煤礦輔助運輸單軌電動機車設計分析*

邢 琪

(晉能控股煤業(yè)集團 同忻煤礦山西有限公司，山西 大同 037000)

0 引 言

煤礦的輔助運輸對于保證煤礦安全高效生產(chǎn)具有重要的作用[1-2]。煤礦井下的輔助運輸，是指在煤礦實際生產(chǎn)過程中除了對煤炭的運輸之外的其他運輸形式，比如常見的對井下機電設備、井下人員、井下電控柜、井下輔助材料的運輸?shù)榷喾N運輸類型[3]。目前，隨著大傾角帶式輸送機、長距離帶式輸送機的大量使用，傳統(tǒng)的煤礦井下輔助運輸設備(絞車、無極繩絞車、機車等)已經(jīng)無法滿足當前的煤礦運輸需求。國內(nèi)現(xiàn)有的煤礦輔助運輸系統(tǒng)主要有兩種類型：①有軌道式運輸形式；②無軌道式運輸形式，有軌式運輸車包括卡軌車、齒軌卡軌車、單軌吊等，無軌式運輸車是以膠輪車為主要代表，其對應的驅(qū)動與傳動技術為柴油驅(qū)動和電驅(qū)動形式。傳統(tǒng)的柴油驅(qū)動形式存在成本高、占地面積較大、尾氣排放污染嚴重、柴油機單軌吊液壓管路復雜以及效率較低等問題，嚴重影響了煤礦輔助運輸?shù)陌踩院涂煽啃浴ｋ婒?qū)動形式是利用電動機將電能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能，驅(qū)動單軌裝置運動，電驅(qū)動形式具有比較高的靈活性以及適應性，成本相對比較低，結(jié)構簡單，形式比較靈活。

單軌電動機車是指以單軌作為支撐結(jié)構，采用電能驅(qū)動的煤礦輔助運輸設備，適合在狹窄的煤礦井下應用。目前國內(nèi)在單軌電動機車方面的研究成果較少，尹鵬飛[4]通過對單軌電動機車的研究，提出了一種用于煤礦輔助運輸?shù)膯诬夒妱訖C車，但在實際設計過程中并沒有對關鍵軌道系統(tǒng)進行力學特性分析，無法驗證結(jié)構設計的可靠性。對單軌電動機車的相關設計研究，對于維護煤礦可持續(xù)發(fā)展、提高煤礦運輸效率、保證煤礦安全具有一定的理論意義和實用價值。筆者通過對煤礦輔助運輸系統(tǒng)特點和技術進行分析，提出了一種煤礦輔助運輸單軌電動機車設計方案，對單軌電動機車關鍵零件的受力變形情況進行了分析，驗證了機構和結(jié)構設計的合理性。

1 煤礦輔助運輸驅(qū)動技術應用及問題

目前國內(nèi)的輔助運輸車驅(qū)動形式有兩種，一種是柴油驅(qū)動，一種是電力驅(qū)動，兩者需要滿足井下的防爆、防塵和防潮等特殊工況要求[5]。

其中柴油驅(qū)動膠輪車動力油為柴油，柴油燃燒一般都不充分，尾氣中含有的粉塵和有毒物質(zhì)比較多，對環(huán)境的污染比較嚴重，同時柴油機的傳動效率比較低，系統(tǒng)的總能耗比較高。而防爆電力膠輪車，是以清潔能源電力作為動力源，受到電池壽命和續(xù)航能力不足的影響，電力膠輪車運行時間比較短，需要頻繁進行充電。整車的成本也比較高，應用范圍比較窄，雖然不需要鋪設軌道，具有運動靈活，速度快，用途廣泛等優(yōu)點，但是對于巷道的可用空間資源要求比較嚴格，爬坡角度≤12°，主要是適用于地面比較平整的巷道。圖1所示為膠輪車結(jié)構示意圖。

圖1 膠輪車結(jié)構示意圖

目前輔助運輸車在井下的用量較大，不同的驅(qū)動裝置和傳動系統(tǒng)導致運輸車各有優(yōu)點和不足，煤礦輔助運輸車類型主要有無軌膠輪車、柴油機單軌吊以及電力驅(qū)動單軌吊三種形式，其中無軌膠輪車能夠適應坡度小的場合，但尾氣污染嚴重超標；柴油機單軌吊液壓系統(tǒng)管路比較復雜，且連接成本較高、容易引起泄露污染、能源浪費、效率較低等問題，嚴重影響了煤礦輔助運輸系統(tǒng)的發(fā)展；從目前國內(nèi)研究現(xiàn)狀來看，基于電機驅(qū)動的單軌電動機車輔助運輸系統(tǒng)，在煤礦領域內(nèi)的應用研究仍處于起步階段。

