林新元
(陽(yáng)泉煤業(yè)集團(tuán)翼城東溝煤業(yè)有限公司, 山西 臨汾 043500)
無(wú)極繩牽引車運(yùn)輸是一種符合我國(guó)煤炭開采國(guó)情的煤礦輔助運(yùn)輸系統(tǒng)。這種運(yùn)輸系統(tǒng)主要被運(yùn)用于煤礦井下工作面順槽、煤礦回風(fēng)巷、開采區(qū)上下山和井下集中軌道巷?,F(xiàn)有的井下軌道系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)直達(dá)運(yùn)輸,主要適用于一些距離較長(zhǎng)、存在大傾角、變坡多和大噸位運(yùn)輸?shù)能壍肋\(yùn)輸。該系統(tǒng)由設(shè)置在運(yùn)輸巷道內(nèi)的主動(dòng)輪[1],尾輪和繞過它們的鋼絲繩組成。在進(jìn)行工作時(shí),由電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)主動(dòng)輪轉(zhuǎn)到,利用摩擦力作為拉力驅(qū)使?fàn)恳K移動(dòng)。作為一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、維護(hù)容易和適應(yīng)性強(qiáng)的輔助運(yùn)輸系統(tǒng),它主要用于開采工作面設(shè)備、人員和材料的運(yùn)輸,包括一些大型設(shè)備如井下液壓支架的整體運(yùn)輸,井上調(diào)車和罐籠的運(yùn)輸。
無(wú)極繩連續(xù)牽引車運(yùn)輸系統(tǒng)取代了原來(lái)井下多部小絞車進(jìn)行交替運(yùn)輸?shù)姆绞剑瑢?shí)現(xiàn)了在井下工作人員、生產(chǎn)物料和煤礦設(shè)備的無(wú)轉(zhuǎn)載連續(xù)運(yùn)輸,減少了操作人員,簡(jiǎn)化了運(yùn)輸環(huán)節(jié),改善了井下空間,提高了運(yùn)輸?shù)陌踩煽啃?。但是通過多年實(shí)踐表明,目前無(wú)極繩連續(xù)牽引車運(yùn)輸系統(tǒng)還存在一些問題,如彎曲巷道的運(yùn)輸和彈繩現(xiàn)象。
目前,國(guó)內(nèi)大部分的無(wú)極繩連續(xù)牽引車在井下的布置如下圖1 所示。在該牽引系統(tǒng)中壓繩輪組[2]包括主壓繩輪組和副壓繩輪組。拉緊彈簧負(fù)責(zé)壓緊主壓繩輪組的繩輪,但是在受到外力時(shí)拉緊彈簧會(huì)主動(dòng)張開。副壓繩輪組是由安裝好的繩輪構(gòu)成,位置固定不能改變。由布置圖中可以看出,當(dāng)運(yùn)輸系統(tǒng)在井下坡度比較大和轉(zhuǎn)彎比較多的情況下,牽引鋼絲繩在牽扯車啟動(dòng)的瞬間會(huì)緊繃,在實(shí)際的生產(chǎn)作業(yè)中可能會(huì)發(fā)生彈出壓輪繩的現(xiàn)象(繩彈),這種狀態(tài)下緊繃的鋼絲繩會(huì)懸掛在巷道的頂端,離轉(zhuǎn)彎裝置很遠(yuǎn)以至于會(huì)影響到主機(jī)設(shè)備的操作。
當(dāng)井下地況復(fù)雜例如存在一些彎曲巷道時(shí),無(wú)極繩牽引車運(yùn)輸不能實(shí)現(xiàn)直接運(yùn)輸,需要搭配接力運(yùn)輸,布置一些人力和轉(zhuǎn)運(yùn)設(shè)備。不僅造成了人員的浪費(fèi),在實(shí)際生產(chǎn)作業(yè)中頻繁的摘鉤搭鉤操作也存在很多的安全隱患。
無(wú)論是彈繩現(xiàn)象還是彎曲巷道的裝載運(yùn)輸,無(wú)極繩連續(xù)牽引車運(yùn)輸系統(tǒng)都有很大的提升空間,為了解決這個(gè)技術(shù)難題,在總結(jié)分析國(guó)內(nèi)外相關(guān)系統(tǒng)和設(shè)備后,提出了以下無(wú)極繩連續(xù)牽引車壓繩輪、拐彎輪的技術(shù)改造。
圖1 無(wú)極繩連續(xù)牽引車布置圖
改造后的無(wú)極繩牽引車的壓繩輪包括托架、拉緊彈簧、轉(zhuǎn)軸和繩輪[2],該裝置的主要目的是將工作中的鋼絲繩壓住并且提供導(dǎo)向作用。
對(duì)工作中的壓繩輪裝置進(jìn)行受力分析,假設(shè)將其安裝在平緩沒有坡度變化的巷道內(nèi)。該裝置受力結(jié)構(gòu)圖如下頁(yè)圖2 所示,如圖所示將向上的鋼絲繩彈力設(shè)為F,該彈力作用線距離裝置的轉(zhuǎn)軸中心為D。彈簧1、2 的預(yù)緊力為F1,F(xiàn)2,它們的作用線距離轉(zhuǎn)軸中心為D1,D2在這里研究時(shí)忽略壓繩輪的自重,則作用于壓繩輪的總力矩M為:
圖2 壓繩輪裝置結(jié)構(gòu)受力圖
從上式中可以看出:當(dāng)M≥0 時(shí),裝置的壓繩輪處于壓緊狀態(tài),當(dāng)M<0 時(shí),就會(huì)被分開,鋼絲繩彈出。
