李國華，張 宏，陳 有，張志宏，付 政，孫小娟

(太原科技大學 機械工程學院，山西 太原 030024)

0 引 言

煤礦巷道中設備列車轉向一直是綜采設備運輸的主要難題之一。巷道內地質條件復雜，環(huán)境惡劣，巷道狹窄，設備眾多、繁重，設備列車從一個工作面轉到下個工作面時，掉轉車頭及在巷道中轉彎困難，需耗費大量人力物力，嚴重影響煤礦的生產效率以及危害工人的生命安全[1-3]。目前，國內各大煤礦企業(yè)針對設備列車回撤轉向開展了較多的研究，何威杰[3]采用階梯式布置方式對設備列車巷進行優(yōu)化來提高煤礦資源的回收率；楊德[4]從單通道設計，選擇從機尾向機頭順序雙掩護撤架法的回撤方法，在通道內支設垛式支架將綜采工作面的設備回撤，實現(xiàn)了快速搬家；石濤[5]在回撤通道中采用電液控制的垛式支架代替木垛在綜采快速搬家面形成端頭三角區(qū)支護，保證工人安全；董浩等[6]采用無軌膠輪輔助運輸配合輔助多巷道回撤工藝對綜采面設備回撤，提高了設備回撤速度；王臻[7]通過對工作面設備列車回撤通道布置方案分析，減少巷道的掘進工程，加快回撤速度；姚世林[8]研制了一種綜采拆除面回撤通道無軌活動式液壓支架滑行板，有效解決了支架在轉彎時耕地嚴重、向巷道下幫傾斜等難題；馬守富[9]利用原有廢棄空巷作為回撤巷道，采用下行回撤技術，解決了大傾角上行回撤絞車及鋼絲繩能力不足等問題；唐中亮等[10]通過對工作面的回撤條件、關鍵技術等方面的分析，制定合理的技術方案，保證了整個回撤過程中的安全；塔山礦利用大型液壓支架回撤吊車，簡化了設備回撤系統(tǒng)，完成了支架安全快速回撤機械化工序，解決了8107綜放工作面液壓支架回撤難題[11]；倪先杰等[12]通過優(yōu)化鋪網、回風巷道維護等工藝，實現(xiàn)了工作面高效回撤；文獻[13-17]選擇不同的參數作為約束條件對四連桿機構進行優(yōu)化，使得支架受力合理，增強了穩(wěn)定性。上述研究為支架的彎道轉向提供了一定的解決思路。

因此，筆者根據巷道實際情況，設計了一種自移軌道式液壓支架，該型液壓支架在巷道轉向時不需借助其他輔助巷道以及垛式支架，依靠自身的轉向機構即可完成巷道轉彎，為綜采工作面設備列車的快速轉彎提供了有效的解決方法。

1 自移軌道式液壓支架轉向工作原理

圖1所示為自移軌道式液壓支架轉向機構布置圖，轉向機構分為前、后轉向機構，轉向機構包括轉向壓緊千斤頂、轉向箱體、轉向油缸，轉向箱體布置在支架底座的左右軌道之間；轉向壓緊千斤頂以對稱方式安裝在支架底座的前后端的兩側，通過滑板與轉向箱體連接；轉向油缸與底座、轉向箱體通過耳板和銷軸鉸接，轉向油缸與底座存在一定的傾斜角度。A為軌道前端點，B點為軌道后端點，C為自移軌道式液壓支架中心點，D為后轉向箱體的中心點，K為兩軌道之間的寬度距離，L為兩轉向油缸之間的距離，a為后轉向油缸與軌道后端距離，b為前轉向油缸與軌道前端距離，d為后轉向箱體中心與軌道后端距離，f為后轉向油缸與后轉向箱體中心距離。

該型支架轉向時，前后轉向壓緊千斤頂同時向下伸出，將轉向箱體壓緊在地面，轉向油缸活塞桿伸出，推動支架轉動一定的角度，然后轉向油缸活塞桿縮回，轉向壓緊千斤頂活塞桿縮回，完成了一次轉向。重復交替循環(huán)，完成支架所需的轉向角度。

支架邁步前進時，首先抬底千斤頂活塞桿帶動滾輪伸出，滾輪將軌道壓在地面上，并將支架前端提起一定的高度；隨后，步進油缸活塞桿伸出，推動支架向前移動，滾輪在軌道上滾動相應的距離；然后，抬底千斤頂活塞桿帶動滾輪離開軌道；最后，步進油缸活塞桿縮回帶動軌道向前移動相同距離；至此自移軌道式液壓支架移動了一個步長。重復交替循環(huán)實現(xiàn)邁步前進。

