煤矿辅助运输单轨吊连续化作业分析与应用

陈瑞云，邓海顺，陈宝震，靳华伟，年介辉，周庆龙，黄志祥

（1.淮南矿业（集团）有限责任公司，安徽 淮南 232001；2.安徽理工大学 机械工程学院，安徽 淮南 232001）

0 引言

我国是世界煤炭资源大国，煤炭作为消耗性能源在我国所有能源使用中占70%左右。在煤炭的开发利用中，煤矿运输系统起着举足轻重的作用。目前，国内外的矿井机动运载设备绝大多数采用防爆柴油机作为动力装置[1]。防爆柴油机单轨吊机车是一种煤矿辅助运输设备，近年来被广泛应用，是下一步辅助运输的主要发展方向。柴油机单轨吊是当今最主要的单轨运输机型，按驱动部数量可分为二驱到十二驱的单轨吊系统。防爆柴油机单轨吊适宜用于长距离、大坡度、大载荷的复杂工况重载运输，利远大于弊，有较高的研究应用价值[2]。单轨吊系统主要由轨道、驾驶室、驱动制动部、主机以及运送人车或起吊梁等模块组成。各模块之间通过拉杆传递动力，单轨吊能够适应井下各种复杂环境，在转弯和变坡位置具有良好的适应性。在实际使用中，单轨吊在垂直转弯的位置因为轨道偏折和操作不当导致折轨现象。张集煤矿时淮南矿业集团的主力矿井之一，也是国家瓦斯综合治理实验基地和安徽省首座千万吨级现代化矿井，单轨吊运输车作为张集矿井下的重要辅助运输设备，一旦出现故障，会给设备运输和安全生产带来难题。本文通过对单轨吊的驱动和轨道悬挂方式进行分析、计算、建模、仿真，确定失效原因，提出优化方案，为辅助运输单轨吊的连续化作业理论研究和实际使用提供有效建议。

1 轨道破坏原因

单轨吊运输车从右向左运行时，单轨吊的前5台驱动部为整体提供拉力，后5台驱动部为整体提供推力，其传递牵引力的拉杆间力的峰值在起吊梁最右侧的拉杆位置。若单轨吊运输车运行方向为由左向右，则反之。单轨吊特有的驱动方式，会使得力在起吊梁两侧的拉杆两端累加。由于单轨吊系统特有的轨道连接方式为铰接，且轨道用柔性链环吊挂在巷道顶板的方式，导致轨道在沿轨道方向存在一个小角度偏折误差，最大值为1°[3]，轨道之间出现偏折的夹角为α。轨道在长期使用的情况下发生一定量的形变，当轨道的偏折到达某一极限，即左侧轨道与右侧轨道结合处最外端接触面积达到最小，如图1所示。单轨吊各设备之间的拉杆不在一条直线上，拉杆与右边轨道之间形成夹角β，当单轨吊系统的设备行驶在该节轨道上，后方的设备会对轨道垂直于轨道腹板方向产生冲击，夹角越大，垂直于轨道腹板方向上的力越大。当单轨吊重载垂直转弯时，驱动部需要提供更大的驱动力让机车完成转弯，此时机车对轨道的冲击增大，当冲击超出允许的范围，则轨道遭到破坏，煤矿井下辅助运输系统无法完成连续化作业，甚至出现运输事故，造成无法挽回的损失。

图1 偏折轨道俯视图

2 垂直转弯的轨道数学模型

2.1 轨道的悬挂方式分析

单轨吊轨道拥有特有的安装标准，轨道两侧都有悬挂结合端，水平直轨与第一节弯轨结合处用法兰连接，所以水平直轨与第一节弯轨之间的偏折夹角最小，在安全范围内。同种轨道之间首尾连接，悬挂架下端用刚强度螺栓与轨道的连接处铰接，上端的左右两侧与链环配合，将轨道吊挂在巷道顶板上，吊挂方式如图2所示。

