新型煤矿井下支架搬运拖车的设计及应用

丁仁政

(中国煤炭科工集团 太原研究院有限公司， 山西 太原 030006)

0 引言

我国煤矿综采工作面的搬家倒面时间一般占工作面正常生产时间的15%左右，而液压支架搬运时间占总搬家时间的70%以上，故综采工作面液压支架的搬运作业是制约矿井产量和效率的主要因素[1]。

目前，市场上出现不同类型的液压支架无轨辅运设备，如框架式支架搬运车、铲板式搬运车等，这些设备只适用于斜巷辅运方式，而对于立井辅运系统的适用性较差。因此，研究一种适用范围广、运输效率高、制造成本低的支架搬运设备是非常必要的，快换式支架搬运拖车就是解决此问题的一种理想设备。

1 我国煤矿井下液压支架搬运方式及特点

近年来，随着无轨辅助运输的快速发展，煤矿井下综采工作面液压支架的搬运作业主要通过使用防爆胶轮车整体运输来实现，这种运输方式充分保证了矿井的安全高效生产，大大提高了综采工作面液压支架的搬运速度及整个工作面的安撤效率，不仅减少了辅运人员数量，降低了工人劳动强度，而且提高了矿井综合效益和安全水平。目前斜井和立井开采矿井加液压支架的运输方式不同，各有其特点：采用斜井开采的矿井液压支架主要使用框架式支架搬运车和铲板式搬运车进行运输[2]。

1) 框架式支架搬运车。框架式支架搬运车主要采用U型框架对支架进行长距离运输，如图1所示，搬运车将支架从地面运送到工作面切眼处。框架式支架搬运车车型主要以澳大利亚工创集团和山西天地煤机装备有限公司研制的防爆支架搬运车为主。

2) 铲板式搬运车。铲板式搬运车是将支架从切眼处运送到工作面并安装，如图2所示，其车型主要以美国CAT、德国SANDVIK和山西天地煤机装备有限公司研制的铲板式搬运车为代表，分为蓄电池动力和防爆柴油机动力两种类型。

图1 框架式支架搬运车实样

图2 铲板式支架搬运车实样

采用立井开采的矿井，由于罐笼的尺寸要求(长度约5.2 m)，支架搬运车(长度约10 m)无法直接进入到罐笼内。这类矿井中，液压支架的搬运作业大部分采用地面拆解，通过罐笼转运到井下，在安装硐室对支架进行二次组装[3]，然后使用框架式支架搬运车，将其运输到工作面，或者先行运到工作面附近的硐室再进行组装。该类运输方式以山东兖矿集团济三煤矿为代表。

近几年，随着大型矿井的兴建，立井矿井的罐笼尺寸及提升能力也大大提高，罐笼运输长度尺寸达到8 m，提升能力达到65 t以上。为此，立井开采矿井的液压支架搬运方式也发生了改变，这些矿井惯用的支架搬运方法是在地面调整液压支架姿态(支架长度缩短，高度升高)，使支架具备合适的下罐外形，利用提升设备将液压支架吊装至支架运输平板车上，然后通过多功能铲运机与支架运输平板车快速连接，将液压支架与支架运输平板车直接拖至罐笼内，并转运至井下。在井下利用专门的转运换装台，将支架换装至框架式支架搬运车上，恢复液压支架姿态后，将其运输到工作面[4]，如图3所示。这种运输方式克服了框架式支架搬运车不能直接下罐的困难，解决了支架拆解运输带来的系列问题，有效缩短了液压支架的搬运周期，一定程度上提高了整个综采工作面的安撤效率。

图3 多功能铲运机+支架运输平板车实样

这种“多功能铲运机+支架运输平板车+框架式支架搬运车”的支架搬运方式的特点是：支架装卸困难，转运环节复杂，涉及到的设备复杂、人员较多，存在安全隐患，而且由于地面液压支架的存放地点距离远近不同，综采工作面辅运顺槽长度的差异及不同车辆的数量配比关系等因素，多功能铲运机、支架运输平板车、框架式支架搬运车等设备难以较为理想地并行使用，始终会存在个别设备处于待作业的状态，直接影响设备的使用率。此外，这种搬运方式还需在井下出罐附近设置专用的转运换装台，需要开拓换装空间，给矿井设计带来不便。

2 新型煤矿井下支架搬运拖车设计

2.1 支架搬运拖车适用范围及技术参数

支架搬运拖车是专门用来搬运液压支架的无轨辅运设备，它与多功能铲运机快速连接，采用独特的U型封底框架，配备大扭矩安全型制动装置，液压支架快速装卸系统，具有制造成本低、运输能力大、爬坡能力强、装卸方便、安全可靠等特点。这种支架搬运拖车不但可实现液压支架的长距离运输，而且也可用于斜巷运输矿井和立井运输矿井等各类矿井条件，尤其适用于配备大型罐笼的副立井辅运系统，可实现这种新型支架搬运方法的立井辅运条件下液压支架的整体快速搬运。

