礦用新型支架搬運拖車的設計分析

姜圣賢

（山西潞安環保能源開發股份有限公司五陽煤礦， 山西 長治 046205）

引言

國內煤礦工作面正常生產時間的15%是井下綜采工作面的搬家倒面時間，而超過70%的總搬家時間均為液壓支架運輸時間，所以制約礦井產量和效率的最主要、最關鍵的因素就是綜采工作面中液壓支架的搬運效率。

近來市場上出現了適用于斜巷輔運的鏟板式搬運車、支架搬運車等不同種類的無軌式的液壓支架輔運設備，但是不適用于立井輔運方式。因此，研究一種適用范圍廣、運輸效率高、制造成本低的支架搬運設備是非常必要的，快換式支架搬運拖車就是解決此問題的一種理想設備。

1 國內主流井下液壓支架運輸方式和特征

近年來，隨著無軌輔助運輸的快速發展，煤礦井下綜采工作面液壓支架的搬運作業主要通過使用防爆膠輪車整體運輸來實現，這種運輸方式充分保證了礦井的安全高效生產，極大地減少了輔運人員的人數，有效降低了井下人員的勞動強度，不僅提高了綜采工作面的運輸速度和安撤效率，還提高了礦井作業的安全水平，降低了成本，提高了收益。目前斜井和立井開采礦井液壓支架的運輸方式不同。適用于斜井的液壓支架主要包括兩種方式：框架式支架搬運車和鏟板式搬運車[1]。

框架式支架搬運車如圖1所示。支架長距離運輸且采用U型框架的框架式支架搬運車，支架從地面經搬運車運輸，被運至工作面的切眼位置。其中，框架式支架搬運車車型是產自山西天地煤機裝備有限公司澳大利亞工創集團的防爆支架搬運車。

鏟板式搬運車如圖2所示。支架在切眼位置，經鏟板式搬運車，被運輸至工作面后安裝。其中的車型主要是產自美國CAT、山西天地煤機裝備有限公司以及德國SANDVIK的鏟板式搬運車，其動力裝置主要包括防爆柴油機和蓄電池兩種類型。

圖1 框架式支架搬運車實樣

圖2 鏟板式支架搬運車實樣

因為立井開采礦井中具有對罐籠尺寸的要求，一般為5.2 m，此時，長為10 m左右的支架搬運車沒有辦法進入罐籠。在該種情況下，基本借助地面拆解的方式進行液壓支架搬運，通過罐籠被轉運到井下硐室并進行再次安裝，經框架式支架搬運車把它運輸到工作面，或者附近的硐室進行二次組裝。使用該運輸方式的代表企業有山東兗礦集團和集散煤礦。

近幾年興建了很多大型的礦井，立井礦井的提升能力和罐籠尺寸也得到逐漸改善，比如，提升能力實現65 t，罐籠運輸的長度尺寸實現增長至8 m。因此，也改變了立井礦井中液壓支架的搬運方式，其傳統的支架搬運方式通常是在地面調整液壓支架姿態（支架長度縮短，高度變高），使得對應的支架獲得適用的下罐構造，經過提升設備的運輸，將對應的液壓支架運至平板車上，之后，經過功能齊全的鏟運機與相應運輸平板車的耦合連接，在較短時間內，將支架和對應的支架運輸平板車直接運送到相應的罐籠內，同時轉運到井下。通過井下專門的轉運換裝臺，把支架換裝到框架式支架搬運車中，等到液壓支架姿態恢復之后，再把其運輸到工作面，如圖3所示。該運輸方式能夠有效避免框架式支架搬運車無法直接下罐的問題，能夠充分解決由于支架拆解運輸產生的問題，整個綜采工作面經此操作，其安撤效率得到了很大的提高，并且相應液壓支架的運輸周期極大地縮短。

圖3 多功能鏟運機+支架運輸平板車實樣

對應涉及的支架搬運方式，包括“框架式支架搬運車+鏟運機+支架運輸平板車”三部分，具有如下特征：支架裝卸比較困難，轉運環節和設備比較復雜，涉及的人員比較多，容易發生安全隱患。與此同時，出于地面液壓支架存放地點的遠近距離不等的原因，設備的使用效率還會受到以下因素的直接影響：輔運順槽的長度因綜采工作面不同而出現差異、不同車輛和車型數量不匹配、框架式支架搬運車和多功能鏟運機等個別設備處于等待工作的運行狀態，不能夠對其高效使用。除此之外，該搬運方式還要求在井下出罐附近額外設置專用的轉運換裝臺，并且開拓換裝空間，這為礦井的設計增添了較多的要求，不便于設計。

