礦用輕型單軌吊的設計與應用

摘 要：在煤礦綜采工作面生產中，電站尾至前部運輸機機尾段的電纜需要隨工作面的推進向前拉移。目前大多采取電纜單軌吊拖掛拉移的方式，但單軌吊結構較重，安裝極為不便，且拉移需要驅動力大，通過對輕型單軌吊的使用，降低了安裝勞動強度，減少了電纜拖掛拉移的困難，保證了安全生產。

關鍵詞：單軌吊；電纜；輕型

中圖分類號：TD527；TH211 文獻標識碼：A 文章編號：1006-8937（2015）21-0002-03

隨著全國煤炭行業煤炭價格持續下跌，煤炭企業收益減少，經營愈加困難，煤礦安全生產及成本節約顯得尤為重要，本文從安全和節約方面考慮，對礦用輕型單軌吊設計及應用做了簡要分析。

1 結構設計

1.1 結構組成

該設計主要由四部分組成：橫梁總成、滑輪總成、彎板總成、線纜夾總成，以下進行說明。

1.1.1 橫梁總成

材料采用HQ750，由1.5 m、2.5 m板各兩件，經過折彎、焊接而成，其中一件留有Φ16 mm的塞焊孔，加強橫梁強度。橫梁與橫梁連接處上下配有連接板和連接銷。

1.1.2 滑輪總成

材料采用45#鋼，滑輪面與橫梁折彎面相切，保證滑輪在橫梁上靈活滑動。

1.1.3 彎板總成

材料HQ750，主要是起到過渡作用，連接橫梁與線纜夾，主要有彎板、側板、墊板及線纜夾穿連接耳子，通過折彎與螺栓固定兩種方式連接。

1.1.4 線纜夾總成

材料HQ750，起到拖動電纜行走作用，由底板、夾板、隔板、頂板、螺桿組成，通過折彎與焊接兩道工序。隔板設計為弧形過渡，能有效防止接觸面刮傷電纜表皮。

1.2 設計計算

1.2.1 參考安全規范標準《煤礦安全規程2010版》：

①第376條。單軌吊車、卡軌車、齒軌車和膠套輪車的運行坡度、運行速度和載荷重量不得超過設計規定的數值，膠套輪材料和鋼軌的摩擦系數不得小于0.4。設備最突出部分與巷道之間以及對開列車最突出部分之間的間隙，必須符合本規程第22條和第23條的規定。

②第414條。立井和斜井使用的連接裝置的性能指標和投用前的試驗，必須符合下列要求。

各種環鏈及吊桶提梁等的安全系數，必須以曲梁理論計算的應力為準，并同時符合以下2項要求：按材料屈服強度計算的安全系數，不小于2.5；以模擬使用狀態拉斷力計算的安全系數，不小于13。

1.2.2 應力計算

①單軌吊橫梁

強度計算：

σ=M/ψWnx=171 N/mm2<295 N/mm2，

強度計算滿足（HQ750鋼材強度下限737 N/mm2除以2.5安全系數為295 N/mm2）。

穩定計算：按《鋼結構設計與計算》（第二版）表A-2查得：

φb=2.95>0.6代入φb'=1.07-0.282/φb=0.97 Mx/（φb'ψWx）=176 N/mm2<295 N/mm2

穩定計算滿足。

撓度計算：

彎矩標準值：

Mx=0.25×L×（Qt1+Qt2）×10+0.125×Qt3×0.01×L2=249.38+1.63=251.01 kN.m；Vx=MxL2/（10 EIx）=2.3 mm<[3 500/400]=8.8

