煤礦井下兩級膨脹氣動單軌吊研究應(yīng)用

王毅穎，顧 英，李俊慶，張宏財，史艷楠，4，王瀚秋

(1.河北工程大學(xué) 機械與裝備工程學(xué)院，河北 邯鄲 056038；2.冀凱河北機電科技有限公司，河北 石家莊 050000；3.河北省煤炭生態(tài)保護開采產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院，河北 邯鄲 056038；4.邯鄲市智能車輛重點實驗室，河北 邯鄲 056038)

近年來，我國煤礦現(xiàn)代化建設(shè)高速發(fā)展，礦井建設(shè)及生產(chǎn)規(guī)模逐漸增加，機械化程度高、低危險性的綜合機械化采煤成為發(fā)展方向。在煤礦井下安全高效輔助運輸方面，單軌吊輔助運輸系統(tǒng)因其運輸效率高、操作簡單等特點，成為煤礦井下運送材料、設(shè)備和人員的重要輔助運輸設(shè)備[1-3]。

目前，煤礦單軌吊車主要包括防爆柴油機單軌吊車、防爆蓄電池單軌吊車、固定氣源壓縮空氣單軌吊車。防爆柴油機、防爆蓄電池單軌吊車對井下通風(fēng)有嚴(yán)格要求，在高瓦斯礦井應(yīng)用及礦井救援時，都需要進一步解決煤礦井下防爆安全問題，存在安全隱患。另外，防爆柴油機單軌吊車還會產(chǎn)生污染、CO有害尾氣等問題，危害工人身心健康。固定氣源壓縮空氣單軌吊適用于通風(fēng)較差的工況環(huán)境，但必須拖拽笨重的風(fēng)管才能運行，作業(yè)距離受到制約，且操作不便，增加工人勞動強度，影響作業(yè)效率[4-7]。

針對以上問題，論文研究了可脫離風(fēng)管獨立工作的自攜帶空氣動力的空氣動力單軌吊車，核心動力驅(qū)動裝置為兩級膨脹氣動機，完全由壓縮空氣驅(qū)動，無電子電路存在，依靠壓縮空氣在馬達中膨脹做功實現(xiàn)動力輸出，整個工作過程無任何火花，安全可靠性高，具有優(yōu)良的防爆特性，且排放出的尾氣為潔凈、低溫空氣，不會對巷道內(nèi)有限的空間產(chǎn)生任何污染，而且在一定程度上會凈化巷道內(nèi)空氣，降低環(huán)境溫度，為工人提供一個良好的工作環(huán)境。空氣動力單軌吊適用于空間狹小切通風(fēng)較差的工況環(huán)境，為高瓦斯礦井輔助運輸?shù)氖走x設(shè)備。

1 空氣動力單軌吊結(jié)構(gòu)

空氣動力單軌吊車主要由驅(qū)動裝置、制動裝置、儲能裝置、起吊裝置構(gòu)成，如圖1所示。

圖1 空氣單軌吊系統(tǒng)構(gòu)成

1.1 驅(qū)動裝置

驅(qū)動裝置由動力系統(tǒng)、驅(qū)動輪、驅(qū)動臂等構(gòu)成，具體結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖2所示。

圖2 驅(qū)動裝置結(jié)構(gòu)

驅(qū)動裝置是煤礦井下空氣動力單軌吊工作動力來源，核心為空氣動力氣動機。傳統(tǒng)的單級膨脹空氣動力氣動機膨脹率不高，排氣時氣體壓力偏高，損失能量大，效率較低。為了提高煤礦井下空氣動力氣動機的性能，增加煤礦井下空氣動力單軌吊的續(xù)航里程和輸出扭矩，可以采用兩級膨脹工作方式，將兩個氣缸的氣路以串聯(lián)形式連接。串聯(lián)形式下，第一級氣缸中排出的較高壓力的廢氣可以進入到下一級氣缸繼續(xù)膨脹釋放能量，然后以較低的壓力排放到大氣，實現(xiàn)能量的再次利用，提高氣動機的效率[8-12]。

