孫付偉，涂興子，康全玉

(1.河南理工大學 機械與動力工程學院，河南 焦作 454003；2.中國平煤神馬集團 平煤股份公司，河南 平頂山 467000；3.河南理工大學 電氣工程與自動化學院，河南 焦作 454003)

復雜巷道條件下無極繩連續(xù)牽引車系統(tǒng)的設計及應用

孫付偉1，涂興子2，康全玉3

(1.河南理工大學 機械與動力工程學院，河南 焦作 454003；2.中國平煤神馬集團 平煤股份公司，河南 平頂山 467000；3.河南理工大學 電氣工程與自動化學院，河南 焦作 454003)

無極繩連續(xù)牽引車在煤礦生產的運輸中具有重要的作用，但隨著煤礦產業(yè)的發(fā)展和開采條件的變化，在大傾角多轉彎的復雜巷道條件下，重型設備運輸的無極繩牽引車的應用需求亟待解決。以平頂山天安煤業(yè)有限責任公司的設備運輸系統(tǒng)為對象，開展超大傾角多轉彎無極繩連續(xù)牽引車系統(tǒng)的研究，設計了一種適用于復雜巷道的無極繩連續(xù)牽引車系統(tǒng)。通過2a的運行使用，結果表明，該裝置安全可靠、經濟性好、工作效率高，具有較高的應用價值和發(fā)展前景。

復雜巷道；無極繩連續(xù)牽引車；大傾角；多轉彎

無極繩連續(xù)牽引車在煤礦生產的運輸中具有重要的作用，其能夠進行長距離連續(xù)運輸，而且安裝方便、易于操作[1-2]。

在以往的設計中，工作面上下副巷利用無極繩絞車運輸，但運輸距離短，大多在1000m范圍之內，并且只能在坡度小，無轉彎的平直巷道運輸[3-4]。隨著地質構造的變化，現代化礦井工作面上下副巷已超過1500m，上下起伏坡度大，最大可高達30°，并且巷道變坡點和轉彎點多，條件復雜，現有的無極繩絞車已經無法滿足要求[5-6]。

本文研究能夠適應2～30°起伏變化，且多轉彎的復雜巷道安全連續(xù)運輸的無極繩連續(xù)牽引車系統(tǒng)，以此來實現礦用設備及材料的長距離連續(xù)運輸。

1 系統(tǒng)設計原則及結構

以平頂山天安煤業(yè)三礦有限責任公司十號井的設備運輸系統(tǒng)為對象，開展超大傾角多轉彎無極繩連續(xù)牽引車系統(tǒng)的研究。

該礦十號井己15-11140綜采工作面風巷如圖1所示。風巷全長1300m，垂直高差210m，巷道一路下坡，平均坡度16°，最大坡度30°。軌道運輸巷轉彎達5處之多，巷道330m處有120°左拐彎(圖1中①)，位于20°坡上；410m 處有120°右轉彎(圖1中②)，位于30°大坡上；510m處有165°右轉彎(圖1中③)；1060m有166°右轉彎(圖1中④)；1160m有152°右轉彎(圖1中⑤)。其特點為：巷道坡度較大，變坡點和轉彎點多，同時存在坡度大且轉彎的點。

圖1 十號井己15-11140綜采工作面風巷結構示意

根據平煤股份三礦十號井己15-11140綜采面風巷的環(huán)境條件，以及綜采面支架等大型綜采設備的運輸需要，超大傾角多轉彎無極繩連續(xù)牽引車系統(tǒng)設計原則：

(1)滿足運送綜采工作面支架等大型綜采設備的需要。軌距600mm，軌型24kg/m，最大載重為14t(含平板車)。

(2)重點解決巷道運輸距離長，坡度大、轉彎多的安全運輸問題。為了保證系統(tǒng)安全性，水平轉彎半徑不得小于9m；坡度起伏變化時要求坡度的垂直半徑大于15m。

(3)配置靈活，便捷安裝?？筛鶕\輸情況的變化配置不同輪組，尾輪可以根據運輸距離的長短而進行靈活移動。

(4)鋼絲繩張緊裝置的受力隨工況的變化而變化，采用分繩措施，提高鋼絲繩的使用壽命；在梭車上安裝儲繩結構，避免在使用過程中的鋼絲繩浪費；機構可靠，減少維護量。

根據超大傾角多轉彎無極繩連續(xù)牽引車系統(tǒng)的設計原則，構建的超大傾角多轉彎無極繩連續(xù)牽引車系統(tǒng)如圖2所示。圖中所示的絞車、梭車、運輸車、鋼絲繩張緊裝置及輪組構成了主機部分，控制裝置、保護裝置和鋼絲繩等構成了輔助配套部分。