图2 单轨吊轨道吊挂方式

2.2 单轨吊整机受力分析

由于煤矿井下运输环境复杂多变，机车在实际运行中会出现水平转弯以及垂直转弯等工况，因此根据井下机车运输要求，机车水平转弯最小半径为4 m，垂直转弯最小半径为8 m[4]。轨道在垂直转弯时轨道是“以直代曲”的方式连接，垂直转弯处的相邻轨道都是直轨，当单轨吊机车在进入垂直转弯向上行驶时，降低车速，驱动力增加，当偏折轨道之间的夹角α越大，单轨吊设备对负责承载的轨道产生的冲击越大。单轨吊运输车在坡度为γ的巷道内运行时，单轨吊整体的受力如图3所示。

图3 单轨吊运输车整体受力图

图3中：G为单轨吊自重和负载重力，kN；F为单轨吊总驱动力，kN；FN为轨道对运输车的支持力，kN；Ff为轨道对单轨吊的摩擦阻力，kN；v为单轨吊的整体速度，m/s；γ为轨道坡度，（°）。

当单轨吊运输车在平行于轨道腹板方向上运行时，单轨吊的驱动部主要受到运输车负载的集中力。在平巷时，理想状态下，坡度为0，即γ=0，此时驱动部所提供的驱动力较小，拉杆之间的集中力较小，驱动力F只需要克服单轨吊与轨道之间的摩擦力。当单轨吊在斜巷（含垂直转弯）上坡时，驱动部提供的拉力不仅需要克服摩擦力，还要克服单轨吊运输车整体的下滑力。

单轨吊运输车在上坡时与轨道之间的摩擦阻力为

式中，μ为单轨吊运输车负载与轨道之间的滚动摩擦因数。

单轨吊运输车在上坡时驱动部需要克服的下滑力为

理想状态下，单轨吊运行过程中不考虑变形阻力、空气阻力等因素，只考虑克服摩擦力和下滑力的作用，则单轨吊总牵引力为

本文基于在张集矿的实际情况进行研究，张集矿井下采用的是石家庄煤矿机械有限责任公司的DC280/160Y防爆柴油机10驱单轨吊车，则单轨吊的单个驱动部提供的驱动力为

2.3 轨道的力学分析

根据石家庄煤矿机械有限责任公司的DC280/160Y防爆柴油机10驱单轨吊，起吊梁前后各布置5台驱动部进行建模与仿真分析。各矿井要从本矿井自身的实际出发，在对各种设备的性能和特点充分了解的基础上进行优化配置，统筹兼顾，对设备的运输能力和使用范围要留有余地[5]。由于单轨吊各单元设备的实际尺寸、传递牵引力的拉杆长度和轨道长度的限制，当单轨吊运输车在垂直转弯处向上运行时，起吊梁的承载车和起吊梁下方的第一台驱动部不在一根轨道上。当起吊梁的承载车在轨道上行驶时，对轨道垂直于腹板方向一个力，轨道两侧吊耳与相邻轨道之间产生反作用力，轨道受力如图3所示。

由图3可知，轨道在水平方向上处于平衡状态，以轨道右端为参考点，可得：

式中：F1、F2为轨道两侧吊耳最外端对轨道的力，kN；Fh为承载车水平方向对轨道合力，kN。

承载车在轨道上运行时，不仅对有水平方向上的力，在垂直方向上有一个向下的力，随即轨道两侧吊耳产生向上的反作用力，如图4所示。

图4 轨道水平方向受力图

由图4可知，轨道在垂直方向上处于平衡状态，以轨道右端为参考点，可得：

式中：FN1、FN2为轨道两侧链环对轨道的力，kN；G1为承载车垂直方向对轨道的力，kN。

3 轨道的仿真分析

根据石家庄煤矿机械有限责任公司提供的设备数据，选用DC280/160Y防爆柴油机10驱单轨吊车，该系统配套设备自重15 t，垂直转弯半径8 m，煤矿单轨吊需要使用专用的轨道，轨道截面形状为工字形，根据厂家提供目前常用的两种型号的轨道，分别是I140E和I140V[6]，本文计算和仿真均采用I140E型轨道。

经计算，轨道偏折的夹角α越大，对轨道的冲击越强，当单轨吊机车起吊梁的最后一台承载车刚行驶到弯轨的最后一根轨道的右端时，最后一台承载车与起吊梁下方的第一台驱动部连杆之间的夹角β与轨道偏折角相等，即夹角β为最大值，该承载车对轨道的冲击最大，此时为轨道发生偏折时出现的最危险工况。