自移軌道式液壓支架在彎道轉向時需要轉向結構和步進結構共同配合完成，以帶動整個設備列車實現(xiàn)轉向和邁步前進。

2 轉向物理模型理論計算

自移軌道式液壓支架在牽引設備列車時主要有兩種情況需解決，一種是在一個工作面工作完之后，自移軌道式液壓支架本身需要掉轉車頭方向，帶動設備列車到下一個工作面，即自移軌道式液壓支架本身原地旋轉；另一種是自移軌道式液壓支架帶動設備列車在巷道內轉彎，轉到另一巷道內。

轉向油缸工作循環(huán)與水平面的關系如圖2、圖3所示，轉向壓緊千斤頂沒有將轉向箱體下壓時，前、后轉向油缸與水平面的夾角分別為α1、β1；當轉向壓緊千斤頂工作將轉向箱體下壓h高度時，兩轉向油缸與水平面的夾角分別為α2、β2，兩轉向油缸工作的伸縮行程為l。

圖3 后轉向油缸工作循環(huán)與水平面的關系Fig.3 Relationship between working cycle of rear steering cylinder and horizontal plane

自移軌道式液壓支架本身原地旋轉，以C點為基點，前、后轉向油缸的活塞桿同時反方向伸出，推動支架轉動，實現(xiàn)原地旋轉，故：

自移軌道式液壓支架前、后轉向油缸的橫向位移x1、x2為：

(1)

A、B兩點的位移為：

(2)

自移軌道式液壓支架原地旋轉的角度：

(3)

式中：ε1、ε2為原地旋轉和帶動設備列車在每次轉過的角度。

自移軌道式液壓支架帶動設備列車在巷道內轉彎時，以D點為基點，后轉向油缸不工作，由前轉向油缸推動自移軌道式液壓支架前端轉動，故：

自移軌道式液壓支架前轉向油缸的橫向位移x1為：

lcosα2=x1

(4)

故，A、B、C三點的位移XA、XB、XC為：

(5)

自移軌道式液壓支架巷道彎道轉過的角度：

(6)

3 設備列車轉向碰撞模型

本文所研究設備列車轉彎所處的空間環(huán)境狹窄，巷道寬度基本為X(3.6～4.0 m)，巷道轉彎處的角度為90°，為了使設備列車按照既定軌跡強制轉向，在巷道底板安裝了地錨，并將地錨布置在半徑為R(10 m)的圓弧上，圓弧與巷道轉彎處相切，每個地錨的前后距離為t(0.8 m)，呈等距排布。設備列車主要由平板車組成，可以裝運材料、泵站、變壓器等，本文簡稱為1號車、2號車、3號車等，布置如圖4所示。

圖4 設備列車巷道轉向布置示意Fig.4 Schematic of turning arrangement of equipment train

自移軌道式液壓支架帶動設備列車在巷道轉彎時，設備列車會與地面上的地錨發(fā)生碰撞，考慮設備列車碰撞的一般性，以一節(jié)設備列車與單個地錨碰撞為例，假定在很小范圍的碰撞，忽略其他非碰撞區(qū)域的結構性能變化，設備列車與地錨都是剛體，碰撞瞬間沖擊力在兩者之間同步傳遞[18]。

假定設備列車的切向前進速度Vε,法向橫移速度Vn，設備列車的質量為M，碰撞點O的坐標為(xo,yo),設備列車的重心坐標為(xa,ya)；如圖所示，以地樁的重心為坐標原點，設備列車與地錨法向碰撞力Fn,切向碰撞力Fε，設備列車前進方向與x軸的夾角為α，因為設備列車側面為平面，所以列車前進方向與碰撞點處的切向方向相同，如圖5所示。

圖5 設備列車碰撞Fig.5 Collision of equipment train

在碰撞力F作用下，設備列車的運動方程可表達為：

(7)

則設備列車的運動加速度為：

(8)

根據Hertz接觸碰撞理論[19-20]，可知碰撞力F為：

(9)

式中，K1、K2分別為兩物體的接觸剛度；R1、R2分別為兩物體碰撞處的曲率半徑；δ為變形量。

由于地錨始終是靜止狀態(tài)，故碰撞前后的速度始終為0，碰撞開始(t=0)，設備列車的速度為：

(10)

碰撞后(t=T)，地錨與設備列車相互黏在一起，成靜止狀態(tài)，不產生相互作用力，故：

VT=0

(11)

由沖量定理可知設備列車與地錨相互作用的時間為：

FΔt=MV0-MVT

(12)

(13)