針對當前單軌吊存在的能源浪費嚴重、運輸效率以及自動化程度較低等問題，提出一種新的輔助運輸方式——電機驅(qū)動的單軌電動機車輔助運輸系統(tǒng)，其具有免轉(zhuǎn)載、物料運輸量大、污染小且效率高等優(yōu)點，有利于提高煤礦井下輔助運輸效率，縮短運輸周期，提高生產(chǎn)管理水平。

2 單軌電動機車總體方案設計

2.1 單軌電動機車系統(tǒng)組成

單軌電動機車系統(tǒng)主要是由機車、軌道以及配套的監(jiān)控系統(tǒng)等部分組成，其中機車是負責整個驅(qū)動系統(tǒng)的核心，軌道系統(tǒng)是整個電機車的支撐系統(tǒng)，圖2所示為單軌電動機車集裝箱運輸系統(tǒng)結(jié)構組成。

圖2 單軌電動機車集裝箱系統(tǒng)組成

如圖2所示，單軌電動機車整體結(jié)構是由軌道、集裝箱、驅(qū)動電機以及懸掛單元等部件組成。驅(qū)動系統(tǒng)是單軌電動機車的重要組成部分，是驅(qū)動單軌電動機車行進的重要裝置；制動系統(tǒng)是單軌電動機車的安全保障；起吊系統(tǒng)是單股電動機車運輸人員或物料的裝置，是單軌電動機車的工作重心。

2.2 驅(qū)動系統(tǒng)結(jié)構組成

單軌電動機車的驅(qū)動系統(tǒng)是整個輔助運輸系統(tǒng)的動力來源，圖3所示為單軌電動機車驅(qū)動系統(tǒng)結(jié)構組成。

圖3 驅(qū)動系統(tǒng)結(jié)構組成示意圖1.永磁同步電動機 2.驅(qū)動箱體 3.主動齒輪 4.從動齒輪 5.連接軸 6.軸承 7.驅(qū)動齒輪 8.行走輪

從圖3中可以看出，單軌電動機車驅(qū)動系統(tǒng)主要由永磁電動機、驅(qū)動箱體、主動齒輪以及從動齒輪等部分組成。永磁同步電動機是通過螺栓固定在驅(qū)動箱體上并且由主動齒輪通過花鍵直接相連，主動齒輪和從動齒輪是相互嚙合的，并且主動齒輪是作為惰輪從而可以實現(xiàn)對兩個從動齒輪的轉(zhuǎn)向控制。由于主動齒輪、驅(qū)動齒輪以及行走輪都是采用同一根軸，所以它們之間通過鍵連接實現(xiàn)同步旋轉(zhuǎn)。

2.3 起吊系統(tǒng)關鍵部件設計

起吊系統(tǒng)是單軌電動機車的執(zhí)行部件，實現(xiàn)對集裝箱、人員以及有關設備的提升，圖4所示為單軌電動機車起吊系統(tǒng)結(jié)構組成示意圖。

圖4 起吊系統(tǒng)結(jié)構組成示意圖

由圖4中可知，起吊系統(tǒng)是由傳動鏈條、起吊鉤、八齒環(huán)鏈輪以及起吊床身等部分組成，其中的起吊梁內(nèi)設有起重葫蘆，通過液壓馬達驅(qū)動梁身內(nèi)的固定八齒環(huán)鏈輪以及兩條起吊鏈提升單點平衡板完成起吊，此外，有兩條吊鏈固定在起吊梁上。單點平衡板上設有兩組八齒環(huán)鏈輪作為動滑輪，可提高梁的起吊能力。

2.4 軌道系統(tǒng)關鍵部件設計

軌道系統(tǒng)是單軌電動機車的支撐系統(tǒng)。其中，T型軌道下方的兩端設有卡扣，卡扣主要是用于兩根軌道的結(jié)合，起到了固定軌道的作用。圖5所示為軌道系統(tǒng)結(jié)構示意圖。

圖5 軌道系統(tǒng)結(jié)構示意圖

從圖5中可以看出，軌道上的吊耳既做軌道之間的連接，又通過圓環(huán)鏈將軌道懸掛于空中。軌道齒條安裝在 T 型軌道兩側(cè)，根據(jù)軌道坡度以及驅(qū)動力的不同要求，選擇在 T 型軌道一側(cè)或兩側(cè)安裝。事實上，軌道系統(tǒng)是單軌電動機車的核心受力構件，在實際運行過程中受到行走輪對軌道緣的作用力，同時受到下方懸垂物對軌道的作用力，所以軌道的變形對運行的穩(wěn)定性影響非常大，同時受到煤礦井下惡劣環(huán)境的影響，在實際運行過程中結(jié)構的振動特性比較復雜，容易出現(xiàn)電動機的振動頻率與軌道結(jié)構的固有振動特性頻率一致并最終導致引起系統(tǒng)共振，為此，需要對軌道關鍵部件進行動力學特性分析，從而驗證方案設計的合理性和可行性。

