新型煤礦井下支架搬運(yùn)拖車的設(shè)計(jì)及應(yīng)用

丁仁政

(中國(guó)煤炭科工集團(tuán) 太原研究院有限公司， 山西 太原 030006)

0 引言

我國(guó)煤礦綜采工作面的搬家倒面時(shí)間一般占工作面正常生產(chǎn)時(shí)間的15%左右，而液壓支架搬運(yùn)時(shí)間占總搬家時(shí)間的70%以上，故綜采工作面液壓支架的搬運(yùn)作業(yè)是制約礦井產(chǎn)量和效率的主要因素[1]。

目前，市場(chǎng)上出現(xiàn)不同類型的液壓支架無(wú)軌輔運(yùn)設(shè)備，如框架式支架搬運(yùn)車、鏟板式搬運(yùn)車等，這些設(shè)備只適用于斜巷輔運(yùn)方式，而對(duì)于立井輔運(yùn)系統(tǒng)的適用性較差。因此，研究一種適用范圍廣、運(yùn)輸效率高、制造成本低的支架搬運(yùn)設(shè)備是非常必要的，快換式支架搬運(yùn)拖車就是解決此問(wèn)題的一種理想設(shè)備。

1 我國(guó)煤礦井下液壓支架搬運(yùn)方式及特點(diǎn)

近年來(lái)，隨著無(wú)軌輔助運(yùn)輸?shù)目焖侔l(fā)展，煤礦井下綜采工作面液壓支架的搬運(yùn)作業(yè)主要通過(guò)使用防爆膠輪車整體運(yùn)輸來(lái)實(shí)現(xiàn)，這種運(yùn)輸方式充分保證了礦井的安全高效生產(chǎn)，大大提高了綜采工作面液壓支架的搬運(yùn)速度及整個(gè)工作面的安撤效率，不僅減少了輔運(yùn)人員數(shù)量，降低了工人勞動(dòng)強(qiáng)度，而且提高了礦井綜合效益和安全水平。目前斜井和立井開(kāi)采礦井加液壓支架的運(yùn)輸方式不同，各有其特點(diǎn)：采用斜井開(kāi)采的礦井液壓支架主要使用框架式支架搬運(yùn)車和鏟板式搬運(yùn)車進(jìn)行運(yùn)輸[2]。

1) 框架式支架搬運(yùn)車。框架式支架搬運(yùn)車主要采用U型框架對(duì)支架進(jìn)行長(zhǎng)距離運(yùn)輸，如圖1所示，搬運(yùn)車將支架從地面運(yùn)送到工作面切眼處。框架式支架搬運(yùn)車車型主要以澳大利亞工創(chuàng)集團(tuán)和山西天地煤機(jī)裝備有限公司研制的防爆支架搬運(yùn)車為主。

2) 鏟板式搬運(yùn)車。鏟板式搬運(yùn)車是將支架從切眼處運(yùn)送到工作面并安裝，如圖2所示，其車型主要以美國(guó)CAT、德國(guó)SANDVIK和山西天地煤機(jī)裝備有限公司研制的鏟板式搬運(yùn)車為代表，分為蓄電池動(dòng)力和防爆柴油機(jī)動(dòng)力兩種類型。

圖1 框架式支架搬運(yùn)車實(shí)樣

圖2 鏟板式支架搬運(yùn)車實(shí)樣

采用立井開(kāi)采的礦井，由于罐籠的尺寸要求(長(zhǎng)度約5.2 m)，支架搬運(yùn)車(長(zhǎng)度約10 m)無(wú)法直接進(jìn)入到罐籠內(nèi)。這類礦井中，液壓支架的搬運(yùn)作業(yè)大部分采用地面拆解，通過(guò)罐籠轉(zhuǎn)運(yùn)到井下，在安裝硐室對(duì)支架進(jìn)行二次組裝[3]，然后使用框架式支架搬運(yùn)車，將其運(yùn)輸?shù)焦ぷ髅妫蛘呦刃羞\(yùn)到工作面附近的硐室再進(jìn)行組裝。該類運(yùn)輸方式以山東兗礦集團(tuán)濟(jì)三煤礦為代表。

近幾年，隨著大型礦井的興建，立井礦井的罐籠尺寸及提升能力也大大提高，罐籠運(yùn)輸長(zhǎng)度尺寸達(dá)到8 m，提升能力達(dá)到65 t以上。為此，立井開(kāi)采礦井的液壓支架搬運(yùn)方式也發(fā)生了改變，這些礦井慣用的支架搬運(yùn)方法是在地面調(diào)整液壓支架姿態(tài)(支架長(zhǎng)度縮短，高度升高)，使支架具備合適的下罐外形，利用提升設(shè)備將液壓支架吊裝至支架運(yùn)輸平板車上，然后通過(guò)多功能鏟運(yùn)機(jī)與支架運(yùn)輸平板車快速連接，將液壓支架與支架運(yùn)輸平板車直接拖至罐籠內(nèi)，并轉(zhuǎn)運(yùn)至井下。在井下利用專門的轉(zhuǎn)運(yùn)換裝臺(tái)，將支架換裝至框架式支架搬運(yùn)車上，恢復(fù)液壓支架姿態(tài)后，將其運(yùn)輸?shù)焦ぷ髅鎇4]，如圖3所示。這種運(yùn)輸方式克服了框架式支架搬運(yùn)車不能直接下罐的困難，解決了支架拆解運(yùn)輸帶來(lái)的系列問(wèn)題，有效縮短了液壓支架的搬運(yùn)周期，一定程度上提高了整個(gè)綜采工作面的安撤效率。