針對(duì)有一定坡度的巷道,對(duì)其進(jìn)行受力分析:將壓繩角設(shè)置為α,井下巷道的坡度為β,這時(shí)繩輪上鋼絲繩產(chǎn)生向上的彈力:
當(dāng)裝置處于靜止?fàn)顟B(tài)時(shí),T=鋼絲繩預(yù)緊力,當(dāng)裝置開始工作時(shí)動(dòng)態(tài)時(shí),T=鋼絲繩牽引力。在井下巷道中,坡度β 越大,裝置的壓繩角α 越大,那么F隨之也就越大。由公式(3)可以看出,當(dāng)裝置處于靜態(tài)時(shí),由于預(yù)緊力T很小,所以一般不會(huì)發(fā)生繩彈現(xiàn)象,但當(dāng)裝置開始工作,預(yù)緊力變?yōu)闋恳Σ⑶宜查g變大,彈力F也隨之變大。這時(shí)位于繩輪的鋼絲繩肯會(huì)直接推動(dòng)輪緣,鋼絲繩也隨之彈出。
為了避免在啟動(dòng)和運(yùn)行時(shí)的繩彈現(xiàn)象,將現(xiàn)有壓輪繩的拉緊彈簧進(jìn)行改造,設(shè)計(jì)為兩個(gè)并聯(lián)的完全一樣的彈簧,這時(shí)拉緊彈簧的拉力變?yōu)? 個(gè)并聯(lián)彈簧拉力的總和,即:
式中:用k來(lái)表示彈性系數(shù),使用Δx來(lái)表示彈簧發(fā)生的形變。在公式(3)中的T等于公式(1)中的F1和公式(2)中的F2。根據(jù)公式(3),在壓繩裝置中可以根據(jù)系統(tǒng)牽引車在開始工作時(shí)產(chǎn)生的瞬時(shí)彈力數(shù)值和對(duì)應(yīng)的彈性安全系數(shù)來(lái)布置比較適合的拉緊彈簧。
在井下現(xiàn)場(chǎng)布置壓繩裝置時(shí),首先根據(jù)牽引系統(tǒng)的負(fù)載要求確定具體位置。當(dāng)需求負(fù)載比較大[3]時(shí)將壓繩之間的距離縮小,負(fù)載小時(shí)增大壓繩裝置間的距離。采用分離式的壓繩裝置,當(dāng)梭子和梭車通過之后將雙彈簧復(fù)位,目的是為了將梭子側(cè)的鋼絲繩壓住,保證梭子在之后可以正常通行。
為了實(shí)現(xiàn)牽引車在井下轉(zhuǎn)彎巷道中的連續(xù)運(yùn)輸,保證在拐彎軌道中主副鋼絲繩的正確位置,在現(xiàn)有的轉(zhuǎn)彎裝置上安裝可以定位鋼絲繩位置的導(dǎo)向裝置[4],防止鋼絲繩的游動(dòng),保證鋼絲繩可以準(zhǔn)確進(jìn)入牽引位置。同時(shí)沿巷道曲線的方向設(shè)置兩排的轉(zhuǎn)向輪組來(lái)確定鋼絲繩的位置,控制鋼絲繩的位置。為了防止?fàn)恳囀艿絺?cè)向拉力的影響,在裝置上設(shè)計(jì)組合結(jié)構(gòu)來(lái)平衡牽引車受到的水平側(cè)向拉力。
根據(jù)上述的設(shè)計(jì)方案,優(yōu)化后的牽引車拐彎輪系統(tǒng)包括內(nèi)外護(hù)軌、壓繩裝置、高強(qiáng)度軌枕組件和兩排可滾動(dòng)的轉(zhuǎn)向輪組。其中巷道護(hù)軌的作用是防止井下車輛在彎曲道路上發(fā)生斷車現(xiàn)象,一般采用槽鋼來(lái)起到加重道床作用。壓繩裝置在上文已進(jìn)行討論,在拐彎輪裝置中根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)需求,可以在前后端安裝2 到3 組。枕組組件與轉(zhuǎn)向輪組共同構(gòu)成轉(zhuǎn)彎裝置,要注意的是在安裝時(shí)要注意強(qiáng)度,防止受到牽引力的影響。轉(zhuǎn)向輪組為該優(yōu)化的主要組成部分,在將其固定在固定架上之后,目的是為了保證車輛的主繩可以在兩組轉(zhuǎn)向輪中工作,同時(shí)副繩則緊靠彎道轉(zhuǎn)外側(cè)的轉(zhuǎn)向輪運(yùn)行。在進(jìn)行井下運(yùn)輸梭車通過彎道時(shí),主繩被位于梭車前端的牽引板將從轉(zhuǎn)向輪強(qiáng)行移開,在完成通過后通過鋼絲繩的張力再自行恢復(fù)至轉(zhuǎn)向輪移動(dòng)。
通過對(duì)現(xiàn)有無(wú)極繩連續(xù)牽引車運(yùn)輸系統(tǒng)中出現(xiàn)的問題進(jìn)行分析,提出了在壓繩輪和拐彎論中的一些優(yōu)化建議。壓繩輪的優(yōu)化可解決在井下巷道中存在的繩彈現(xiàn)象,保證鋼絲繩平穩(wěn)安全的運(yùn)行,提高輪繩的使用壽命。優(yōu)化后的轉(zhuǎn)彎輪結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,在早期的安裝和后期的維修護(hù)理時(shí)也方便快捷,同時(shí)可解決在復(fù)雜多彎的巷道中需要接力運(yùn)輸?shù)膯栴},減少人力和其他設(shè)備的投入,提高了井下人員、物料的運(yùn)輸效率,有良好的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。