偏移補(bǔ)償式軌道礦車牽引裝置設(shè)計(jì)

劉玉榮

(中煤科工集團(tuán) 太原研究院有限公司，山西 太原 030006)

0 引言

國內(nèi)礦井總數(shù)80%以上的煤礦采用有軌輔助運(yùn)輸形式[1-2]?，F(xiàn)階段有軌輔助運(yùn)輸中，軌道礦車牽引方式主要包括纜繩牽引、軌道車牽引兩種形式。纜繩牽引主要應(yīng)用于超大坡度(20°以上),直線段軌道礦車牽引；軌道車牽引主要應(yīng)用于近水平路面牽引(坡度小于3°)。由于礦井條件不同，巷道地面起伏不平等原因，有軌輔助運(yùn)輸巷道路面經(jīng)常3°～15°的大坡道，導(dǎo)致軌道礦車牽引困難。使用軌道車牽引,附著力有限；使用纜繩牽引，存在彎道牽引困難,輔助運(yùn)輸人員多、效率低、工序繁瑣等問題。經(jīng)分析研究發(fā)現(xiàn)，膠輪式軌道礦車牽引車可有效地解決該問題。膠輪式車輛作為軌道礦車的牽引車時(shí)，膠輪牽引車行駛路線靈活，而軌道礦車只能沿著軌道行駛。當(dāng)膠輪式牽引車偏移時(shí)，軌道礦車受側(cè)向力較大，極易脫軌。針對(duì)此問題，對(duì)現(xiàn)有牽引裝置采用雙鉸接式連桿牽引裝置，一定程度上解決了偏移補(bǔ)償問題，但還是易出現(xiàn)軌道礦車脫軌的現(xiàn)象。本文通過對(duì)膠輪牽引車牽引工況及各工況下軌道礦車進(jìn)行受力分析，研究設(shè)計(jì)出一種具有偏移補(bǔ)償功能的牽引裝置。

1 牽引工況研究

針對(duì)煤礦井下軌道礦車牽引工況進(jìn)行分析研究，所有運(yùn)行工況可看作3種基本工況組合而成，即平直路面牽引工況、坡道路面牽引工況、彎道路面牽引工況。

1) 平直路面牽引工況是指軌道礦車在水平路面，且軌道為直線的情況下，牽引其前進(jìn)、后退的工況,如圖1所示。通常煤礦井下軌道都鋪設(shè)在平直路面上，故大多牽引工況為平直路面。膠輪式牽引車在水平路面工況下，既能實(shí)現(xiàn)“拉”軌道礦車前行，又能“推”礦車后退。

圖1 平直路面工況

2) 坡道路面牽引工況是指軌道礦車在坡道路面，牽引其前進(jìn)、后退的工況,如圖2所示。通常煤礦井下的坡道較小，但牽引阻力較大，這是牽引中最難的工況。為了保證牽引的安全性，通常膠輪牽引車都在軌道礦車的上部。

圖2 坡道路面工況

3) 彎道路面牽引工況是指軌道礦車在彎道路面，牽引其前進(jìn)、后退的工況,如圖3所示。由于彎道牽引工況中，牽引車與軌道礦車中間形成一定夾角，牽引分力極易使軌道礦車脫軌。該彎道牽引工況下，牽引車既能實(shí)現(xiàn)“拉”軌道礦車前行，又能“推”礦車后退。

圖3 彎道路面工況

總之，煤礦井下軌道礦車的牽引工況均由以上3種基本工況組合而成，無非是坡度大小不同，彎道轉(zhuǎn)彎半徑不同，彎道與坡道結(jié)合的工況，只需將這3種基本工況的受力研究后，則其他工況的受力可疊加計(jì)算。

2 各牽引工況受力分析

2.1 水平路面偏移工況受力分析

通過對(duì)使用軌道礦車的煤礦井下巷道關(guān)鍵尺寸調(diào)研，軌道礦車牽引巷道布置如圖4所示，巷道寬度為5 000 mm，礦車軌道寬度為600 mm，鋪設(shè)在巷道正中心，而膠輪式車輛設(shè)計(jì)寬度為2 200 mm，故膠輪式牽引車最大偏移距離為1 400 mm。

假設(shè)車輛偏移距離為500 mm，牽引車平直路面工況下最大牽引速度為14 km/h，牽引車變向角度為2°，計(jì)算出偏移時(shí)間為：

(1)