圖2 無極繩連續(xù)牽引車系統(tǒng)

2 關鍵技術問題的解決措施

在大坡度且大轉彎的復雜條件下，為了更加有效地防止無極繩連續(xù)牽引車系統(tǒng)的梭車運行時發(fā)生掉道和翻車現象，對梭車進行改造，在梭車兩側安裝防脫軌裝置，使其能牢牢地控制住梭車，按指定的路線行駛，并且保障梭車車輪不向上浮離軌面。同時，研發(fā)了彎度為120°，坡度為30°的球面型軌道及彎道轉彎裝置。該軌道敷設時，改變常規(guī)的彎道處外軌道高于內軌道的方法，轉而抬高內軌道，使其高于外軌道一定值，根據彎道轉彎半徑計算出內軌道高于外軌道的值為35mm，這樣就有效地加大了設備對軌面的正壓力。為了解決彎道裝置安裝的穩(wěn)定性和強度，采用打地錨和地表層混凝土澆筑方法固定彎道裝置，解決了大坡度、大轉彎的復雜條件下的重達13t綜采支架的安全運輸問題。

2.1 彎道護軌裝置

由于巷道條件復雜，存在多處轉彎，為了保證運輸安全可靠，在轉彎處要安裝護軌裝置，而護軌裝置的數量根據轉彎角度的不同而不同,所設計的彎道護軌裝置如圖3，軌道加固方式如圖4。

圖3 彎道護軌裝置

圖4 軌道加固方式

2.2 轉彎裝置

彎道輪組和軌距之間存在一定的偏差，梭車通過彎道時，借助牽引板強制將鋼絲繩偏離輪組，待梭車通過后，由于張力的作用，鋼絲繩自行歸位[7-9]。所設計的轉彎裝置由轉向輪組、護軌裝置、壓繩裝置和軌枕組件等組成，其示意圖及實物圖分別如圖5和圖6所示。

圖5 轉彎裝置示意

圖6 轉彎裝置實物

轉彎裝置的長度取決于軌道的曲率半徑和巷道轉向角度，牽引力通過鋼絲繩將所受到的力分配到每個輪組上，而每個轉向輪所受到的力就取決于輪組的數量[10]，轉彎裝置受力分析如圖7所示，梭車受力分析如圖8所示。

圖7 轉彎裝置受力分析

圖8 梭車受力分析

每組轉彎裝置長度(即彎道長度)L為：

L=2πRα/360

(1)

式中，R為轉彎裝置平均曲率半徑；α為轉彎裝置轉彎角度，(°)。

通常每組轉彎裝置長度L=1m，鋼絲繩最大牽引力Fmax=120kN。假設梭車彎道平均曲率半徑R為12m，則轉彎裝置轉彎角度α為：

α=360/2πR=4.78(°)

(2)

由轉彎裝置受力分析圖7和梭車受力分析圖8可知，梭車轉彎時受到的向心力S為：

S=2Fsinα/2

(3)

式中，F為主繩牽引力，N。

為了預防梭車、材料車和設備車脫軌和掉道，保證梭車在彎道上正常運行，梭車運行的速度與主繩牽引力之間必須滿足如下關系：

2Fsinα/2-P=MV2/R

(4)

式中，M為梭車的質量，kg；V為梭車運行速度，m/s；P為梭車受到的離心力，N。

由公式(4)可知，當梭車以一定的速度在彎道裝置上正常運行時，為了防止梭車在彎道上向巷道內側掉道，轉彎時需要對梭車施加一個離心力P。離心力P與列車質量有關，與梭車運行的速度無關。通過調整梭車內外兩側軌道的高度來實現：內側軌道高于外側軌道，高低道處于向外側傾斜的巷道底板平面上，平面傾斜角為θ，則離心力P：

P=Mgsinθ

(5)

將公式(5)帶入公式(4)，可得：

2Fsinα/2-Mgsinθ=MV2/R

(6)

根據式(6)可推出梭車通過彎道時速度V：

(7)