2 新型支架搬運拖車的設計分析

2.1 支架搬運拖車應用的相關范圍

支架搬運拖車是一個無軌輔運設備，用于搬運液壓支架，能夠實現快速連接多功能鏟運機。其中，借助獨特的U型封底框架，配置快速裝卸液壓支架系統以及大扭矩安全型制動裝備，具有如下優點：低制造成本、大運輸能力、強爬坡能力、安裝簡便、操作簡單可靠等。該類型的支架搬運拖車一方面能夠達到液壓支架長距離運輸的目標，另一方面能適用于多樣化條件的礦井，比如立井運輸礦井、斜巷運輸礦井等，特別是適用于配備大型罐籠的副立井輔運系統，能夠在該新型支架搬運方法的立井輔運條件下快速搬運液壓支架。這種搬運設備的主要思路如下：支架在地面時，經支架搬運車與多功能鏟運車的高效運轉被運至礦井口，將整個支架和拖車所組成的一個整體裝入罐中，在避免了吊裝、卸載、轉運等環節的情況下，經其他鏟運機和拖車的高效運轉和配合，將支架直接運送至所處的工作面。與此同時，結合綜采工作面液壓支架的質量、罐籠的尺寸及提升能力，借助模塊化的方式，設計具有不同噸位級別的拖車[2]。

2.2 支架搬運拖車的整體架構和運行特征

該支架搬運拖車的整體架構如圖4所示。通過快換連接裝置連接該拖車和多功能鏟運機，由多功能鏟運機產生動力。在具體的結構中，支架搬運拖車基于U型封底式箱型框架結構，配備各項裝置，包括三自由度鉸接、快速連接、升降、推移、牽引和制動裝置等。

圖4 支架搬運拖車總體結構

第一，三自由度鉸接裝置。能夠有效保障整車行走的穩定安全，幫助實現拖車的轉動和橫向前后擺動。

第二，升降裝置。有效保障整車充足的提升能力，有效節省很多拖車橫向布置的空間，能夠達到整車外形的尺寸要求。

第三，推移裝置。其構成主要是兩個獨立的推移導向筒和油缸，具有推移行程較長、推移能力較大的特征，有利于把液壓支架從車廂推出。

第四，牽引裝置。結合大繩力液壓絞車的設計，通過推移和升降裝置能夠有效實現快速裝卸拖運物件的目的。

第五，制動裝置。能夠有效保證駐車和行車的可靠安全。

3 支架搬運拖車U型結構的性能分析

在支架搬運拖車中，其主要承載結構即是U型框架，其前端是由多功能鏟運機和三自由度鉸接裝置進行快速連接，其后端是由升降裝置與制動裝置和行走部分輪胎連接，故拖車U型框架是整車運輸過程中的最主要承載機構，如穩定性和可靠性等運輸設備的性能，直接受到U型框架中各個部件的強度和剛度的影響。

封底式的U型框架結構被用于支架搬運拖車，可以實現煤礦綜采設備高效遠距離運輸，由于車輛行駛速度快，并且運輸設備大部分是大采高重型設備，煤礦井下的運輸環境也十分的惡劣，因此對U型框架強度的設計具有較高的要求。基于以上分析情況，通過多體動力學分析方式，對左輪過障礙和右輪過坑進行全面的受力分析，詳情見圖5、圖6，優化了搬運拖車U型框架設計，對拖車中各系統的質量進行合理分配，其中不僅保證拖車U型框架強度，滿足對支架搬運拖車承載的要求，還使得拖車充分符合輕量化的設計要求。

圖5 U型框架動態受力曲線

圖6 U型框架惡劣工況有限元分析應力云圖

可以從應力云圖得到一些信息，如圖6，處于升降裝置的油缸耳位置，拖車的U型框架最大的應力值達到了210 MPa，其應力的性質是拉應力，預選拖車材料的屈服極限為345 MPa，其安全系數較高，可滿足實際需要。其中，為了有效提高局部區域的強度，采用高強度板材作為部分板件材料[3]。

4 實際適用的狀態

經過一系列的研究，研制出50 t級別的支架搬運拖車，并且，在研制成功之后，在鄂爾多斯的某個主斜井副立井式的煤礦中開展了一系列的試驗與探究，在24 d的時間當中，有效完成了質量約45 t、170臺綜采液壓支架的搬運，對比其他的搬運方式時間足足減少21 d，極大地提高了搬運的效率，有效減小了綜采工作面搬家倒面的時間，縮短了周期。

5 研究結論

本研究對目前國內主流的礦井支架搬運方式進行了分析和總結，結合實際綜采時的各種問題以及斜巷和立井兩種礦井輔運類型，研發出了新型支架搬運拖車的運輸設備，對支架搬運拖車的參數指標、技術構成、適用場景以及工作特征進行了介紹，并且對該支架搬運拖車所采用的新型U型框架結構進行了強度校核。經實踐運用，該種搬運方式使支架搬運效率得到了極大提高，有效減少了在綜采工作面進行作業時的搬家倒面的時間，并且該搬運方式參與人數減少，使用設備單一高效，轉運工作簡單，提高了安全系數。