4 交替循環(huán)自移軌道式液壓支架設計及虛擬試驗

4.1 液壓支架三維模型

根據轉向機構以及設備列車碰撞模型的計算分析，設計了如圖6所示的自移軌道式液壓支架，其主要組成部分為：步進結構、舉升撐頂結構、防側傾結構以及轉向結構。步進結構包括底座、左右軌道、步進油缸、抬底千斤頂；舉升撐頂結構安裝在底座上，包括前連桿、后連桿、掩護梁、頂梁以及雙伸縮立柱，各部件之間使用銷軸鉸接；轉向結構安裝在支架的前后兩端，分為前轉向和后轉向機構，前、后轉向機構各有1個轉向箱體、2個轉向壓緊千斤頂以及1個轉向油缸。

圖6 自移軌道式液壓支架Fig.6 Self-moving orbit hydraulic support

4.2 虛擬試驗運動軌跡分析討論

將支架和設備列車三維模型導入ADAMS進行仿真，通過仿真分析得到如下2組自移軌道式液壓支架關鍵點的路徑軌跡圖。圖7所示為支架原地旋轉A、C兩點所形成的路線軌跡。圖8所示為支架帶動設備列車在直角巷道內轉彎A、B兩點的路線軌跡。

圖7 自移軌道式液壓支架原地旋轉Fig.7 In-situ rotation of self-moving rail type hydraulic support

圖8 自移軌道式液壓支架帶動設備列車直角轉彎Fig.8 Self-moving rail type hydraulic support drives equipment train to quarter turn

圖7中橫移代表支架左右朝向坐標，縱移代表支架前后朝向坐標；圖7a為A點原地旋轉時在地面形成的軌跡路線，以旋轉基點C為圓心，半徑為A、C兩點之間距離的軌跡半圓，約為2 700 mm；B點軌跡與A點相似，也是以旋轉基點C為圓心，以B、C兩點之間的距離為半徑，因在原地旋轉時B點的旋轉方向與A點相反，故兩者的半圓開口方向相反。圖7b中C點路線軌跡是半徑約為30 mm的軌跡半圓，說明原地旋轉時C點的位置每次都會有所變化，只是變化的幅度較小。

圖8中橫移x代表支架在原直行巷道中的坐標，縱移y代表支架在轉彎直角中的坐標；圖8a是A點軌跡路線，因A點在支架前端，距離旋轉基點D最遠以及支架在轉彎過程中需要靠步進油缸改變行程來調節(jié)支架方向，故每次轉向油缸工作之后A點的偏轉幅度較大，所以其軌跡路線曲折程度最大；圖8b是B點的軌跡路線，從圖中也可看出B點的轉彎曲率半徑約為1 000 mm，軌跡路線與彎道形似；C點位于支架中心位置，形狀與B點軌跡相似。

對比自移軌道式液壓支架原地旋轉和帶動設備列車轉彎的兩組軌跡路線圖可知，原地旋轉時，前、后轉向油缸及每次工步的行程都相同，所以A、B、C三點的軌跡路線都是光滑的曲線；而帶動設備列車轉彎時，只有前轉向油缸工作推動支架旋轉，可通過改變每次前轉向油缸和步進油缸工作的行程調節(jié)支架方向，使其更好地帶動設備列車通過彎道。

圖9為2號設備列車與地錨相碰撞時的碰撞力變化情況，1、3號車與地錨相碰撞時，因其他外界因素的影響導致碰撞力不穩(wěn)定，偏差較大，不能很好反映列車與地錨的碰撞情況；從圖中可以看出兩者相碰撞的時間很短只有0.6 s左右；相碰撞時力瞬間上升到最高120 000 N，隨著碰撞時間的推移碰撞力逐漸下降，平均碰撞力為60 000 N左右。

圖9 設備列車與地錨碰撞力Fig.9 Collision force between equipment train and ground anchor

圖10為2號設備列車與地錨碰撞時對應的列車速度變化情況，設備列車與地錨碰撞平均速度約450 mm/s，兩者分離之后，列車速度有一瞬間達到最高650 mm/s，列車也依然向前行駛了一段距離。

圖10 設備列車碰撞速度Fig.10 Equipment train collision speed

5 結 論

1)設計了一種交替循環(huán)自移軌道式液壓支架，通過仿真試驗，說明該支架能夠實現(xiàn)設備列車在巷道內的彎道轉向，具有重要的實際意義。

2)支架原地旋轉只需保持轉向油缸的行程一致，即可實現(xiàn)支架原地旋轉；帶動設備列車轉彎過程中，需要在每一步轉向步進中改變轉向油缸和步進油缸的活塞桿伸縮行程來，微調自移軌道式液壓支架的方向，使其能安全的通過彎道。

3)該型液壓支架帶動設備列車按照既定軌跡強制轉彎可通過支架軌道、設備列車與巷道底板地錨碰撞實現(xiàn)，與地錨的平均碰撞力約為60 000 N，平均速度約為450 mm/s。