)，在齒軌段的引導(dǎo)軌處設(shè)置一個機(jī)械限位，并將開關(guān)信號接入到齒軌卡軌車的控制系統(tǒng)內(nèi)。當(dāng)齒軌卡軌車從斜巷的外側(cè)進(jìn)入到引導(dǎo)軌內(nèi)時，其行程開關(guān)觸碰到設(shè)置在引導(dǎo)軌處的機(jī)械限位開關(guān)，獲取到觸發(fā)信號后，控制系統(tǒng)發(fā)出啟動指令，控制齒盤落下，卡入卡條，系統(tǒng)獲取到卡條落下的信號后允許機(jī)車?yán)^續(xù)行駛并進(jìn)入到齒軌段。若系統(tǒng)未檢測到卡條卡入的信號則系統(tǒng)發(fā)出報警信號，同時自動切斷齒軌卡軌車的運行驅(qū)動系統(tǒng)，阻止齒軌卡軌車行駛進(jìn)入齒軌段，確保井下運輸?shù)陌踩浴｝X軌卡軌車的快速切換系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2[4]。

圖2 齒軌卡軌車快速切換系統(tǒng)示意圖

為了保證齒軌卡軌車快速切換系統(tǒng)的工作可靠性，在系統(tǒng)中設(shè)置了齒條到位監(jiān)測裝置。該監(jiān)測裝置包括設(shè)置在引導(dǎo)軌上的信號發(fā)射模塊和設(shè)置在齒軌卡軌車上的信號接收模塊[5]。信號發(fā)射模塊的有效距離為30 m，當(dāng)設(shè)置在齒軌卡軌車上的信號接收模塊接收到信息后，系統(tǒng)開始執(zhí)行切換程序，并對齒盤的下落距離進(jìn)行檢查。當(dāng)滿足下落要求后系統(tǒng)發(fā)出正常的信號，齒軌卡軌車?yán)^續(xù)運行；當(dāng)監(jiān)測到齒盤的下落距離不足時系統(tǒng)發(fā)出報警信號，此時可以由操作人員手動進(jìn)行二次調(diào)整，使齒盤的下落距離滿足要求。若系統(tǒng)判斷齒盤下落異常，則開始執(zhí)行停機(jī)動作，及時停止齒軌卡軌車的運行，避免齒軌卡軌車進(jìn)入到斜坡段，保證井下物料的運輸安全性和可靠性。

3 轉(zhuǎn)向連接機(jī)構(gòu)

為了適應(yīng)不同情況下的運行需求，齒軌轉(zhuǎn)向架采用了邊梁牽引的模式，利用連接裝置將牽引座和底架的邊梁相互連接，其轉(zhuǎn)向連接機(jī)構(gòu)采用了“Z”型結(jié)構(gòu)設(shè)計方式，能夠在保證結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的情況下降低系統(tǒng)整體的重量。由于在轉(zhuǎn)向架牽引座接觸的位置存在一定的應(yīng)力集中，因此在該區(qū)域進(jìn)行了結(jié)構(gòu)加強(qiáng)，在其他非受力部位進(jìn)行了適當(dāng)?shù)暮喕岣呤褂每煽啃浴?/p>

為了避免齒軌卡軌車在長期運行過程中連接位置的松動，影響齒軌卡軌車的運行安全，因此在連接位置設(shè)置了限位裝置，能夠保證連接螺栓在長期振動沖擊下的使用可靠性。在牽引連接座的位置共設(shè)置了3 組、27 顆連接螺栓，邊梁上還設(shè)置了加厚型腔結(jié)構(gòu)，提高螺栓連接強(qiáng)度。自連接結(jié)構(gòu)和邊梁之間同步設(shè)置了20 mm 寬的不銹鋼過渡鋼板，緩解在運行過程中的應(yīng)力集中情況，保證了整個轉(zhuǎn)向連接機(jī)構(gòu)在使用過程中的可靠性和穩(wěn)定性。該轉(zhuǎn)向連接機(jī)構(gòu)的整體結(jié)構(gòu)如圖3。