式中:t為偏移時(shí)間；s為偏移距離，s=0.5 m；v為行駛速度，v=14 km/h。由計(jì)算結(jié)果可知,牽引車誤打方向2°時(shí)，在3.68 s內(nèi)，牽引車輛就會(huì)偏移0.5 m，這表明牽引車偏移是大概率事件，牽引偏移補(bǔ)償是膠輪牽引裝置的關(guān)鍵問題。

圖4 軌道礦車牽引巷道位置

2.2 偏移工況受力分析

現(xiàn)階段膠輪式牽引裝置采用雙膠接式牽引裝置，而本文設(shè)計(jì)的牽引裝置具有偏移補(bǔ)償功能，連接位置可以平滑。圖5所示為兩種牽引裝置偏移工況。采用具有偏移補(bǔ)償功能的牽引裝置，牽引車輛發(fā)生偏移時(shí),軌道礦車受力方向與牽引方向同向，側(cè)向力的理論值為0。采用雙鉸接連桿牽引裝置，當(dāng)牽引車輛發(fā)生偏移時(shí)，軌道礦車不僅牽引方向受力，同樣還受到側(cè)向力，側(cè)向力的大小與偏移距離、連桿長度、牽引制動(dòng)力大小有關(guān)。如圖6所示，長度為1.5 m的雙鉸接連桿,當(dāng)牽引車偏移0.5 m時(shí)，牽引車緊急制動(dòng)時(shí)，軌道礦車所受最大側(cè)向力為：

(a) 雙鉸接式牽引裝置

(b) 帶偏移補(bǔ)償功能牽引裝置圖5 兩種牽引裝置偏移工況

圖6 雙鉸接連桿受力圖

FC=FZ·tanθ=1.98 t

(2)

式中:FC為所受側(cè)向力；FZ為附著力，F(xiàn)Z=8 t;θ為偏離角，θ=arcsin 0.5/1.5。

2.3 軌道礦車傾翻受力分析

軌道礦車最大傾翻力與軌道礦車結(jié)構(gòu)尺寸及質(zhì)量息息相關(guān)，以標(biāo)準(zhǔn)2 t礦車為例分析其最大傾翻力。如圖7所示，2 t礦車最大傾翻力為：

Fq=(Fg·l2)/l1=1.87 t

(3)

式中:Fq為最大傾翻力；Fg為礦車質(zhì)量，F(xiàn)g=2 t；l1為重心高度，l1=320 mm；l2為傾翻力臂，l2=300 mm。

圖7 最大傾翻力受力圖

2.4 彎道工況受力分析

軌道礦車在彎道行駛時(shí)，所受側(cè)向力與鉸接角相關(guān)，而鉸接角與彎道半徑一一對(duì)應(yīng)。

(4)

(5)

式中:α1為牽引車切角；α2為軌道礦車切角；R為轉(zhuǎn)彎半徑。

緊急制動(dòng)時(shí)，若牽引多個(gè)軌道礦車時(shí)，每輛礦車不僅受到前車作用力，同時(shí)受后車作用力，合力須小于軌道礦車最大傾翻力。軌道礦車所受側(cè)傾力與牽引礦車數(shù)量及彎道行駛速度關(guān)系為：

(6)

式中:n為牽引礦車數(shù)量；m為牽引礦車質(zhì)量；v為行駛速度，v=14 km/h；s為制動(dòng)距離，s=8 m。

以標(biāo)準(zhǔn)2 t軌道礦車為例，可得到不同多節(jié)軌道礦車在不同轉(zhuǎn)彎半徑的彎道上，允許行駛的最大速度，不超過最大速度，軌道礦車不會(huì)傾翻。不同軌道礦車轉(zhuǎn)彎半徑與車速的關(guān)系如圖8所示。

以上受力分析研究表明，雙鉸接式牽引裝置在緊急制動(dòng)時(shí)，較易出現(xiàn)傾翻、脫軌現(xiàn)象，而具有偏移補(bǔ)償功能的牽引裝置在偏移工況下不承受傾翻力，僅在彎道時(shí)，受到一定的傾翻力。通過計(jì)算，得到了軌道礦車在不同轉(zhuǎn)彎半徑下的最大速度，這樣可以通過控制彎道速度，避免礦車傾翻脫軌。

圖8 軌道礦車轉(zhuǎn)彎半徑-車速關(guān)系

3 牽引裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)上述的分析研究，研究設(shè)計(jì)了具有偏移補(bǔ)償功能的牽引裝置結(jié)構(gòu)[3-10]，其結(jié)構(gòu)如圖9所示。

1-蓋板;2-滑軌;3-軌道小車;4-加強(qiáng)筋;5-銷軸; 6-豎向?qū)蜉?7-轉(zhuǎn)動(dòng)架;8-橡膠塊; 9-牽引件;10-輪架;11-前后導(dǎo)向輪。圖9 牽引裝置結(jié)構(gòu)圖

