一種礦用邁步式自移設備列車的研制

王發達

(神東煤炭集團 設備維修中心， 內蒙古 伊金霍洛旗 017200)

0 引言

煤礦設備列車主要用于煤礦井下綜采工作面安裝乳化液泵站、液箱、移動變電站、工具箱、配件箱、電器開關、綜合保護器、存放電纜等。隨著工作面的回撤，設備列車也跟著移動。我國設備列車搬遷歷經了“人工搬遷”、“絞車拉動”等，雖然在一定時期解決了一些特殊條件下的設備列車移動問題，但其移動效率低，安全生產事故時有發生，一直沒有發生根本性的改變[1-4]。

通過反復研究分析，設計研制了一種新型的平板列車，改變目前用鉸車拉移變和人工移動導軌的作業方式，可提高作業安全性，減少作業人員和作業的勞動強度。該平板列車可實現平板列車移動的手動和遙控控制，具有自動調偏功能，其結構合理，強度高，質量相對更輕。

通過對設備列車移動技術的研究，為煤礦的安全生產提供了一種可行的方法，對設備列車移動技術應用領域有一定理論價值。

1 煤礦井下設備布置和構成

大柳塔煤礦順槽工作面的基本情況：大柳塔礦活井12306面,巷道平均高度3.2 m，巷道最低高度3.05 m，工作面長度128 m，工作面推進的長度425 m，順槽帶式輸送機鋪設長度3 650 m，工作面采高范圍3.5～4.9 m，工作面平均采高4.5 m，工作面切眼為8.5 m×3.8 m，運順寬度5.6 m，回順寬度5.4 m，最大坡度1.6°，長度56 m。

為了更好地管理設備，在回風巷或運輸巷集中布置所有設備的電控系統，距工作面30～200 m，統稱為設備列車，它可以稱為綜采工作面的集控中心，在此安裝著控制刮板輸送機、轉載機、破碎機、采煤機等大型設備的開關、移動變電站、乳化液泵站及泵箱等，設備列車可隨著回采工作面的回撤而回撤。設備列車主要設備明細見表1。

表1 設備列車主要設備明細表

2 邁步式自移設備列車的工作原理

首先將固定設備安裝在平板車上，然后按照設備的編號順序，利用連接板依次首尾相連，軌道采用夾板連接在一起，形成兩條完整的軌道，位于板車兩側，與傳統板車類似。每個板車上安裝4根升降油缸，用于板車的升降，油缸的動力來源從乳化液泵通過高壓管路輸送，通過電液控制閥油缸的動作。具體順序動作如下：

3 邁步式設備列車構成

綜采工作面順槽邁步設備列車由1 臺牽引裝置、34 輛平板車(其中大板車14輛，小板車20輛)和1 組管纜伸縮裝置組成，如圖1所示。運輸巷邁步式設備列車主要焊接結構件包括平板車、牽引裝置、提升機構、軌道、管纜伸縮推移裝置等。

圖1 自移設備列車結構示意圖

3.1 平板車

平板車分為小平板車(見圖2)、大平板車(見圖3)，其為框架焊接結構，平板車之間通過連接板由銷軸連接，兩側通過鏈條鉸接。升降式平板車常態時，通過兩個滑靴支腿與地面接觸，穩定性好；移動時為滾動摩擦，摩擦阻力小，最大承載能力30 t。

圖2 小平板車

圖3 大平板車

3.2 牽引裝置

牽引裝置的焊接結構件包括頂梁、掩護梁、底座和調偏機構，如圖4所示。牽引裝置上安裝2根雙伸縮油缸，可滿足高度范圍為3.5～5.0 m的巷道。采用四連桿機構，穩定性好。

圖4 牽引裝置圖

1) 頂梁。頂梁采用整體箱形結構焊接而成，為了保護頂板錨索不被破壞，頂梁上設計有矩形凹槽，放入方木。這樣，當頂梁與頂板接觸時，錨索正好作用在方木上，如圖5所示。頂梁左右部各通過銷軸與掩護梁連接，前部通過銷軸與短柱連接。

2) 掩護梁。掩護梁采用整體箱形結構焊接而成，上端銷軸與頂梁連接，下端通過銷軸與底座連接，如圖6所示。掩護梁是牽引裝置的主要組成部分，承受頂板水平推力、側推力和傳遞頂梁的扭轉載荷，起到保持牽引裝置整體穩定的作用。

3) 底座。底座是牽引裝置承受設備列車所有載荷的重要部件，底座箱體左右兩邊各設有1個球形柱窩，可與立柱缸底球頭鉸接。底座前后部設有耳座，通過銷軸與抬底油缸鉸接，如圖7所示。

4) 調偏機構。牽引裝置前后各配備了1個調偏機構，如圖8所示。調偏機構的左右兩箱體通過銷軸與抬底油缸鉸接，兩底座通過推移油缸的動作可以左右移動，完成調偏動作[5]。利用調偏機構，可防止行進過程中偏離方向。