总体搬运思路是：在地面通过支架搬运拖车与多功能铲运机快速连接，将支架搬运至井口，然后将拖车及支架整体快速下罐，无需吊装、卸载、转运等环节，在井下通过其他铲运机与拖车快速连接，直接将支架运往工作面。可根据综采工作面液压支架的质量、罐笼的提升能力及罐笼尺寸，采用模块化手段，设计不同吨位级别的拖车，具体参数如表1所示。

2.2 支架搬运拖车结构组成及工作特点

支架搬运拖车的结构组成如图4所示。该拖车与多功能铲运机通过快换连接装置连接，其动力来源于多功能铲运机。支架搬运拖车以U型封底式箱型框架结构为基础，配备快速连接装置、三自由度铰接装置、升降装置、推移装置、牵引装置及制动装置等部件。

表1 支架搬运拖车技术参数

1-牵引装置； 2-推移装置； 3-升降装置； 4-制动装置； 5-三自由度铰接装置； 6-快换连接装置。图4 支架搬运拖车总体结构

1) 三自由度铰接装置。该装置可实现拖车的前后横向摆动及转动，保证整车行走的可靠性。

2) 升降装置。该装置采用竖直滑轨式导向结构，两个提升油缸与导向滑轨平行、竖直布置。该升降装置使支架拖车具备足够的提升能力，这种升降装置空间布置较为紧凑，节省了拖车横向布置空间，满足整车的外形尺寸要求。

3) 推移装置。该装置由2个独立的推移导向筒及油缸组成，推移能力大、推移行程长，便于将液压支架推出车厢。通过设计二级推移油缸及推移导向筒，使推移装置在具备推移能力的前提下，同时具备足够长的推移行程，满足液压支架的快速装卸需要。

4) 牵引装置。通过设计大绳力液压绞车，配合升降装置及推移装置实现拖运物件的快速装卸。

5) 制动装置。保证行车及驻车的安全性。这种由推移装置、升降装置、牵引装置组成的支架搬运拖车快速装卸系统，装架时，操作车辆将拖车倒车至支架滑靴处，操作升降装置落低U型框架托板，操作牵引装置伸出绳索将支架拉至U型框架内，顶紧推移装置，操作升降装置抬高U型框架托板，实现装架；卸架时，操作升降装置落低U型框架托板，释放牵引装置绳力，操作推移装置将支架推出U型框架，操作升降装置，抬高U型框架托板，实现卸架。

3 支架搬运拖车U型框架强度分析

U型框架是支架搬运拖车的主要承载机架，其前端通过三自由度铰接装置与多功能铲运机快速连接，后端通过升降装置与行走部分轮胎及制动装置连接，故拖车U型框架是整车运输过程中的最主要承载机构，其结构件的强度、刚度直接影响运输设备的可靠性。

支架搬运拖车采用U型框架封底式结构，主要用于煤矿综采设备的长距离快速搬运，车辆行驶速度快且运输设备均为大采高重型设备，加之井下运输环境十分恶劣，这些外界条件给U型框架的强度设计提出了很高的要求。针对这种工况，采用多体动力学分析手段，对左轮过障碍和右轮过坑工况进行受力分析，分析结果如图5、图6所示,对支架搬运拖车U型框架进行了优化设计，合理分配了拖车各系统质量，一方面满足了支架搬运拖车的承载要求，保证了拖车U型框架的强度，另一方面使拖车符合轻量化设计要求。

图5 U型框架动态受力曲线

图6 U型框架恶劣工况有限元分析应力云图

由图6应力云图可以看出，拖车U型框架最大应力值为210 MPa，位于升降装置油缸耳处，应力性质为拉应力，预选拖车材料的屈服极限为345 MPa，其安全系数较高，可满足实际需要。为提高局部区域的强度，部分板件材料采用了高强度板材。

4 实际试运行情况

在煤矿井下50 t级支架搬运拖车研制成功后，在鄂尔多斯地区某主斜井副立井煤矿进行了试运行，在24 d的时间内，完成了170台、重约45 t的综采液压支架搬运工作，相比其他搬运方式所需时间减少了21天，大大缩短了综采工作面的搬家倒面周期。

5 结论

本文基于斜巷及立井两种辅运类型，分析了我国目前支架搬运方式及特点，提出了一种采用新型支架搬运拖车的搬运方法，介绍了支架搬运拖车的适用范围、技术参数、结构组成及工作特点，校核了支架搬运拖车U型框架结构强度。实际应用表明，这种搬运方式使用设备单一、转运环节简单、参与人数较少，避免了安全隐患，提高了支架搬运效率，缩短了综采工作面的搬家倒面周期。