摘要：隨著煤礦輔助運(yùn)輸裝備的升級(jí)改造，單軌吊依靠其長(zhǎng)距離、連續(xù)化、安全可靠、經(jīng)濟(jì)性的特點(diǎn)逐步得到推廣應(yīng)用，但是在單軌吊軌道及機(jī)車的選型計(jì)算上目前還沒有一套規(guī)范的標(biāo)準(zhǔn)。文章以德國(guó)沙爾夫生產(chǎn)的單軌吊為基礎(chǔ)，介紹了一套單軌吊軌道及機(jī)車選型的計(jì)算方法，并結(jié)合實(shí)際對(duì)單軌吊的安裝、應(yīng)用進(jìn)行了研究。

關(guān)鍵詞：?jiǎn)诬壍踯壍溃粰C(jī)車；選型計(jì)算；煤礦輔助運(yùn)輸裝備；煤礦生產(chǎn) 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

中圖分類號(hào)：TD524 文章編號(hào)：1009-2374（2016）23-0052-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.23.025

1 概述

煤礦輔助運(yùn)輸是煤礦生產(chǎn)建設(shè)的重要組成部分，承擔(dān)著煤礦井下材料、設(shè)備、人員和矸石運(yùn)輸任務(wù)。目前國(guó)內(nèi)大部分煤礦仍采用傳統(tǒng)的輔助運(yùn)輸方式，在主要運(yùn)輸巷采用電機(jī)車運(yùn)輸，采區(qū)上下山采用絞車運(yùn)輸物料和設(shè)備，順槽采用小絞車或無(wú)極繩絞車運(yùn)輸。隨著煤礦輔助運(yùn)輸裝備的升級(jí)改造，單軌吊依靠其長(zhǎng)距離、連續(xù)化、安全可靠、經(jīng)濟(jì)性的特點(diǎn)逐步得到推廣應(yīng)用。

2 單軌吊軌道的種類

單軌吊軌道按照載重分為輕軌I140E和重軌I140V兩種，按照使用方式，分為直軌、彎軌、調(diào)節(jié)軌、道岔等。

2.1 直軌

直軌主要在直線段內(nèi)安裝使用，一般分為2m/根、2.4m/根、3m/根，也有極少數(shù)使用2.25m/根和1.5m/根的。

2.2 彎軌

彎軌主要用于巷道的彎道、車場(chǎng)等位置，一般使用1m/根、1.5m/根、2m/根的，國(guó)外的彎軌是根據(jù)曲率半徑加工好的1m/根的，國(guó)內(nèi)彎軌主要是根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況，用彎軌器加工、拿彎。

2.3 調(diào)節(jié)軌

調(diào)節(jié)軌是彎軌和直軌之間的過(guò)渡軌道，一般長(zhǎng)度在1～2m之間，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況加工。

2.4 道岔

道岔主要用在巷道的三岔門、四岔門或車場(chǎng)內(nèi)，道岔一般都采用對(duì)稱形式，目的是盡量縮短道岔的長(zhǎng)度，如果采用單開道岔的形式，道岔的長(zhǎng)度要增加近一倍的長(zhǎng)度。

3 軌道的吊掛形式

3.1 錨桿吊掛形式

3.1.1 單吊鏈吊掛方式。如圖1所示，由兩根錨桿固定一個(gè)專用吊板，用一根吊鏈將吊板和軌道連接起來(lái)。錨桿直徑不小于Ф20mm，全螺紋錨桿長(zhǎng)度不小于2m，錨深不小于1.6m，錨固長(zhǎng)度不小于0.7m，錨固力不小于130kN/根。該吊掛方式的優(yōu)點(diǎn)是吊掛比較美觀，受力方式好，缺點(diǎn)是不能控制左右搖擺，易產(chǎn)生軌道扭曲。巷道坡度小于5°使用較合理。

3.1.2 雙吊鏈吊掛方式。如圖2所示，由兩根錨桿通過(guò)兩根吊掛鏈，通過(guò)大吊環(huán)把軌道吊起，吊掛鏈采用Φ18×64錨鏈，吊鏈鉛垂偏角不得大于60°。該吊掛方式優(yōu)點(diǎn)是費(fèi)用低，控制了軌道的左右搖擺，適合大坡度條件下使用，軌道穩(wěn)定性強(qiáng)，缺點(diǎn)是吊鏈斜拉，產(chǎn)生部分錨桿剪切力。

3.1.3 雙鏈重軌吊掛方式。重軌目前在國(guó)內(nèi)使用較少，吊掛一般采用雙鏈吊掛，吊掛鏈選用Φ18×90吊掛鏈，每根吊掛鏈采用一個(gè)吊掛板用兩根錨桿固定，也就是說(shuō)每個(gè)吊掛點(diǎn)采用4根錨桿吊掛。