撓度計算滿足。

②單軌梁下翼緣折算應力計算

下翼緣局部應力計算，見表1。

計算ξ值：

a=（b-tw）/2=76.75 mm；

e=0.164Re=27.39 mm；

i=a+c-e=53.36 mm；

ξ=i/a=0.695 mm；

一個車輪的最大輪壓Pmax=k/（n×P）=122.85 kN

由位置1處的局部應力：

σ1x=-k1×（Pmax/t2）=-120 N/mm2

σ1y=k2×（Pmax/t2）=17 N/mm2

由位置3處的局部應力：

σ3x=k3×（Pmax/t2）=58 N/mm2

σ3y=k4×（Pmax/t2）=181 N/mm2

由位置5處的局部應力：

σ5y=k4×（Pmax/t2）=161 N/mm2

下翼緣折算應力計算：

下翼緣折算應力計算，如圖1所示。

一組最大輪壓設計值：P1=2 Pmax=245.7 kN

另一組最小輪壓設計值：P2=P-P2=163.80 kN

X=P2×L0/（P1+P2）204 mm

L1=L/2-2X=1.342 m

L2=L-L0-L1=1.648 m

L3=L-L2=1.852m

RA=（P2×L1+P1×L3）/6+q×3

=（163.8×1.342+245.7×1.852）/6+1.27×3116.29 kN

Mc=RA×L2-q×L32/2=191.65-2.18=189.47 kN.m

σ0y=Mc/（γx×ψ×Wn）=90 N/mm2

1點折算應力計算：

鋼材強度值增大系數β1因

σ1x-120<0；σ1y+σ0y=107>0；所以β1=1.2

σ1=SQRT（σ1x2+（σ1y+σ0y）2-σ1x（σ1y+σ0y））

=197 N/mm2<β1 295=354 N/mm2

1點折算應力計算滿足。

3點折算應力計算：

鋼材強度值增大系數β1因

σ3x =58>0；σ3y+σ0y=271>0；所以β1=1.1

σ3=SQRT（σ3 x2+（σ3y+σ0y）2-σ3x（σ3y+σ0y））

=247 N/mm2<β1×295=324.5 N/mm2

3點折算應力計算滿足。

5點折算應力計算：

鋼材強度值增大系數β1因

σ5x=0；σ5y+σ0y=251>0；所以β1=1.1

σ5=σ5y+σ0y=251 N/mm2<β1×295=324.5 N/mm2；

5點折算應力計算滿足。

2 應用部分

2.1 單軌吊安裝及使用情況

2.1.1 安裝巷道斷面要求

①會出現左右和上下擺動，左右單側擺動幅度一般取150 mm，單軌吊上下擺動幅度一般取200 mm，確定巷道尺寸不小于W4 600 mm（寬）×H3 100 mm（高）。

②單軌吊軌道底面距地距離一般要求為2 400 mm，最小距離不應小于2 350 mm。

2.1.2 驗收要求

①要求吊掛單軌的各吊掛點間距偏差不得大于15 mm，10組吊掛點間距的累計偏差不得大于30 mm。

②吊鏈不出現松鏈現象，根據巷道高低不同，懸掛長度不同的吊鏈，保證每點吊鏈受力均勻。

③采用錨桿懸吊時，每個單軌吊掛點需用雙錨桿吊掛，對錨桿受力進行分組抽查測試，單根錨桿錨固力不得小于90 kN。錨桿的托板必須緊貼巷壁，應用機械或力矩扳手擰緊，錨桿露出長度不得小于100 mm，懸吊單軌的兩條圓環鏈夾角應在30 ？觷～60 ？觷之間。