將平煤股份三礦無極繩連續(xù)牽引車梭車在彎道上運輸時，轉彎裝置基礎參數和牽引鋼絲繩最大牽引力Fmax，代入上式得到梭車運行速度與梭車質量之間的關系：

(8)

由公式(8)可知，當轉彎裝置一定，梭車正常運行時，鋼絲繩牽引速度與梭車的質量成反比關系，隨著梭車質量的增加，梭車正常運行的速度將會減小。在重載和空載條件下，轉彎時梭車安全運行速度與梭車列車質量之間的關系如表1所示。一般情況下，梭車運行的平均速度為0.82m/s。所以為了保證轉彎時梭車列車的正常運行，除需要將彎道上的軌道向外側傾斜2～3°以外，還需要將每列重列車的質量控制在12～24t范圍內，這樣就能夠實現列車不掉道而保持安全運行。

表1 轉彎時梭車安全運行速度與梭車列車質量之間關系

2.3 梭車的防脫軌措施

隨著梭車不斷地向巷道深處運行，梭車滾筒中的鋼絲繩不斷減少，進而使得梭車的重量不斷變輕，在坡度變化比較大的位置，梭車被抬起，使梭車懸空脫軌，防止梭車脫軌的措施為：

(1)在梭車尾部加設1.2t配重調節(jié)梭車重量，同時在梭車底部兩側安裝防脫軌裝置，可以有效地避免脫軌事故的發(fā)生。改造后梭車如圖9所示。

(2)在巷道的低洼處(窩底)(如約20m18°下坡，緊接6～12°上坡)，布置壓繩輪組，防止鋼絲繩抬得過高而挑翻梭車。

3 結 論

礦用大傾角(30°)多轉彎無極繩連續(xù)牽引車系統(tǒng)，實現礦用設備及材料的長距離連續(xù)運輸，保證了設備與操作人員的安全性，效果良好。

圖9 梭車改造后示意

(1)研發(fā)了彎度為120°，坡度為30°的球面型軌道及彎道轉彎裝置。該軌道敷設時，內軌道高于外軌道一定值，有效地加大設備對軌面的正壓力。采用打地錨和地表層混凝土澆筑方法固定彎道裝置，保證其安裝的穩(wěn)定性和強度。

(2)通過采取在梭車尾部增加配重、在梭車底部兩側安裝防脫軌裝置、在巷道的低洼處布置壓繩輪組等措施，有效地防止了梭車脫軌，特別是在巷道坡度起伏變化大的點，有效地防止了梭車脫軌事故的發(fā)生，保證了梭車的正常運行。

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[責任編輯：周景林]

Design and Application of Endless-rope Continuous Tractor System Under Complex Roadway Situation

SUN Fu-wei1,TU Xing-zi2，KANG Quan-yu3

(1.School of Mechanical and Power Engineering，Henan Polytechnic University，Jiaozuo 454003，China；2.China Pingmei Shenma Corporation，Pingmei Co.，Ltd.，Pingdingshan 467000，China；3.School of Electric Engineering and Automation，Henan Polytechnic University，Jiaozuo 454003，China)

Endless-rope continuous tractor play an important role in transportation of mine production，but with coal industry development and mining geological situation variation，under complex roadway situation of large dip angle and many turning，its application of heavy transport equipment endless-rope continuous tractor should be solved timely.It taking equipment transport system of Pingdingshan Tian’an coal industry Co.，Ltd.，as example，and large dip angle and many turning endless rope continuous tractor system was studied，and then endless rope continuous tractor system that adapted to complex roadway situation was designed.After 2a operation，the results showed that the equipment is safety and good economical efficiency，high working efficient，it has large application value and development prospect.

complex roadway，endless-roper continuous tractor，large dip angle；many turning

2016-12-27

10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2017.03.012

平頂山天安煤業(yè)股份有限公司科技攻關項目：煤礦復雜井巷超大角度運輸系統(tǒng)研究與應用(NO.20144108110276)

孫付偉(1981-)，男，河南商丘人，講師，在讀博士，主要從事機械工程方面的研究。

孫付偉，涂興子，康全玉.復雜巷道條件下無極繩連續(xù)牽引車系統(tǒng)的設計及應用[J].煤礦開采，2017，22(3)：37-40.

TD527

A

1006-6225(2017)03-0037-04