3.2 架棚巷道的吊掛方式

3.2.1 U型棚吊掛方式。制作專門的U型棚卡子吊掛，如果單軌吊的軌道不在U型棚正下方，就采用兩個(gè)棚頭吊掛一個(gè)點(diǎn)。

3.2.2 梯形棚的吊掛方式。在礦用工字鋼支護(hù)巷道中，將礦用工字鋼（不小于1.2m）制作的短梁沿巷道方向固定在兩棚頭之間，采用U型卡子固定在棚頭上，吊鏈固定在短梁上，再用吊鏈吊掛軌道。當(dāng)軌道吊掛點(diǎn)正處于棚頭下方時(shí)，可將吊鏈直接固定在棚頭上，但也應(yīng)對(duì)棚頭采用加固措施，防止倒棚。

4 軌道選型計(jì)算及錨固力計(jì)算

4.1 起吊梁的種類

德國(guó)沙爾夫單軌吊機(jī)車的起吊梁，按照規(guī)格分為6噸、8噸、16噸、22噸、28噸、32噸、45噸等幾種，各種單軌吊的結(jié)構(gòu)、參數(shù)在各類資料、說(shuō)明書中均能查到，在此不再贅述。

4.2 單軌吊軌道長(zhǎng)度的選型計(jì)算

根據(jù)歐盟的標(biāo)準(zhǔn)，I140E軌道每個(gè)吊掛點(diǎn)的最大靜拉力為50kN，I140V型軌道的每個(gè)吊掛點(diǎn)的最大靜拉力為100kN；軌道吊掛點(diǎn)的吊掛力與軌道的長(zhǎng)短、承載小車的數(shù)量、承載小車的受力、承載小車之間的距離、軌道的傾角有關(guān)。6噸起吊梁承載小車的距離為3300mm，8噸、16噸、22噸、28噸起吊梁承載小車距離為1810mm，32噸起吊梁承載小車之間的距離為1460mm，45噸起吊梁承載小車之間的距離為730mm。

歐盟專門制定了軌道選型計(jì)算如圖3所示?？梢钥闯觯诔休d小車間距為1810mm時(shí)，當(dāng)承載小車受力為2800kg以下時(shí)，選用3m/根的軌道；當(dāng)承載小車受力為2800～3380kg以下時(shí)，選用2.4m/根的軌道；當(dāng)承載小車受力為3380～4000kg以下時(shí)，選用2m/根的軌道。

實(shí)際使用中，若線路為3m/根的軌道，則使用16噸起吊梁能夠吊起最大的重物為4×2800-1490=9710kg；若線路為2.4m/根的軌道，則使用16噸起吊梁能夠吊起最大的重物為4×3380-1490=12030kg；若線路為2m/根的軌道，則使用16噸起吊梁能夠吊起最大的重物為4×4000-1490=14510kg，其中4為起吊梁承載小車數(shù)，1490kg為起吊梁的自重。當(dāng)用16噸起吊梁吊起16噸重物時(shí)，最好選用I140V軌道3m/根的。

4.3 錨固力的計(jì)算

例如用16噸起吊梁吊起14噸綜采支架時(shí)，如圖4所示。從圖中可以看出，16噸起吊梁4個(gè)承載小車，中間兩個(gè)受力為3780kg，兩邊的小車承載力為3965kg。16噸起吊梁吊運(yùn)14噸支架在2m/根的軌道上運(yùn)行，吊掛點(diǎn)的吊掛受力分析圖如圖5所示。以吊掛點(diǎn)B點(diǎn)為例進(jìn)行受力分析，則可列出如下的方程式：

2T1=3965×（2-X） T1=3965-1982.5X

2T2=3780×（0.19+X） T2=359.1+1890X

2T3=3780×（X-1.62） T3=1890X-3061

則B點(diǎn)的吊掛力為TB=1797.5X+1263.1，當(dāng)X=1.81時(shí)受力最大為4517kg，按3倍的安全系數(shù)進(jìn)行計(jì)算，則吊掛點(diǎn)錨固力按3×4517=13551kg，按1.2的不均勻系數(shù)計(jì)算，則每根錨桿需要的錨固力為13551×1.2÷2=8130kg，故選用2根全螺紋等強(qiáng)錨桿吊掛，每根錨桿的錨固力需達(dá)到90kN。