圖5 頂梁圖

圖6 掩護梁圖

圖7 底座圖

圖8 調偏機構圖

3.3 提升機構

提升機構是平板車體的重要組成部分(圖9)。每個平板車的前后兩側各設有2個提升機構，其中大平板車設有4個提升機構。提升機構與平板車通過銷軸連接，與軌道通過提升銷連接。

圖9 提升機構圖

3.4 軌道

軌道是設備列車的重要組成部分(圖10)。軌道之間通過連接板鉸接，通過提升銷與平板車連接。

3.5 電纜伸縮推移裝置

電纜伸縮推移裝置見圖11。它包括1輛由連接桿鉸接的承載車(圖12)、管纜托架(圖13)，其端頭的承載車與自移設備列車的平板車通過連接板鉸接，另一端頭與破碎機出料口鉸接。

圖10軌道圖

圖11 電纜伸縮推移裝置圖

圖12 承載車圖

圖13 管纜托架圖

3.6 控制部分

設備列車與牽引裝置安裝1套完整的電液控制系統，如圖14所示。該控制系統可實現設備列車的各種功能動作，在整個設備列車范圍內實現列車無線遙控自移。牽引裝置上配置了功能控制器，既可實現牽引裝置的本架千斤頂動作，又可實現設備列車(共計6組)電控的成組升降操作。

圖14 電液控制框架圖

由于每輛板車承載的質量不同，要求升降油缸動作時實現每組板車同步升降，且升、降到預定位置后自鎖。

板車下降，升降油缸收縮時，由于自重，不能下降太快，需平衡板車自重對系統產生的反向沖擊力。牽引裝置升起后與頂板接觸，初撐力達到要求后推移油缸才能動作。同一輛板車如果有任意2根升降油缸不動作，則反饋給控制器，使之下一順序動作不能進行，列車便不能進行前移。如果板車之間的連接板斷裂或板車脫軌發生跑車時，要求升降油缸立即收回到初始位置，平板車迅速落地[6]。

平板車順序控制與分組控制以6個平板車為一組，34輛平板車分6組控制，具體的動作時間和范圍均按實際情況設定且可調。平板車使用26個功能控制器控制升降動作，每臺控制器通過電磁閥驅動口控制2個電磁先導閥(4功能4出口電液控換向閥)，每個先導閥對應6個平板車，從而實現對6個平板車升降控制，并進行聲光報警。控制器通過CAN總線實現不同控制器之間數據交互與時序分組控制(含自移式牽引裝置控制)。

牽引裝置通過1臺獨立的26個功能控制器與1組電液控換向閥實施控制。該控制器通過隔離偶合器與系統其他控制器連接構成控制系統。牽引裝置控制器安裝2個壓力傳感器檢測立柱下腔壓力。在升起過程時，控制器通過壓力數據判斷初撐力是否達到要求，初撐力達到要求后推移油缸才能動作。

控制器在RS-232接口安裝1個無線接收器，無線接收器接收距離小于30 m。遙控器通過無線接收器接入控制系統，可實現控制系統的全功能遙控操作。人員遙控操作范圍覆蓋整個邁步式設備列車，操作者可站在任意一節平板車前使用手持遙控器操作列車自移，操作的同時觀察設備是否按照設定程序動作，同時進行聲光報警，省去工人來回穿梭的麻煩。控制器有閉鎖功能，一旦閉鎖，遙控操作失效。

拖纜系統通過無線位移傳感器感知自身系統與刮板輸送機機尾的距離，不僅保證工作面設備推進和設備列車自移的整個作業循環過程中電纜留有余量，而且在牽引裝置與設備列車間交替動作時，實現二者互鎖、聲光報警、自張緊絞車與刮板輸送機機尾距離的實時測量，以保證工作面3次推進和設備列車1次自移的整個作業循環過程中鋼絲繩始終處于張緊狀態。

4 邁步式設備列車關鍵件受力分析

4.1 提升機構

提升機構采用銅套滑動摩擦，阻力大，適合低速重載工況。該提升機構結構簡單，采用油脂潤滑，安裝維修簡便，見圖15。

(a) 提升機構模型圖

(c) 提升機構簡化模型圖

提升機構承受的最大載荷取109 kN，材料Q345，剪切屈服強度取189 MPa。從圖16中看出，最大應力149.5 MPa，最大位移0.2 mm，最小安全系數1.3。提升機構受力分析計算結果見表2。由表2可知，提升機滿足設計要求。

4.2 牽引裝置

4.2.1 計算條件

牽引裝置的簡化模型如圖17所示，摩擦因數為0，前連桿合力為-101.4 kN，后連桿合力為254.2 kN，支護強度為0.483 8 MPa，底板前端比壓力為1.759 1 MPa，底板后端比壓為0.150 9 MPa。

單立柱力F1=1 230 kN(20 MPa),底座后端水平拉力F2=600 kN，平衡千斤頂推力480 kN，拉力236 kN。

表2 提升機構受力分析計算結果表

4.2.2 牽引裝置穩定性分析

1) 底板與牽引裝置摩擦因數為0.1時，牽引裝置與底板間的摩擦力為246 kN，小于水平拉力600 kN，不穩定。立柱工作阻力提高到1 845 kN(30 MPa)時，摩擦力為369 kN,不穩定。