圖3 轉(zhuǎn)向連接機(jī)構(gòu)示意圖

4 井下應(yīng)用情況

該齒軌卡軌車已在司馬煤業(yè)的多個礦區(qū)投入應(yīng)用，井下巷道斜坡為19°，斜坡的長度為400 m，牽引重物為17.6 t，所使用的牽引力為261 kN，工作時的平均牽引速度為6.56 m/s。齒軌卡軌車運行時的齒軌設(shè)置在巷內(nèi)的斜坡段，通用導(dǎo)軌鋪設(shè)在斜巷的上下段。為了保證齒軌卡軌車在運行過程中驅(qū)動方式轉(zhuǎn)速的可靠性，在引導(dǎo)段導(dǎo)軌的鋪設(shè)長度需要大于齒軌卡軌車總長度的1.5 倍。一般來說井下重車掛載數(shù)量不大于5 段，空車掛載數(shù)量不超過8段，平車的最大掛載數(shù)量不超過5 段，每段的長度為3 m，因此井下導(dǎo)引段導(dǎo)軌的鋪設(shè)長度不應(yīng)小于36 m。

在井下運行過程中，為了保證在斜坡段運行的安全性，礦井采用了自動控制+人工保障的齒軌卡軌車運行方案。當(dāng)齒軌卡軌車運行到引導(dǎo)段處時，齒軌卡軌車控制系統(tǒng)接收到感應(yīng)信號并控制齒盤下落，卡入齒條，由摩擦驅(qū)動運行模式轉(zhuǎn)換為齒輪驅(qū)動運行模式；然后操作工將保險繩掛好并發(fā)出連接信號，確認(rèn)下坡段無異常后，操作工再打開上口抱軌式阻車器及攔車桿；當(dāng)齒軌卡軌車駛過斜坡段后，下側(cè)的擋車欄關(guān)閉，機(jī)車由齒輪驅(qū)動轉(zhuǎn)變?yōu)槟Σ硫?qū)動，進(jìn)行正常運行。

目前該新型齒軌卡軌車已經(jīng)平穩(wěn)運行了近十個月，在運行過程中能夠?qū)崿F(xiàn)摩擦驅(qū)動和齒輪驅(qū)動的快速切換，極大地提升了井下物料運輸效率和安全性。井下齒軌段的齒軌結(jié)構(gòu)如圖4[6]。

圖4 井下齒軌結(jié)構(gòu)示意圖

5 結(jié)論

針對傳統(tǒng)齒軌卡軌車無法在井下巷道已成型的軌道上運行的缺陷，設(shè)計了一種新的井下齒軌卡軌車。該車將摩擦驅(qū)動和齒輪驅(qū)動有機(jī)結(jié)合，能夠根據(jù)井下不同的行駛區(qū)段靈活地選擇驅(qū)動方式。對該齒軌卡軌車驅(qū)動切換系統(tǒng)及應(yīng)用情況進(jìn)行了研究，結(jié)果表明：

（1）新型齒軌卡軌車主要由叉桿、轉(zhuǎn)動桿、控制室及驅(qū)動機(jī)組構(gòu)成，既能發(fā)揮齒輪車在持重爬坡時穩(wěn)定性高、可靠性好的優(yōu)點，又能充分利用井下現(xiàn)有的軌道設(shè)施，降低改造的成本和周期。

（2）轉(zhuǎn)向連接機(jī)構(gòu)采用了“Z”型結(jié)構(gòu)設(shè)計方式，能夠在保證結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的情況下降低系統(tǒng)整體的重量。

（3）齒軌卡軌車快速切換控制系統(tǒng)，在接收到感應(yīng)控制信號后能夠自動實現(xiàn)摩擦驅(qū)動和齒輪驅(qū)動的切換，極大地提升了齒軌卡軌車在井下運行的可靠性。