5 實(shí)際使用中軌道扭曲斷裂的問(wèn)題分析

單軌吊機(jī)車在實(shí)際使用中，軌道系統(tǒng)主要存在扭曲斷裂問(wèn)題，分析產(chǎn)生的原因，主要有以下五點(diǎn)：（1）虛吊。當(dāng)軌道吊掛鏈不受力，即為虛吊。虛吊可分為靜態(tài)虛吊和動(dòng)態(tài)虛吊。吊掛鏈不受力，在機(jī)車運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，虛吊處很易造成沖擊而斷螺絲或斷吊耳；（2）折線點(diǎn)。即軌道不順直。主要原因是軌道不順直，無(wú)軌縫造成的；（3）起吊梁和軌道選用不合理，超負(fù)荷，例如選用3m/根軌道運(yùn)輸12噸支架，選用2.4m/根的軌道運(yùn)輸14噸綜采支架等；（4）運(yùn)行速度過(guò)快。斜坡坡度大時(shí)，運(yùn)行速度不合理；（5）斜坡吊鏈方向不對(duì)，斜坡時(shí)受力方向向下。

6 單軌吊機(jī)車的選型計(jì)算

6.1 圖表法

此方法試用于德國(guó)沙爾夫柴油機(jī)單軌吊車，只要知道單軌吊重量、起吊梁重量、載重物重量及運(yùn)行巷道最大坡度，查表即可得知需要的驅(qū)動(dòng)力及運(yùn)行速度。

6.2 計(jì)算法

此方法適用于電牽引單軌吊車，公式為F=（P+Q）（sinθ+μcosθ+i），式中：F為所需牽引力；P機(jī)車自重；Q起吊梁加起吊物的重量；μ摩擦系數(shù)取0.03；θ為巷道傾角；i為啟動(dòng)加速度，取0.08～0.1m/s。

7 機(jī)車選型應(yīng)注意的問(wèn)題

7.1 連桿長(zhǎng)短與曲線半徑的關(guān)系

單軌吊機(jī)車運(yùn)行過(guò)彎道時(shí)，各連接單元連桿與彎道曲線的夾角影響連桿長(zhǎng)度的選型。驅(qū)動(dòng)力設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)公式為Fmax=K×（0.2365-sinθ）kN，K取值為1072，當(dāng)連桿長(zhǎng)度為1m時(shí)，在6m曲線上運(yùn)行時(shí)，當(dāng)連桿長(zhǎng)度為1m時(shí)，連桿與曲線的夾角為3°，此時(shí)Fmax=198.856kN；當(dāng)連桿長(zhǎng)度150mm時(shí)，F(xiàn)max=89.512kN，故沙爾夫機(jī)車的連桿長(zhǎng)度都在1m以上，起吊梁與機(jī)車的連桿更長(zhǎng)。

7.2 驅(qū)動(dòng)馬達(dá)流量與驅(qū)動(dòng)力的關(guān)系

圖6所示為徑向柱塞式液壓馬達(dá)工作原理圖。當(dāng)壓力油經(jīng)固定的配油軸4的窗口進(jìn)入缸體3內(nèi)柱塞1底部時(shí)，柱塞向外伸出，緊緊頂住定子2的內(nèi)壁。由于定子與缸體存在一偏心距e，在柱塞與定子接觸處，定子對(duì)柱塞的反作用力為FN。力FN可分解為FF和FT兩個(gè)分力。當(dāng)作用在柱塞底部的油液壓力為P，柱塞直徑為d，力FF與FN之間的夾角為φ時(shí)，它們分別為：

FF=

FT=FFtanφ

力FT對(duì)缸體產(chǎn)生一轉(zhuǎn)矩，使缸體旋轉(zhuǎn)。缸體再通過(guò)端面連接的傳動(dòng)軸向外輸出轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速。

以上分析的是一個(gè)柱塞產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的情況。壓力油將作用在處于壓油區(qū)的若干柱塞（即處于上半圈的柱塞）的底部，這些柱塞上所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩均會(huì)使缸體旋轉(zhuǎn)，并輸出轉(zhuǎn)矩。徑向柱塞液壓馬達(dá)多用于低速、大轉(zhuǎn)矩的情況。

7.2.1 排量與轉(zhuǎn)速。液壓馬達(dá)的轉(zhuǎn)速取決于供油流量q和本身的排量V。由于液壓馬達(dá)內(nèi)部有泄漏，并不是所有進(jìn)入壓油馬達(dá)的液體都推動(dòng)液壓馬達(dá)做功，一小部分液體損失掉了，所以馬達(dá)的實(shí)際轉(zhuǎn)速要比理想情況低一些，即：