圖3 多功能鏟運(yùn)機(jī)+支架運(yùn)輸平板車實(shí)樣

這種“多功能鏟運(yùn)機(jī)+支架運(yùn)輸平板車+框架式支架搬運(yùn)車”的支架搬運(yùn)方式的特點(diǎn)是：支架裝卸困難，轉(zhuǎn)運(yùn)環(huán)節(jié)復(fù)雜，涉及到的設(shè)備復(fù)雜、人員較多，存在安全隱患，而且由于地面液壓支架的存放地點(diǎn)距離遠(yuǎn)近不同，綜采工作面輔運(yùn)順槽長(zhǎng)度的差異及不同車輛的數(shù)量配比關(guān)系等因素，多功能鏟運(yùn)機(jī)、支架運(yùn)輸平板車、框架式支架搬運(yùn)車等設(shè)備難以較為理想地并行使用，始終會(huì)存在個(gè)別設(shè)備處于待作業(yè)的狀態(tài)，直接影響設(shè)備的使用率。此外，這種搬運(yùn)方式還需在井下出罐附近設(shè)置專用的轉(zhuǎn)運(yùn)換裝臺(tái)，需要開(kāi)拓?fù)Q裝空間，給礦井設(shè)計(jì)帶來(lái)不便。

2 新型煤礦井下支架搬運(yùn)拖車設(shè)計(jì)

2.1 支架搬運(yùn)拖車適用范圍及技術(shù)參數(shù)

支架搬運(yùn)拖車是專門用來(lái)搬運(yùn)液壓支架的無(wú)軌輔運(yùn)設(shè)備，它與多功能鏟運(yùn)機(jī)快速連接，采用獨(dú)特的U型封底框架，配備大扭矩安全型制動(dòng)裝置，液壓支架快速裝卸系統(tǒng)，具有制造成本低、運(yùn)輸能力大、爬坡能力強(qiáng)、裝卸方便、安全可靠等特點(diǎn)。這種支架搬運(yùn)拖車不但可實(shí)現(xiàn)液壓支架的長(zhǎng)距離運(yùn)輸，而且也可用于斜巷運(yùn)輸?shù)V井和立井運(yùn)輸?shù)V井等各類礦井條件，尤其適用于配備大型罐籠的副立井輔運(yùn)系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)這種新型支架搬運(yùn)方法的立井輔運(yùn)條件下液壓支架的整體快速搬運(yùn)。

總體搬運(yùn)思路是：在地面通過(guò)支架搬運(yùn)拖車與多功能鏟運(yùn)機(jī)快速連接，將支架搬運(yùn)至井口，然后將拖車及支架整體快速下罐，無(wú)需吊裝、卸載、轉(zhuǎn)運(yùn)等環(huán)節(jié)，在井下通過(guò)其他鏟運(yùn)機(jī)與拖車快速連接，直接將支架運(yùn)往工作面。可根據(jù)綜采工作面液壓支架的質(zhì)量、罐籠的提升能力及罐籠尺寸，采用模塊化手段，設(shè)計(jì)不同噸位級(jí)別的拖車，具體參數(shù)如表1所示。

2.2 支架搬運(yùn)拖車結(jié)構(gòu)組成及工作特點(diǎn)

支架搬運(yùn)拖車的結(jié)構(gòu)組成如圖4所示。該拖車與多功能鏟運(yùn)機(jī)通過(guò)快換連接裝置連接，其動(dòng)力來(lái)源于多功能鏟運(yùn)機(jī)。支架搬運(yùn)拖車以U型封底式箱型框架結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，配備快速連接裝置、三自由度鉸接裝置、升降裝置、推移裝置、牽引裝置及制動(dòng)裝置等部件。

表1 支架搬運(yùn)拖車技術(shù)參數(shù)

1-牽引裝置； 2-推移裝置； 3-升降裝置； 4-制動(dòng)裝置； 5-三自由度鉸接裝置； 6-快換連接裝置。圖4 支架搬運(yùn)拖車總體結(jié)構(gòu)

1) 三自由度鉸接裝置。該裝置可實(shí)現(xiàn)拖車的前后橫向擺動(dòng)及轉(zhuǎn)動(dòng)，保證整車行走的可靠性。

2) 升降裝置。該裝置采用豎直滑軌式導(dǎo)向結(jié)構(gòu)，兩個(gè)提升油缸與導(dǎo)向滑軌平行、豎直布置。該升降裝置使支架拖車具備足夠的提升能力，這種升降裝置空間布置較為緊湊，節(jié)省了拖車橫向布置空間，滿足整車的外形尺寸要求。