兩級膨脹氣動機缸內(nèi)高壓氣體膨脹做功最終通過曲軸轉(zhuǎn)化為扭矩輸出，是一個非常復(fù)雜的熱力學(xué)過程。兩級膨脹氣動機的兩個氣缸被第一級氣缸排氣門隔離，因此，在數(shù)學(xué)模型分析建立時，可以將每一級氣缸視為一個單級膨脹氣動機，可分別以單缸為研究對象進行熱力學(xué)和受力分析，建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)子模型后聯(lián)立獲得兩級膨脹氣動機的數(shù)學(xué)模型[13]。以第一級氣缸作為一個熱力學(xué)系統(tǒng)進行分析，可以得到第一級氣缸內(nèi)氣體溫度隨曲軸轉(zhuǎn)角變化的微分方程：

(1)

式中，T1為氣缸內(nèi)溫度；Q1為系統(tǒng)交換的熱量；Cv為氣體等容比熱；W1為對外膨脹做功；m為缸內(nèi)氣體瞬時質(zhì)量；m0和m1為進排氣氣體質(zhì)量；h0和h1為進排氣氣體比焓；φ為曲軸轉(zhuǎn)角；u1為高壓氣體的比內(nèi)能。

以活塞和曲軸作為研究對象進行受力分析，可以得到第一級氣缸的輸出扭矩公式為：

sin(φ1+β1)r

(2)

式中，p1為氣缸內(nèi)的瞬時壓力；p0為大氣壓力；Ap為活塞頂面積；mi為缸內(nèi)氣體瞬時質(zhì)量；r為曲柄半徑；w為曲軸轉(zhuǎn)動角速度；λs為連桿曲柄比；β連桿為與氣缸軸線夾角。

第二級氣缸的數(shù)學(xué)模型和扭矩輸出和第一級氣缸的數(shù)學(xué)模型建立過程相同，聯(lián)立兩級數(shù)學(xué)模型，可以得到兩級膨脹氣動機工作過程整體數(shù)學(xué)模型，為一個包含多個基本方程的常微分方程組。最終，空氣動力發(fā)動機的輸出扭矩為：

Mp=Mp1+Mp2

(3)

式中，Mp為空氣動力發(fā)動機輸出扭矩，N·m；Mp2為第二級氣缸的輸出扭矩，N·m。

在數(shù)學(xué)模型的建立過程中，可以發(fā)現(xiàn)氣動機的性能與氣缸直徑、進氣提前角、排氣提前角、持續(xù)角等眾多因素有關(guān)，多個因素相互耦合，且都對兩級膨脹氣動機的性能有著不同的影響，是一個多參數(shù)耦合的復(fù)雜系統(tǒng)。為了提高空氣動力氣動機性能，有必要選擇影響氣動機性能的重要參數(shù)進行優(yōu)化設(shè)計[14]。綜合以上分析，選取氣動機輸出的平均扭矩作為優(yōu)化的目標(biāo)，兩級膨脹氣動機多參數(shù)耦合優(yōu)化模型為：

maxf=MP

(4)

約束條件為：

s.t.θ1min<θ1<θ1max

……

1

(5)

式中，θ1為一級氣缸進氣提前角；θ1max和θ1min為一級氣缸進氣提前角的最大值最小值，在具體應(yīng)用的時候設(shè)定；n為缸徑比，nmax為缸徑比的最大值；省略號表示優(yōu)化參數(shù)可以選擇兩級氣動發(fā)動機中的多個參數(shù)，具體參數(shù)依據(jù)實際需求選擇。