式中：是液壓馬達(dá)容積效率。

7.2.2 機(jī)械效率與轉(zhuǎn)矩。液壓馬達(dá)在工作中輸出的轉(zhuǎn)矩大小是由負(fù)載轉(zhuǎn)矩所決定的。當(dāng)液壓馬達(dá)進(jìn)、出油口之間的壓力差為、輸入液壓馬達(dá)的流量為q、液壓馬達(dá)輸出的理論轉(zhuǎn)矩為Tt、角速度為時(shí)，如果不計(jì)損失，輸入液壓馬達(dá)的液壓功率應(yīng)當(dāng)全部轉(zhuǎn)化為液壓馬達(dá)輸出的機(jī)械功率，即：

又因?yàn)?，q=Vn，所以液壓馬達(dá)的理論轉(zhuǎn)矩為：

T=

由于液壓馬達(dá)內(nèi)部不可避免地存在各種摩擦，實(shí)際輸出的轉(zhuǎn)矩T總要小于理論轉(zhuǎn)矩Tt，即：

T=Tt-=

式中：是由于各種摩擦造成的液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)矩?fù)p失；ηm是液壓馬達(dá)的機(jī)械效率。

7.2.3 總效率。

η===ηmηv

可見，液壓馬達(dá)的總效率等于機(jī)械效率與容積效率的乘積。

7.2.4 調(diào)速范圍。液壓馬達(dá)的調(diào)速比i用允許的最大轉(zhuǎn)速和最低穩(wěn)定轉(zhuǎn)速之比表示，即：

i=

顯然，調(diào)速比i寬的液壓馬達(dá)應(yīng)當(dāng)既有好的高速性能又有好的低速穩(wěn)定性。這樣當(dāng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)要求的調(diào)速范圍很寬時(shí)，要求液壓馬達(dá)能在較大的調(diào)速范圍內(nèi)工作，否則就需要增設(shè)變速機(jī)構(gòu)，但這會(huì)使傳動(dòng)機(jī)構(gòu)復(fù)雜化。

7.2.5 沙爾夫機(jī)車輸出轉(zhuǎn)矩的計(jì)算。T=Tt-=，T=R·F，R=0.17，則單個(gè)驅(qū)動(dòng)輪的驅(qū)動(dòng)力為：（1）選用565cm3馬達(dá)時(shí)，T=2230Nm，F(xiàn)=223÷0.017=1311kg，每套驅(qū)動(dòng)部?jī)蓚€(gè)驅(qū)動(dòng)輪，驅(qū)動(dòng)力為2×1311=2622kg，故標(biāo)稱24kN。隨著馬達(dá)排量的增大，驅(qū)動(dòng)力增大；（2）選用470cm3馬達(dá)時(shí)，T=1820Nm，F(xiàn)=182÷0.17=1075kg，每套驅(qū)動(dòng)部?jī)蓚€(gè)驅(qū)動(dòng)輪，驅(qū)動(dòng)力為2×1075=2150kg，故標(biāo)稱20kN；（3）選用468cm3馬達(dá)時(shí)，T=1800Nm，F(xiàn)=182÷0.175=1040kg，每套驅(qū)動(dòng)部?jī)蓚€(gè)驅(qū)動(dòng)輪，驅(qū)動(dòng)力為2×1040=2080kg，故標(biāo)稱20kN；（4）考慮磨損系數(shù)，一般馬達(dá)運(yùn)行6000小時(shí)后，壓力損失降低0.04～0.05之間，取0.05，則6000小時(shí)后驅(qū)動(dòng)部的計(jì)算驅(qū)動(dòng)力為565cm3馬達(dá)2490kg、470cm3馬達(dá)為2040kg、468cm3馬達(dá)為1976kg。

7.3 機(jī)車組列與驅(qū)動(dòng)力的關(guān)系

以DZ1800 3+3為例，綜采支架兩邊每側(cè)3套驅(qū)動(dòng)部時(shí)，三個(gè)驅(qū)動(dòng)部在前面拉，三個(gè)驅(qū)動(dòng)部在后面推，受力狀態(tài)良好，如果換成綜采支架全部推著向里進(jìn)，受力狀態(tài)極差。

8 結(jié)語(yǔ)

目前在國(guó)內(nèi)，在單軌吊軌道及機(jī)車的選型計(jì)算上還沒有一套規(guī)范的標(biāo)準(zhǔn)，各廠家均有所不同，以上以德國(guó)沙爾夫生產(chǎn)的單軌吊為基礎(chǔ)，介紹了一套單軌吊軌道及機(jī)車選型的計(jì)算方法，并結(jié)合實(shí)際對(duì)單軌吊的安裝應(yīng)用進(jìn)行分析，以供相關(guān)人員參考。

作者簡(jiǎn)介：徐紅光（1982-），男，江蘇贛榆人，淮南礦業(yè)集團(tuán)潘三礦機(jī)電工程師，研究方向：煤礦機(jī)電。

（責(zé)任編輯：蔣建華）