轨道的截面为工字型，按照单轨吊的标准制造，转弯部分的每根轨道长度取l=2 m，I140E型轨道采用德国标准制造，轨道所用的钢材材质为S355J2G3，与国内的Q345材质相同，则轨道在使用过程中的许用条件为：

单轨吊轨道安装过程中会存在安装误差，使得各段轨道之间不成直线，轨道在沿轨道方向存在一个小角度偏折误差，根据单轨吊安装标准，角度偏折最大值为1°，运用MATLAB计算，将单轨吊的轨道模型保存为“.xt”格式，将模型导入ANSYS Workbench中做力学仿真，单轨吊载重45 t时，偏折角度为1°时，轨道最危险工况应力应变如图6所示，最大应变y=0.1734 mm ＜4 mm，最大应力在轨道连接处，为δ=149.22 MPa＜230 MPa。当轨道偏折角在1°时，危险工况下轨道出现的最大应变和最大应力均在轨道的许用范围内。

图6 偏折角1°时轨道应变、应力图

当单轨吊载重45 t时，偏折角度为1.7°时，轨道最危险工况应力应变如图7所示，最大应变y=0.25446 mm ＜4 mm，最 大 应力在轨道连接处，为δ =217.35 MPa ＜230 MPa，当轨道偏折角在1.7°时，危险工况下轨道出现的最大应变和最大应力均在轨道的许用范围内。

图7 偏折角1.7°时轨道应变、应力图

当单轨吊载重45 t时，偏折角度为1.8°时，轨道最危险工况应力应变如图8所示，最大应变y=0.28192 mm＜4 mm，最 大 应力在轨道连接处，为δ=240.12 MPa＞230 MPa，危险工况下轨道出现的最大应力超出轨道的许用范围。

图8 偏折角1.8°时轨道应变、应力图

根据计算与分析，单轨吊载重45 t时，采用长度为2 m的I140E型轨道，当轨道偏折的夹角α≤1.7°时，轨道的应力和应变在最危险工况时仍处于安全适用范围，当轨道偏折的夹角α≥1.8°时，轨道的应力值超出了许用范围，会导致轨道折弯甚至是断裂失效。

4 优化方案与工程验证

针对该型单轨吊，在重载垂直转弯，起吊梁的最后一部承载车在垂直转弯轨道的最后一节弯轨上时，轨道存在撇轨现象，有很大的安全隐患，为了让轨道偏折的夹角在安全范围内（α≤1.7°），让单轨吊运输车在轨道上始终安全运行，提出了优化方案。在垂直转弯处安装的轨道吊挂方式的基础上添加横向纠偏装置，该装置是在原来的吊挂基础上在轨道径向添加一对花篮螺丝拉紧器，如图9所示。

图9 轨道纠偏装置现场图

井下工作人员可以根据轨道的偏折情况调节该装置，通过调节轨道左右两边的花篮螺丝拉紧器，减小轨道偏折的幅度，将轨道摆动控制在安全范围内，使轨道在危险工况下受到的冲击减小，让辅助运输单轨吊能够在井下完成连续化作业，避免运输安全事故发生。

淮南矿业集团张集矿煤巷坡度较大，存在多种变坡情况。对垂直转弯的巷道部分采用该优化方案，已通过多次试验，并在实际生产过程中运用超一个月之久，未产生轨道连接处断裂现象。

5 结语

通过对单轨吊运输车的工作原理和轨道失效的原因进行分析，运用SolidWorks建模软件，建立三维模型，建立垂直转弯部分的轨道数学模型，选用单根长度为2 m的I140E型轨道分析，对危险工况的轨道进行分析和计算，运用ANSYS Workbench做力学仿真，得到轨道在垂直转弯处出现最危险工况时的应力、应变云图。当轨道的偏折角度α≤1.7°时，轨道在单轨吊运输车重载过弯时仍然可以安全使用，当轨道的偏折角α≥1.8°时，轨道受到的集中力产生的最大应力超出了轨道的许用范围，会出现折弯甚至失效。经过以上分析并结合巷道内的实际情况，提出了辅助运输单轨吊连续化作业的优化方案，经过多次试验，并在实际生产过程中运用，经过一个多月的工程验证，证明了单轨吊连续化作业方案的可靠性。