王 剛

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)四臺礦輔運(yùn)科， 山西 大同 037000）

引言

目前，井下煤礦常用的輔助運(yùn)輸設(shè)備有氣動單軌吊、卡軌車、無軌膠輪車、柴油機(jī)單軌吊等，其中單軌吊主要吊掛在頂板軌道上行駛，對地板沒有特殊要求，且該設(shè)備機(jī)動性好、爬坡能力也比較強(qiáng)，能夠很好地適應(yīng)巷道[1]。氣動單軌吊組成部分有氣動控制結(jié)構(gòu)、氣動電葫蘆、承載小車、動力結(jié)構(gòu)以及連接桿等，動力結(jié)構(gòu)主要提供驅(qū)動力；承載小車在軌道上行走，行走小車包含兩對行走輪，在位于承載小車兩端的連接孔可利用連接桿與提升裝置、制動裝置相連接[2]；連接桿在承載小車之間、動力結(jié)構(gòu)與承載小車之間相連接；氣動葫蘆可用于提升貨物，并依靠氣動葫蘆進(jìn)行提升和下降動作。氣動單軌吊自身帶有氣動馬達(dá)，是借助氣動馬達(dá)來驅(qū)動運(yùn)輸體系上的吊運(yùn)車，并依靠驅(qū)動輪，機(jī)車在軌道的腹板上壓緊，在摩擦力作用下牽引機(jī)車動作[3]，因此，氣動單軌吊不僅可以應(yīng)用于巷道內(nèi)的短途運(yùn)輸，也可以應(yīng)用于礦井下料場至毛干、迎頭物料的運(yùn)輸。鑒于氣動單軌吊在煤礦井下輔助運(yùn)輸中具有明顯的優(yōu)勢[4]，本文對氣動單軌吊制動系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)研究，旨在提高其輔助運(yùn)輸效率，進(jìn)而保證礦井下人員和設(shè)備的安全。

1 礦用氣動單軌吊的組成及工作原理

氣動單軌吊包含有承載和運(yùn)輸系統(tǒng)，其中，對于運(yùn)輸系統(tǒng)，包含有制動系統(tǒng)、夾緊系統(tǒng)和行走系統(tǒng)，主要功能是執(zhí)行機(jī)車的行走、制動等動作，運(yùn)輸系統(tǒng)中的這三個(gè)子系統(tǒng)相互協(xié)作配合，一起完成井下輔助運(yùn)輸工作[5]。對于承載系統(tǒng)，包含有氣動葫蘆、承載小車和連接組件等，主要功能一是升降吊掛的負(fù)載；二是收放氣管管路[6]。

單軌吊運(yùn)輸系統(tǒng)工作機(jī)理是：啟動工作時(shí)，通過來源于夾緊系統(tǒng)的夾緊力，將驅(qū)動輪緊緊壓在軌道上，執(zhí)行行走工作時(shí)，進(jìn)氣給制動氣缸的有桿腔，使氣缸收縮，制動彈簧壓縮蓄能，制動動作解除，氣動馬達(dá)帶動驅(qū)動輪轉(zhuǎn)動，機(jī)車進(jìn)行行走動作。執(zhí)行制動動作時(shí)，氣動馬達(dá)停止動作，停轉(zhuǎn)驅(qū)動輪，使制動缸活塞桿伸出，展開制動彈簧，使制動輪緊緊壓在軌道上，機(jī)車完成制動動作[7]。

2 氣動單軌吊制動系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

礦用井下氣動單軌吊制動方式是應(yīng)用失效安全型，在機(jī)車出現(xiàn)正常停機(jī)或者忽然停止供氣的情況時(shí)，制動彈簧作用使制動輪與軌道腹板緊貼，借助軌道和制動輪間的摩擦力作用完成制動動作。氣動單軌吊制動系統(tǒng)使用兩組制動裝置，其應(yīng)用杠桿原理結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，且分別位于驅(qū)動部機(jī)架的兩端位置，不僅制動力大，且占用空間小。因此，制動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)由制動輪、制動氣缸、制動臂、制動彈簧、推桿與連接件等部分組成。

本文首先對氣動單軌吊制動系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，其系統(tǒng)設(shè)計(jì)圖如圖1 所示。其中，1 是應(yīng)用井下氣源為系統(tǒng)動力源，主要供應(yīng)井下所需的壓力氣體；2 是二位五通氣控?fù)Q向閥，主要通過氣控回路對換向進(jìn)行控制[8-10]；3 是梭閥；4 是制動氣缸；5 是氣控回路；6 是快速放氣閥。當(dāng)機(jī)車行駛時(shí)，注入壓力氣體給氣控回路，使右位換向閥工作，并將其輸出的氣源壓力氣體給入梭閥3.1 和3.4，再經(jīng)其給入制動氣缸4.1 和4.2 有桿腔，同時(shí)，縮回制動缸活塞桿，使制動彈簧蓄能壓縮，制動動作解除。當(dāng)機(jī)車制動時(shí)，停止供氣給氣控回路，使左位換向閥工作，將輸出的氣源壓力氣體給入梭閥3.2 和3.3，再給入制動缸的無桿腔，同時(shí)，伸出制動缸活塞桿，使制動彈簧展開，制動輪壓緊軌道，制動動作完成。