3) 推移裝置。該裝置由2個(gè)獨(dú)立的推移導(dǎo)向筒及油缸組成，推移能力大、推移行程長(zhǎng)，便于將液壓支架推出車廂。通過(guò)設(shè)計(jì)二級(jí)推移油缸及推移導(dǎo)向筒，使推移裝置在具備推移能力的前提下，同時(shí)具備足夠長(zhǎng)的推移行程，滿足液壓支架的快速裝卸需要。

4) 牽引裝置。通過(guò)設(shè)計(jì)大繩力液壓絞車，配合升降裝置及推移裝置實(shí)現(xiàn)拖運(yùn)物件的快速裝卸。

5) 制動(dòng)裝置。保證行車及駐車的安全性。這種由推移裝置、升降裝置、牽引裝置組成的支架搬運(yùn)拖車快速裝卸系統(tǒng)，裝架時(shí)，操作車輛將拖車倒車至支架滑靴處，操作升降裝置落低U型框架托板，操作牽引裝置伸出繩索將支架拉至U型框架內(nèi)，頂緊推移裝置，操作升降裝置抬高U型框架托板，實(shí)現(xiàn)裝架；卸架時(shí)，操作升降裝置落低U型框架托板，釋放牽引裝置繩力，操作推移裝置將支架推出U型框架，操作升降裝置，抬高U型框架托板，實(shí)現(xiàn)卸架。

3 支架搬運(yùn)拖車U型框架強(qiáng)度分析

U型框架是支架搬運(yùn)拖車的主要承載機(jī)架，其前端通過(guò)三自由度鉸接裝置與多功能鏟運(yùn)機(jī)快速連接，后端通過(guò)升降裝置與行走部分輪胎及制動(dòng)裝置連接，故拖車U型框架是整車運(yùn)輸過(guò)程中的最主要承載機(jī)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)件的強(qiáng)度、剛度直接影響運(yùn)輸設(shè)備的可靠性。

支架搬運(yùn)拖車采用U型框架封底式結(jié)構(gòu)，主要用于煤礦綜采設(shè)備的長(zhǎng)距離快速搬運(yùn)，車輛行駛速度快且運(yùn)輸設(shè)備均為大采高重型設(shè)備，加之井下運(yùn)輸環(huán)境十分惡劣，這些外界條件給U型框架的強(qiáng)度設(shè)計(jì)提出了很高的要求。針對(duì)這種工況，采用多體動(dòng)力學(xué)分析手段，對(duì)左輪過(guò)障礙和右輪過(guò)坑工況進(jìn)行受力分析，分析結(jié)果如圖5、圖6所示,對(duì)支架搬運(yùn)拖車U型框架進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，合理分配了拖車各系統(tǒng)質(zhì)量，一方面滿足了支架搬運(yùn)拖車的承載要求，保證了拖車U型框架的強(qiáng)度，另一方面使拖車符合輕量化設(shè)計(jì)要求。

圖5 U型框架動(dòng)態(tài)受力曲線

圖6 U型框架惡劣工況有限元分析應(yīng)力云圖

由圖6應(yīng)力云圖可以看出，拖車U型框架最大應(yīng)力值為210 MPa，位于升降裝置油缸耳處，應(yīng)力性質(zhì)為拉應(yīng)力，預(yù)選拖車材料的屈服極限為345 MPa，其安全系數(shù)較高，可滿足實(shí)際需要。為提高局部區(qū)域的強(qiáng)度，部分板件材料采用了高強(qiáng)度板材。

4 實(shí)際試運(yùn)行情況

在煤礦井下50 t級(jí)支架搬運(yùn)拖車研制成功后，在鄂爾多斯地區(qū)某主斜井副立井煤礦進(jìn)行了試運(yùn)行，在24 d的時(shí)間內(nèi)，完成了170臺(tái)、重約45 t的綜采液壓支架搬運(yùn)工作，相比其他搬運(yùn)方式所需時(shí)間減少了21天，大大縮短了綜采工作面的搬家倒面周期。

5 結(jié)論

本文基于斜巷及立井兩種輔運(yùn)類型，分析了我國(guó)目前支架搬運(yùn)方式及特點(diǎn)，提出了一種采用新型支架搬運(yùn)拖車的搬運(yùn)方法，介紹了支架搬運(yùn)拖車的適用范圍、技術(shù)參數(shù)、結(jié)構(gòu)組成及工作特點(diǎn)，校核了支架搬運(yùn)拖車U型框架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。實(shí)際應(yīng)用表明，這種搬運(yùn)方式使用設(shè)備單一、轉(zhuǎn)運(yùn)環(huán)節(jié)簡(jiǎn)單、參與人數(shù)較少，避免了安全隱患，提高了支架搬運(yùn)效率，縮短了綜采工作面的搬家倒面周期。