優(yōu)化模型建立后，可以選擇粒子群優(yōu)化算法進行求解[15-17]。為了有效提高粒子群算法尋優(yōu)的效率，保證得到最優(yōu)解，首先根據(jù)建立的兩級膨脹氣動機的數(shù)學(xué)模型建立仿真模型，按照單一因素分析法得到多個優(yōu)化參數(shù)對氣動機性能的影響曲線，并得到參數(shù)的最優(yōu)值將其作為粒子群的初始解，然后再繼續(xù)求解氣動機多參數(shù)耦合優(yōu)化模型。通過粒子群算法得到優(yōu)化的參數(shù)后，進行兩級膨脹氣動機的結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖3所示。

圖3 氣動機結(jié)構(gòu)

兩級膨脹氣動機的正時配氣核心在于各缸進排氣氣體質(zhì)量的合理分配、氣門開啟時間、氣門截面積、氣門行程、氣門之間的相位角以及氣門與活塞的相對位置[18]，根據(jù)優(yōu)化后的正時配氣參數(shù)，設(shè)計的凸輪軸如圖4所示。

圖4 凸輪軸結(jié)構(gòu)

1.2 氣體行車制動裝置

氣體行車制動用于空氣動力單軌吊車正常運行時的速度控制和停車制動。行車制動裝置通過氣動方式實現(xiàn)行車制動，通入壓縮空氣推移行車制動裝置內(nèi)的壓盤，通過增大摩擦力降低馬達轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)對整車速度的控制。其原理如圖5所示。

圖5 氣體行車制動

依靠彈簧制動，氣缸通氣解除制動。常規(guī)狀態(tài)時候彈簧撐開，上面的制動閘快將軌道夾緊，氣缸通氣回收，將閘塊打開，與軌道分開。制動裝置為失效型制動保護裝置，正常為抱死狀態(tài)，只有當(dāng)倍力氣缸中通入0.5MPa壓力的空氣后將制動彈簧壓縮，制動滑靴才能打開，所以當(dāng)供氣管路出現(xiàn)故障或發(fā)生意外時，該設(shè)備能自動進行剎車從而保證設(shè)備的運行安全。制動滑靴為銅基材料，與導(dǎo)軌摩擦不會產(chǎn)生火花，又能提供足夠的制動力，增加了整車的防爆性和安全性。

1.3 氣體儲能裝置

氣體儲能裝置是整車的能量來源，為了適用煤礦井下復(fù)雜的環(huán)境，碳纖維復(fù)合纏繞氣瓶安裝在高剛性籠式箱體內(nèi)，由高強度鋼梁為支撐，鋼板包覆。氣瓶與箱體通過尼龍底座、鋼瓶束帶連接，具有良好的緩沖作用，避免了箱體承受撞擊時對氣瓶造成影響。箱體上開有透氣孔，保證了氣體的流通，加速氣瓶、管路與空氣的熱傳導(dǎo)，避免了氣瓶及管路中氣體壓力變化，帶來的溫度劇烈的升高或降低。儲能裝置具有籠式箱體抗沖擊能力強等特點，氣瓶臥式安裝配有減震，碳纖維全纏繞氣瓶，單個質(zhì)量僅82kg，通透式護罩增強熱交換能力，氣瓶公稱壓力20MPa，爆破壓力47MPa，安全系數(shù)高，儲能裝置如圖6所示。

圖6 氣體儲能裝置

2 空氣動力單軌吊氣動控制原理

空氣動力單軌吊車的運行、重物的起吊、整機的控制都是通過氣動系統(tǒng)實現(xiàn)。氣動系統(tǒng)由儲氣瓶、接頭、減壓閥、安全閥、邏輯控制閥、壓力表等通過鋼性管、PU軟管、高壓空氣膠管連接，組成了一套安全穩(wěn)定、操作簡便的空氣動力單軌吊車氣路系統(tǒng)。氣動控制系統(tǒng)原理如圖7所示。輸送到礦井下的壓縮空氣經(jīng)氣動增壓控制柜二次增壓后存儲在氣瓶內(nèi)。單軌吊車工作時，壓縮空氣經(jīng)過減壓將壓力降低至空氣動力氣動機所需要的壓力，一部分通過控制系統(tǒng)供給空氣動力發(fā)動機，另一部分經(jīng)減壓閥減壓存儲在緩沖罐內(nèi)，供邏輯控制回路控制整機的動作。