具有偏移補(bǔ)償功能的膠輪式軌道礦車牽引裝置主要由滑軌、軌道小車、蓋板3部分組成?；壈惭b在膠輪牽引車主車架上，前后板采用厚鋼板并設(shè)有加強(qiáng)筋，一方面增強(qiáng)承載能力，另一方面防止焊接變形。滑軌的左右兩端設(shè)有擋板，用來安裝蓋板，軌道小車僅可從導(dǎo)軌的左側(cè)滑入，蓋板起到限位作用，防止在行進(jìn)過程中，牽引裝置與膠輪車脫離(軌道小車與滑軌)。軌道小車通過導(dǎo)向輪沿著滑軌的軌槽滑動(dòng)，保證在膠輪牽引車左右擺動(dòng)時(shí)，軌道礦車不會(huì)脫軌，還能沿軌道行駛，起到補(bǔ)償橫向(即礦車軌道寬度方向)擺動(dòng)的作用。

導(dǎo)向輪組包括4個(gè)豎向?qū)蜉喓?個(gè)前后導(dǎo)向輪，輪架的兩端通過轉(zhuǎn)軸安裝2個(gè)豎向?qū)蜉喓?個(gè)前后導(dǎo)向輪，前后導(dǎo)向輪設(shè)于豎向?qū)蜉唭?nèi)側(cè)。豎向?qū)蜉喼饕惺芑瑒?dòng)小車的重力，受力小，限制軌道小車上下方向的運(yùn)動(dòng);前后導(dǎo)向輪主要承受牽引力，受力大，限制軌道小車前后方向(礦車運(yùn)行方向)的運(yùn)動(dòng)。豎向?qū)蜉喌亩嗣媾c軌道槽的上下端面平行，且同一轉(zhuǎn)軸上的兩個(gè)豎向?qū)蜉?、前后?dǎo)向輪的端面與軌道槽的前后端面平行。豎向?qū)蜉啞⑶昂髮?dǎo)向輪與軌道槽的內(nèi)端面均為間隙安裝，即豎向?qū)蜉喓颓昂髮?dǎo)向輪的端面與軌道槽內(nèi)端面留有2 mm的間隙。通過8個(gè)導(dǎo)向輪,保證了牽引裝置左右滑動(dòng)的順暢性,并對(duì)橫向擺動(dòng)起到補(bǔ)償作用。

由于轉(zhuǎn)動(dòng)架和輪架之間由銷軸連接，轉(zhuǎn)動(dòng)架有兩個(gè)維度的轉(zhuǎn)動(dòng)，能適應(yīng)軌道礦車上下坡道時(shí)，牽引車與軌道礦車的水平面的夾角，可以保證牽引車在上下坡度14°內(nèi)運(yùn)行時(shí)軌道礦車不會(huì)脫軌。左右偏動(dòng)時(shí)，軌道車不受力，保證其不會(huì)脫軌，即通過轉(zhuǎn)動(dòng)架和輪架的轉(zhuǎn)動(dòng)副,實(shí)現(xiàn)了對(duì)上下角度擺動(dòng)和左右(礦車軌道寬度方向)偏動(dòng)的補(bǔ)償。

牽引件包括連接耳和轉(zhuǎn)軸，通過連接耳能實(shí)現(xiàn)該裝置與軌道礦車的連接，轉(zhuǎn)軸與轉(zhuǎn)動(dòng)架連接形成圓柱套筒副，牽引件相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)架可以旋轉(zhuǎn)，以適應(yīng)牽引車左右傾斜的工況。轉(zhuǎn)動(dòng)架和牽引物件之間設(shè)有橡膠塊，起到緩沖作用，是用來減小軌道礦車在起步與制動(dòng)過程中對(duì)牽引膠輪車的沖擊力。

牽引裝置在膠輪牽引車上的安裝位置如圖10所示。

圖10 牽引裝置安裝位置

4 結(jié)論

通過對(duì)膠輪牽引車的各種牽引工況及各工況下軌道礦車進(jìn)行受力分析，研究設(shè)計(jì)了具有偏移補(bǔ)償式軌道礦車牽引裝置，該牽引裝置可有效地解決膠輪式牽引車牽引軌道礦車過程中礦車易脫軌的問題。

該牽引裝置于2017年底在煤礦井下進(jìn)行了工業(yè)性試驗(yàn)，試驗(yàn)表明,該牽引裝置確實(shí)有效地解決了軌道礦車牽引時(shí)的偏移補(bǔ)償問題。