矿用新型支架搬运拖车的设计分析

姜圣贤

（山西潞安环保能源开发股份有限公司五阳煤矿， 山西 长治 046205）

引言

国内煤矿工作面正常生产时间的15%是井下综采工作面的搬家倒面时间，而超过70%的总搬家时间均为液压支架运输时间，所以制约矿井产量和效率的最主要、最关键的因素就是综采工作面中液压支架的搬运效率。

近来市场上出现了适用于斜巷辅运的铲板式搬运车、支架搬运车等不同种类的无轨式的液压支架辅运设备，但是不适用于立井辅运方式。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 国内主流井下液压支架运输方式和特征

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，极大地减少了辅运人员的人数，有效降低了井下人员的劳动强度，不仅提高了综采工作面的运输速度和安撤效率，还提高了矿井作业的安全水平，降低了成本，提高了收益。目前斜井和立井开采矿井液压支架的运输方式不同。适用于斜井的液压支架主要包括两种方式：框架式支架搬运车和铲板式搬运车[1]。

框架式支架搬运车如图1所示。支架长距离运输且采用U型框架的框架式支架搬运车，支架从地面经搬运车运输，被运至工作面的切眼位置。其中，框架式支架搬运车车型是产自山西天地煤机装备有限公司澳大利亚工创集团的防爆支架搬运车。

铲板式搬运车如图2所示。支架在切眼位置，经铲板式搬运车，被运输至工作面后安装。其中的车型主要是产自美国CAT、山西天地煤机装备有限公司以及德国SANDVIK的铲板式搬运车，其动力装置主要包括防爆柴油机和蓄电池两种类型。

图1 框架式支架搬运车实样

图2 铲板式支架搬运车实样

因为立井开采矿井中具有对罐笼尺寸的要求，一般为5.2 m，此时，长为10 m左右的支架搬运车没有办法进入罐笼。在该种情况下，基本借助地面拆解的方式进行液压支架搬运，通过罐笼被转运到井下硐室并进行再次安装，经框架式支架搬运车把它运输到工作面，或者附近的硐室进行二次组装。使用该运输方式的代表企业有山东兖矿集团和集散煤矿。

近几年兴建了很多大型的矿井，立井矿井的提升能力和罐笼尺寸也得到逐渐改善，比如，提升能力实现65 t，罐笼运输的长度尺寸实现增长至8 m。因此，也改变了立井矿井中液压支架的搬运方式，其传统的支架搬运方式通常是在地面调整液压支架姿态（支架长度缩短，高度变高），使得对应的支架获得适用的下罐构造，经过提升设备的运输，将对应的液压支架运至平板车上，之后，经过功能齐全的铲运机与相应运输平板车的耦合连接，在较短时间内，将支架和对应的支架运输平板车直接运送到相应的罐笼内，同时转运到井下。通过井下专门的转运换装台，把支架换装到框架式支架搬运车中，等到液压支架姿态恢复之后，再把其运输到工作面，如图3所示。该运输方式能够有效避免框架式支架搬运车无法直接下罐的问题，能够充分解决由于支架拆解运输产生的问题，整个综采工作面经此操作，其安撤效率得到了很大的提高，并且相应液压支架的运输周期极大地缩短。

图3 多功能铲运机+支架运输平板车实样

对应涉及的支架搬运方式，包括“框架式支架搬运车+铲运机+支架运输平板车”三部分，具有如下特征：支架装卸比较困难，转运环节和设备比较复杂，涉及的人员比较多，容易发生安全隐患。与此同时，出于地面液压支架存放地点的远近距离不等的原因，设备的使用效率还会受到以下因素的直接影响：辅运顺槽的长度因综采工作面不同而出现差异、不同车辆和车型数量不匹配、框架式支架搬运车和多功能铲运机等个别设备处于等待工作的运行状态，不能够对其高效使用。除此之外，该搬运方式还要求在井下出罐附近额外设置专用的转运换装台，并且开拓换装空间，这为矿井的设计增添了较多的要求，不便于设计。