圖1 氣動單軌吊制動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

3 氣動單軌吊制動系統(tǒng)的模擬應(yīng)用

本文對氣動單軌吊制動系統(tǒng)設(shè)計(jì)后，并對其進(jìn)行模擬研究，用來驗(yàn)證系統(tǒng)設(shè)計(jì)的合理性以及制動系統(tǒng)的各項(xiàng)特性。模擬參數(shù)設(shè)置為時(shí)間25 s，步長0.01 s，針對其應(yīng)用失效安全型的制動模式，從制動動作起進(jìn)行模擬研究。具體過程是：最開始為制動狀態(tài)，0～5 s機(jī)車制動解除，此時(shí)換向閥氣控位工作，縮回制動活塞桿，制動輪離開軌道，機(jī)車執(zhí)行行走動作；5～10 s是行走過程，制動活塞桿持續(xù)為縮回動作，機(jī)車行走在軌道上；10～15 s 是機(jī)車制動過程，利用制動彈簧、制動缸的彈力和推力作用，機(jī)車迅速制動；15～20 s機(jī)車從制動動作直接到行走動作。模擬機(jī)車在不斷啟停動作工況下，其制動系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

由圖2 和圖3 可知，機(jī)車制動動作解除時(shí)，縮回制動缸活塞桿，并使制動彈簧壓縮，僅用1.5 s 的時(shí)間就可實(shí)現(xiàn)制動彈簧的壓縮蓄能，此過程中，活塞運(yùn)行平穩(wěn)，速度值只在小范圍內(nèi)波動，且并未形成大幅度的變化趨勢，對制動缸及其機(jī)體結(jié)構(gòu)的沖擊力較小。在5～10 s 行走過程中，制動彈簧始終處于壓縮位置，且制動彈簧速度是0，位置沒有發(fā)生變化，系統(tǒng)穩(wěn)定。

圖2 制動彈簧位移變化曲線

圖3 活塞速度變化曲線

圖4 和圖5 中，制動氣缸無桿腔和有桿腔壓力上升平穩(wěn)，表明系統(tǒng)的穩(wěn)定性較強(qiáng)。此外，對比上述圖可知，在10～15 s 機(jī)車制動中，進(jìn)氣給入制動缸無桿腔，在0.8 s 內(nèi)制動彈簧展開，速度比較快，滿足要求。此過程中，制動缸無桿腔和有桿腔的壓力變化不大，有桿腔壓力由0.58 MPa（5.8 bar） 降至0.42 MPa（4.2 bar），下降平穩(wěn)；而無桿腔壓力由0.1 MPa（1 bar）升至0.16 MPa（1.6 bar），變化較小，主要原因是因?yàn)橐揽恐苿訌椈商峁┑闹苿恿硗瓿芍苿觿幼鳎虼?，整個(gè)過程中壓力比較穩(wěn)定。且從圖5 還可看出，前后腔間的壓差變化幅度不大。在15～20 s 機(jī)車解除制動中，轉(zhuǎn)換期間活塞速度波動范圍在15 mm/s 之間，大小平穩(wěn)，基本不影響制動系統(tǒng)的沖擊結(jié)構(gòu)。有無桿腔壓力變化曲線均較平滑，其中，有桿腔壓力穩(wěn)定上升至0.7 MPa（7 bar），基本不再變化，且在解除制動后，壓差呈現(xiàn)上升變化曲線，穩(wěn)定在0.55 MPa（5.5 bar）不變化，滿足設(shè)計(jì)要求。

圖4 制動氣缸無桿腔和有桿腔的壓力變化曲線

圖5 制動氣缸無桿腔和有桿腔的壓差變化曲線

4 結(jié)論

礦用氣動單軌吊屬于井下輔助運(yùn)輸中比較重要的設(shè)備，為提高其井下運(yùn)輸能力，本文對氣動單軌吊制動系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，并對其制動系統(tǒng)設(shè)計(jì)的合理性及其各項(xiàng)特性進(jìn)行研究，驗(yàn)證其應(yīng)用效果，結(jié)論是：

1）通過對單軌吊制動彈簧位移、活塞速度以及制動缸壓差變化情況進(jìn)行分析，曲線變化均比較平穩(wěn)，且沒有出現(xiàn)大的波動現(xiàn)象。

2）機(jī)車制動系統(tǒng)制動過程滿足要求，且行走、制動過程系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，能夠有效實(shí)施制動、行走動作。