圖7 氣動控制系統(tǒng)原理

空氣動力單軌吊車由多只大容積的車用鋁內(nèi)膽碳纖維全纏繞復(fù)合氣瓶儲存的壓縮空氣提供動力。壓縮空氣經(jīng)過減壓系統(tǒng)后分為兩路，一路壓縮空氣通入空氣發(fā)動機，為單軌吊車的行走提供動力；一路壓縮空氣為制動小車、空氣發(fā)動機啟動馬達和換擋氣缸等提供動力。當(dāng)儲氣瓶壓力低于壓力下限時需要用自增壓系統(tǒng)向瓶內(nèi)補充壓縮空氣。當(dāng)瓶內(nèi)壓力達到要求時，自增壓系統(tǒng)自動停機，卸掉充氣管路后空氣動力單軌吊車可繼續(xù)作業(yè)。

3 試驗驗證

選擇一級氣缸進氣持續(xù)角、一級氣缸排氣角等參數(shù)作為空氣動力單軌吊中氣動機的優(yōu)化參數(shù)，將其作為粒子群算法中的初始化參數(shù)，使用多目標(biāo)粒子群算法進行優(yōu)化，優(yōu)化結(jié)果見表1。

表1 氣動機優(yōu)化后參數(shù)

為了驗證空氣動力單軌吊的性能，搭建了空氣動力氣動機試驗平臺，并對優(yōu)化前后的發(fā)動機進行了對比分析，如圖8所示，從圖中可以看出，優(yōu)化前后發(fā)動機的輸出扭矩有效增加。為了驗證空氣動力氣動機排放出的尾氣為潔凈、低溫的空氣，在試驗過程中獲取了氣動機的溫度，如圖9所示。

圖8 平均扭矩試驗曲線

圖9 空氣動力發(fā)動機溫度測試

目前，空氣動力單軌吊車已經(jīng)研制成功，通過了公司廠內(nèi)性能和安全測試，并且已經(jīng)在攀枝花煤礦井下安全應(yīng)用。井下具體的工作環(huán)境為：運輸角度8°，坡道長度150m，運輸距離單程330m，往返660m?？諝鈩恿诬壍醯某叽鐬?000mm×1060mm×1540mm，自重2.5t，運行時牽引速度0.6m/s，通過能力水平半徑5m，垂直半徑9m，累計運行約為1000km，在煤礦井下應(yīng)用良好。

將空氣動力單軌吊與現(xiàn)有的以礦井壓風(fēng)機提供壓縮空氣為動力源的拖風(fēng)管單軌吊對比見表2。

表2 空氣動力單軌吊與拖鳳管單軌吊對比

4 結(jié) 語

空氣動力單軌吊車?yán)脡嚎s空氣為動力源驅(qū)動雙級膨脹氣動機做功，整個工作過程中沒有化學(xué)燃料爆炸，無需引燃裝置，從原理和結(jié)構(gòu)上杜絕了高溫、火花的產(chǎn)生，與防爆柴油機單軌吊車和蓄電池單軌吊車相比，安全性發(fā)生了本質(zhì)的變化，解決了高瓦斯礦井工作面單軌吊車防爆問題。提出了空氣動力氣動機多參數(shù)耦合的優(yōu)化設(shè)計方法，得到了空氣動力氣動機的優(yōu)化參數(shù)，依據(jù)優(yōu)化后的正時配氣參數(shù)設(shè)計氣動機的凸輪軸，有效提高了空氣單軌吊的性能。空氣動力單軌吊車給煤礦井下輔助運輸設(shè)備提出了一種全新的理念，是高瓦斯礦井及其他高危行業(yè)首選的動力輸出設(shè)備。