2.1.3 操作使用及要求

①單軌吊橫梁與懸吊桿連接、橫梁與橫梁之間的銷軸連接、移動小車與掛架之間的軸連接、小車與小車之間的鏈連接部位安裝好后，檢查各部件之間的連接銷是否安全可靠。

②電纜吊按照大小尺寸順序，在掛架上規定位置整齊捆綁牢靠安全，各小車之間電纜的吊掛尺寸及弧度保持一致。

③其他液壓管路安裝正確，各個接頭必須牢靠無泄漏。

④各液壓操縱手把確定放在中間位置，并確保手把操縱靈活可靠。

⑤觀察壓力表，檢查減壓閥的設定，不得大于20 MPa。

2.2 設備使用優點

①利用工作面乳化液泵站作動力源，不需要另配備液壓系統，通過控制手把，實現電纜及各種管路沿巷道吊掛和移動，操作簡單，運行可靠。

②電纜只需一次鋪設，電纜的前后移動只需動作一個閥柄即可完成，操作靈活方便，極大的減輕工人勞動強度。

③保護了電纜，提高了電纜的使用壽命，經濟效益顯著。并且消除了因拉移拖地電纜造成的電纜接地事故，間接地經濟效益更加顯著。

④該設備不僅可以吊掛電纜，還可以吊掛乳化液高壓膠管和水管，液管與電纜分層吊掛，使巷道內管路布置整齊、美觀，還避免了高壓膠管的震動對電纜干涉影響。

⑤消除了以往使用絞車拉移的其他安全隱患。

⑥掛纜小車的容量標準為：前后部運輸機（高低速）8根+采煤機2根+轉載機2根+破碎機1根+監控線2根+低壓電纜2根，因此線纜掛架的容量總數不低于17根。完全滿足綜采工作面的需要。管路掛架容量設計依據為三泵兩箱的工作面設備配置標準，管路掛架不低于4根液壓管路的容量設計。

⑦安裝方便，各部件均可獨立拆裝，運輸方便；任意位置自鎖的導軌在安裝、提升、調整更加快捷、安全。

2.3 與原有單軌吊的對比

①原有的單軌吊在拖動電纜時，至少需要3～4個人協調工作才能完成任務，并且勞動強度比較大，在遇到較大斜度的工作面或開絞車的人與推纜的人配合不好時，還存在一定的危險性輕型單軌吊則只需要一個人操縱閥柄即可，開絞車和推線纜可由一個人在不同的時段進行，不存在配合失誤問題。以往由3～4人才能完成的任務，現在只需一個人就可輕松完成，既提高了工作效率和操作安全性，又節約了人員的開支。

②原有單軌吊需要通過絞車進行牽引，并且牽引過程中鋼絲繩對電纜和液管會造成磨損破壞，從而降低了電纜和液管的使用壽命。使用液壓電纜拖運單軌吊，電纜及液管只需一次鋪設，無任何磨損破壞并且操作靈活方便，使巷道內管路布置整齊、美觀。同時也降低了電纜及液管不必要的成本浪費，延長電纜和液管的使用壽命。

③原有電纜、膠管使用扎扣固定，固定不可靠，造成電纜在拉移時受力。輕型單軌吊改造成機械卡口，防止電纜、膠管在拉移過程中掉落、受力。

④原有單軌吊巷道使用十字梁配合單體進行支護，造成拉移空間較小。改進后將整體框架寬度減少200 mm左右，寬度在500 mm以內。

一般單軌吊和輕型單軌吊的區別，見表2。

2.4 經濟效益與社會效益分析

①單軌吊在投入生產后，設備運行穩定、可靠，降低了成本，按每班節省2個維護工時計算，全天可節省8個工時，全年節省四六制工時2 920個，年創直接節支效益在20萬元以上。

②使用輕型單軌吊后，如上表所示節省了一半鋼材，按照每套400 m（100根橫梁、50件電纜架、50件小車架）計算，約節省資金2萬元；全年礦井消耗10套以上節省資金約20萬元以上。

③保護了電纜，減少了電纜的投入成本。經過井下2個月的工業性試用證明，該設備安全、可靠，改造、推廣成本低，省時省力，具有較高的安全系數，在我國現階段的綜采（放）工作面，極具推廣價值。

3 結 語

通過以上分析，使用輕型單軌梁可在完全滿足使用安全條件的前提下，節約了大量的成本投入，同時降低員工安裝勞動強度，促進了煤炭企業的安全持續發展。

參考文獻：

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