3 驅(qū)動系統(tǒng)關鍵部件的有限元分析

單軌電動機車驅(qū)動裝置是通過多個齒輪相互嚙合將動力傳遞到連接軸，其作用是牽引電動機車行車，因而，對傳動齒輪進行動力學分析具有非常重要的研究意義。

將設計完成的傳動齒輪導入到ANSYS中，設置齒輪的材料屬性以及固定約束，齒輪的材料為45鋼，密度為7 850 kg/m3，泊松比 0.31，彈性模量為 210 GPa，劃分網(wǎng)格后的節(jié)點數(shù)為232 591，單元數(shù)為1 526 942。添加求解項可以得到如圖6所示的分析結(jié)果。

圖6 傳動齒輪模態(tài)分析云圖

從圖6可以看出傳動齒輪固有振動頻率為382 Hz，單軌電動機車的實際運行速度為2.2 m/s，行走輪的直徑設定為120 mm，電動機的實際轉(zhuǎn)速為960 r/min，通過計算可以得到傳動齒輪嚙合頻率為152 Hz，可以得出齒輪嚙合頻率與固有頻率相差較大。當傳動齒輪正常工作時結(jié)構的振動頻率遠小于固有頻率，且不是固有頻率的整數(shù)倍，驅(qū)動齒輪不會發(fā)生結(jié)構共振，不會引起結(jié)構的破壞，結(jié)構設計合理。

4 單軌電動機車軌道系統(tǒng)有限元分析

4.1 軌道系統(tǒng)有限元分析模型的建立

軌道系統(tǒng)是組成單軌電動機車的重要部分，用于支撐整個機車系統(tǒng)，其受力比較復雜，容易出現(xiàn)結(jié)構損壞。為此，在SolidWorks 2019中建立單軌電動機車軌道系統(tǒng)方案，導入到Workbench 14.5中，通過定義材料屬性、劃分網(wǎng)格、添加約束、添加載荷和求解項等步驟，對軌道系統(tǒng)關鍵部件進行靜力學分析。表1所列為材料屬性定義。

表1 軌道系統(tǒng)材料屬性定義

軌道通過錨桿固定于巷道頂部，軌道系統(tǒng)所受到的外力來自機車自身重量和所載貨物質(zhì)量，所以在軌道系統(tǒng)中添加對應的載荷和驅(qū)動力。軌道系統(tǒng)網(wǎng)格劃分單元尺寸大小為3 mm；總節(jié)點數(shù)為1 109 887；網(wǎng)格數(shù)為292 098。軌道系統(tǒng)網(wǎng)格劃分后的有限元模型如圖7所示。

圖7 軌道系統(tǒng)網(wǎng)格劃分結(jié)果

4.2 靜力學分析結(jié)果

完成網(wǎng)格劃分后，對軌道系統(tǒng)添加求解項，對軌道系統(tǒng)的整體結(jié)構受力以及變形進行有限元計算，得到如圖8所示的分析結(jié)果。

圖8 靜力學分析結(jié)果云圖

從圖8中可以看出，軌道系統(tǒng)在受到多個作用力加載時，結(jié)構軌道吊耳部分的受力達到了最大，所受的等效應力是136.52 MPa，由于軌道系統(tǒng)的材料為Q235鋼，所以許用應力值為235 MPa，結(jié)構的最大應力136.52 MPa<235 MPa，得出結(jié)構的強度滿足要求。從圖8(b)中可以看出，軌道系統(tǒng)的最大總變形量為0.25 mm，對于整個單軌電動機車軌道系統(tǒng)而言，變形是比較小的，可以得出結(jié)構的剛度滿足要求。綜上所述，可以得出本次提出的單軌電動機車的軌道支撐系統(tǒng)的力學特性比較穩(wěn)定，能夠滿足煤礦井下單軌電動機車的強度以及剛度要求，保證井下輔助運輸系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行。

5 結(jié) 語

針對傳統(tǒng)煤礦輔助運輸系統(tǒng)存在能耗高、運輸線路復雜以及效率低等問題，文中通過對傳統(tǒng)的輔助運輸系統(tǒng)特性進行分析，提出了一種電驅(qū)動單軌電動機車設計方案，并對關鍵部件進行結(jié)構設計和分析，利用有限元計算軟件Workbench對受力部件軌道系統(tǒng)進行求解，結(jié)果得出此次設計的這套單軌電動機車軌道系統(tǒng)力學性能穩(wěn)定，滿足強度要求，驗證了設計方案的合理性。