2) 底板與牽引裝置摩擦因數為0.2時，牽引裝置與底板間的摩擦力為492 kN，小于水平拉力600 kN，不穩定。立柱工作阻力提高到1 845 kN(30 MPa)時，摩擦力為738 kN,穩定。

3) 底板與牽引裝置摩擦因數為0.3時，牽引裝置與底板間的摩擦力為738 kN，大于水平拉力600 kN，穩定。立柱工作阻力提高到1 845 kN(30 MPa)時，摩擦力為1 107 kN,穩定。

(a) 應力圖

(b) 應變圖

(c) 安全系數圖

圖17 簡化模型圖

4.2.3 連桿銷軸安全系數

1 800～3 200 mm高度連桿受力，工作阻力為1 845 kN，結果如表3所示。

表3 連桿受力結果

在使用過程中，為保證該裝置穩定可靠，必須使牽引裝置與頂底板穩定接觸，計算時按照摩擦因數為0.2、0.3時，取連桿力1 288 kN和1 838 kN分別計算。根據計算條件不同，計算結果也不同。

1) 計算條件1。鉸接孔70 mm,鉸接軸材料30CrMnTi,屈服強度944 MPa,連桿、底座、掩護梁耳板厚度30 mm，材料Q460，摩擦因數0.2，摩擦力為738 kN。計算結果見表4。

2) 計算條件2。鉸接孔80 mm,鉸接軸材料30CrMnTi,屈服強度944 MPa,連桿、底座、掩護梁耳板厚度40 mm，材料Q460，摩擦因數0.2，摩擦力為738 kN。計算結果見表5。

表4 條件1計算結果表

表5 條件2計算結果表

3) 計算條件3。鉸接孔80 mm,鉸接軸材料30CrMnTi,屈服強度944 MPa,連桿、底座、掩護梁耳板厚度40 mm，材料Q550，摩擦因數0.3，摩擦力為1 107 kN。計算結果見表6。

表6 條件3計算結果表

4) 計算條件4。鉸接孔90 mm,鉸接軸材料30CrMnTi,屈服強度944 MPa,連桿、底座、掩護梁耳板厚度50 mm，材料Q550，摩擦因數0.3，摩擦力為1 107 kN。計算結果見表7。

4.2.4 推薦參數

根據以上計算結果，為保證結構安全可靠，根據該裝置具體使用情況，可以選擇相應的配置，見表8、表9。

表7 條件4計算結果表

表8 摩擦因數為0.2時參數配置表

表9 摩擦因數為0.3時參數配置表

4.2.5 底座后部耳板強度校核

耳板的受力見圖18，一個耳座組受到的拉力為300 kN,耳座厚50 mm,材料取Q460，銷軸70 mm,材料40Cr,屈服強度785 MPa。計算結果見表10。

圖18 底座后部耳板圖

部件名稱應力值/MPa安全系數耳板(拉)35.568 339 076.466 425 085耳板(壓)47.072 217 769.772 218 559銷軸剪64.311 590 356.103 098 958

由以上計算可知，底座后部耳板強度滿足使用要求。

5 主要技術參數

巷道高度/mm 3 500～5 000

巷道傾角/(°) ≤3

總長度/m 150

最大寬度/mm 1 800

總重量/t 約200

邁步步距/mm 1 850

推移速度/(m·s-1) 0.017

升降速度/(m·s-1) 0.005

工作介質 乳化液

額定壓力/MPa 31.5

最大流量/(L·min-1) 148

小平板車數量/個 20

大平板車數量/個 14

6 結論

該邁步式自移設備列車于2017年4月加工調試完畢，通過在神華集團大柳塔礦12306面入井投入使用8個月。

主要優點為：

1) 減少人員。該項目可節約拉移變工序用工18.7人/月(每兩天拉1次，每次1 h，每次10人)。拆裝運軌道用工23人/月。

2) 提高效率。該項目可以省去鋪設軌道、拆除軌道、搬運軌道、掛設單軌吊、拆除單軌吊、打錨桿等循環工序；同時省去拉電纜、拉液管等工作。

3) 降低成本。使用該設備，不再需要絞車拉設備列車，平板車至機尾處電纜及液管每根可節省約150 m，總計150×20(根)=3 000 m；另外連采掘進巷道時省去掛單軌吊的專用錨桿(節約1根/m，約50元/m)。

不足之處：

1) 邁步步距小，每次只能行走1 m的距離，每個班次都要進行1次搬遷，搬遷頻率太高，但運行較為平穩，適合底板起伏不平的條件。

2) 牽引裝置的推拉橫梁由于采用銷軸連接的方式，導致橫梁強度小，出現裂縫。

3) 調偏機構的升降油缸耳座強度不夠，出現斷裂現象，軌道含碳量太高，較脆，易斷裂。

4) 底板左右不平時，會出現左右跑偏現象，但整體升降平穩，未出現固定設備側翻現象。

對于以上不足之處，將進一步在實踐中不斷改進，使邁步式自移設備列車真正做到運行可靠、安全，具有更廣泛的應用前景。