2 新型支架搬运拖车的设计分析

2.1 支架搬运拖车应用的相关范围

支架搬运拖车是一个无轨辅运设备，用于搬运液压支架，能够实现快速连接多功能铲运机。其中，借助独特的U型封底框架，配置快速装卸液压支架系统以及大扭矩安全型制动装备，具有如下优点：低制造成本、大运输能力、强爬坡能力、安装简便、操作简单可靠等。该类型的支架搬运拖车一方面能够达到液压支架长距离运输的目标，另一方面能适用于多样化条件的矿井，比如立井运输矿井、斜巷运输矿井等，特别是适用于配备大型罐笼的副立井辅运系统，能够在该新型支架搬运方法的立井辅运条件下快速搬运液压支架。这种搬运设备的主要思路如下：支架在地面时，经支架搬运车与多功能铲运车的高效运转被运至矿井口，将整个支架和拖车所组成的一个整体装入罐中，在避免了吊装、卸载、转运等环节的情况下，经其他铲运机和拖车的高效运转和配合，将支架直接运送至所处的工作面。与此同时，结合综采工作面液压支架的质量、罐笼的尺寸及提升能力，借助模块化的方式，设计具有不同吨位级别的拖车[2]。

2.2 支架搬运拖车的整体架构和运行特征

该支架搬运拖车的整体架构如图4所示。通过快换连接装置连接该拖车和多功能铲运机，由多功能铲运机产生动力。在具体的结构中，支架搬运拖车基于U型封底式箱型框架结构，配备各项装置，包括三自由度铰接、快速连接、升降、推移、牵引和制动装置等。

图4 支架搬运拖车总体结构

第一，三自由度铰接装置。能够有效保障整车行走的稳定安全，帮助实现拖车的转动和横向前后摆动。

第二，升降装置。有效保障整车充足的提升能力，有效节省很多拖车横向布置的空间，能够达到整车外形的尺寸要求。

第三，推移装置。其构成主要是两个独立的推移导向筒和油缸，具有推移行程较长、推移能力较大的特征，有利于把液压支架从车厢推出。

第四，牵引装置。结合大绳力液压绞车的设计，通过推移和升降装置能够有效实现快速装卸拖运物件的目的。

第五，制动装置。能够有效保证驻车和行车的可靠安全。

3 支架搬运拖车U型结构的性能分析

在支架搬运拖车中，其主要承载结构即是U型框架，其前端是由多功能铲运机和三自由度铰接装置进行快速连接，其后端是由升降装置与制动装置和行走部分轮胎连接，故拖车U型框架是整车运输过程中的最主要承载机构，如稳定性和可靠性等运输设备的性能，直接受到U型框架中各个部件的强度和刚度的影响。

封底式的U型框架结构被用于支架搬运拖车，可以实现煤矿综采设备高效远距离运输，由于车辆行驶速度快，并且运输设备大部分是大采高重型设备，煤矿井下的运输环境也十分的恶劣，因此对U型框架强度的设计具有较高的要求。基于以上分析情况，通过多体动力学分析方式，对左轮过障碍和右轮过坑进行全面的受力分析，详情见图5、图6，优化了搬运拖车U型框架设计，对拖车中各系统的质量进行合理分配，其中不仅保证拖车U型框架强度，满足对支架搬运拖车承载的要求，还使得拖车充分符合轻量化的设计要求。

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

可以从应力云图得到一些信息，如图6，处于升降装置的油缸耳位置，拖车的U型框架最大的应力值达到了210 MPa，其应力的性质是拉应力，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。其中，为了有效提高局部区域的强度，采用高强度板材作为部分板件材料[3]。

4 实际适用的状态

经过一系列的研究，研制出50 t级别的支架搬运拖车，并且，在研制成功之后，在鄂尔多斯的某个主斜井副立井式的煤矿中开展了一系列的试验与探究，在24 d的时间当中，有效完成了质量约45 t、170台综采液压支架的搬运，对比其他的搬运方式时间足足减少21 d，极大地提高了搬运的效率，有效减小了综采工作面搬家倒面的时间，缩短了周期。

5 研究结论

本研究对目前国内主流的矿井支架搬运方式进行了分析和总结，结合实际综采时的各种问题以及斜巷和立井两种矿井辅运类型，研发出了新型支架搬运拖车的运输设备，对支架搬运拖车的参数指标、技术构成、适用场景以及工作特征进行了介绍，并且对该支架搬运拖车所采用的新型U型框架结构进行了强度校核。经实践运用，该种搬运方式使支架搬运效率得到了极大提高，有效减少了在综采工作面进行作业时的搬家倒面的时间，并且该搬运方式参与人数减少，使用设备单一高效，转运工作简单，提高了安全系数。