單軌吊運輸車彎軌運行軌道力學特性

黃志祥，葉慶春，張景亮，鄧海順

（安徽理工大學 機械工程學院，安徽 淮南 232001）

軌道是單軌吊運輸車的主要承載機構，其力學特性和穩(wěn)定性是確保安全運輸?shù)闹匾A。尹鵬飛［1］根據運輸車在不同軌道狀況下自適應切換，設計了單軌吊運輸車復合驅動方式；趙猛［2］在分析單軌吊結構特性的基礎上，對單軌吊系統(tǒng)進行不同工況下的仿真分析。盧正湯［3］在研究軌道安全性能的基礎上，改進單軌吊軌道的懸掛方式，設計了一種新型煤礦單軌吊H 型鋼梁-軌道的懸掛方式。以上研究均針對直軌運輸，沒有涉及單軌吊運輸車在轉彎過程的研究。單軌吊運輸車在重載過彎時，彎軌腹板集中應力過大，導致軌道折彎失效。軌道的折彎失效，是造成單軌吊運輸車發(fā)生運輸事故的重要原因之一。

針對以上問題，本文提出一種串并聯(lián)驅動單軌吊，可減小驅動部之間拉桿的應力峰值，減緩單軌吊運輸車在重載過彎時對軌道的沖擊，降低應力集中導致的軌道折彎失效事故的發(fā)生率，提高設備的安全性。

1 單軌吊驅動部力學特性分析

1.1 現(xiàn)有單軌吊驅動部力學特性分析

單軌吊相鄰驅動部之間用拉桿連接首尾，驅動部通過拉桿傳遞驅動力，這種傳統(tǒng)單軌吊的驅動方式，使得力在起吊梁兩側的拉桿和軌道兩端累加，導致垂直于軌道腹板方向上的力矩過大，使軌道遭到破壞，發(fā)生運輸事故，造成無法挽回的損失。

1.2 串并聯(lián)驅動單軌吊驅動部力學特性分析

單軌吊各驅動部之間的液壓驅動為并聯(lián)，確保驅動部同步前進。將靠近起吊梁的2 臺驅動部串聯(lián)，遠離起吊梁的3 臺驅動部串聯(lián)，現(xiàn)串并聯(lián)混合傳遞驅動力，如圖1 所示。改變單軌吊驅動力的傳遞方式，減小起吊梁兩側的拉桿和軌道兩端的力。

圖1 串并聯(lián)驅動單軌吊結構Fig.1 Structure diagram of series and parallel drive monorail crane

承載車左端承受來自左側回型拉桿向右的力，右端承受來自右側回型拉桿向左的力，根據力的傳遞性和疊加原理，所述串并聯(lián)驅動單軌吊單元組力的峰值在承載車兩側。

2 彎軌運行軌道的數(shù)學模型

2.1 驅動部受力分析

單軌吊運輸車在平巷運行時，主要克服機車在負載時與軌道之間的摩擦阻力。單軌吊運輸車在機車負載時的受力如圖2所示。

圖2 單軌吊受力Fig.2 Stress diagram of monorail crane

圖2 中：G為單軌吊機車自重和負載重力，kN；F為單軌吊運輸車所需的驅動力，kN；Ff為軌道對驅動部的摩擦阻力，kN；FN為軌道對驅動部的支持力，kN。

如單軌吊運輸車運行過程中不考慮變形阻力、空氣阻力等因素，單軌吊運輸車總牽引力計算式為

式中：Fa為單軌吊運輸車在加減速時機車自重和負載受到的慣性力，kN。

單軌吊運輸車慣性力計算公式如下：

式中：m為單軌吊運輸車載質量，kg；η為慣性系數(shù)，礦山機械通常取1.075［4］；為單軌吊運輸車運行加速度，重載時取0.015 m/s2。

單軌吊運輸車在運行過程中的摩擦阻力計算公式如下：

式中：μ為馬達驅動輪與軌道的動摩擦系數(shù)，一般取0.2。

結合式（1）~式（3），計算得單軌吊運輸車行駛時所需的驅動力計算公式如下：

單個驅動部的驅動力公式如下：

2.2 軌道的力矩

根據單軌吊軌道安裝標準［5-10］，彎軌部分簡化成2等跨梁，以起吊梁下方第1根軌道為例，承載車行駛到第1根彎軌左半段中間位置時，其對彎軌的合力最大，且軌道產生的應變最大。此時第1節(jié)彎軌主要承受5個外力，第1根彎軌的力學模型如圖3所示。

圖3 危險工況下的彎軌力學模型Fig.3 Mechanical model of bending rail under dangerous working conditions

承載小車分別受到彎軌對承載小車的力為fg1，承載小車對彎軌的力為fc，兩端拉桿的力為f4和f5，承載小車受到的合力為fh1，指向圓心，如圖4所示。

圖4 承載小車受力Fig.4 Force diagram of the bearing car

根據圖3和圖4計算可得

式中：mc為承載車質量，kg；R為軌道半徑，mm；為第1 臺驅動部距離彎軌右端的弧線距離，mm；為第1 臺驅動部到承載車的弧線距離，mm；l5為承載小車距離起吊梁的直線距離，mm；；l6為第3臺驅動部距離承載小車的直線距離，mm；

第2 臺驅動部受左側承載小車的拉力為f6，受彎軌的力為fg2，第2 臺驅動部對彎軌的力為f2q，驅動部受到的合力為fh2指向圓心，如圖5所示。

圖5 第2臺驅動部受力Fig.5 Force diagram of the second driving part

根據圖3和圖5計算可得

式中：m2q為第2 臺驅動部質量，kg；α為第1 與第2臺驅動部之間的拉桿與X軸的夾角，（°）；h=。

軌道在垂直于腹板方向力學平衡表達式如下：

設矩陣M為軌道上各點的力矩，表達式如下：

式中：?為單根彎軌弧長，mm；l2為第一臺驅動部距離起吊梁的直線距離，mm；l3為第1 與第2 臺驅動部之間的直線距離，mm；l6為第3 臺驅動部距離承載小車的直線距離，mm。。

3 彎軌運行的軌道力學特性分析

3.1 計算條件

單軌吊軌道的截面形狀有3種：重軌140 V軌道、輕軌I140 E 軌道、國內常見的14 號熱軋工字鋼［11］。本文選用I140E輕型軌道，材質為Q345B，安全系數(shù)取1.5，每節(jié)軌道弧長為2 000 mm，本文將軌道簡化為Ⅱ等跨梁，其中的1跨視為懸臂梁，所以彎軌安全許用條件為：[δ]≤230 MPa，[y]≤4 mm。其中，[δ]為軌道材料許用屈服強度，[y]為軌道許用撓度。

3.2 計算結果與分析

以載重量分別為40、50 和60 t 的單軌吊運輸車，對3種轉彎半徑分別為4 000、5 000和6 000 mm的軌道進行力學仿真分析，結果見表1。

表1 軌道力學仿真分析結果Tab.1 Results of orbital mechanics simulation analysis

載重量為60 t的單軌吊運輸車在半徑4 000 mm的軌道上行駛，最大應力值和最大撓度均在許用范圍內，驗證了串并聯(lián)驅動單軌吊的可行性。軌道分析云圖如圖6所示。

圖6 分析云圖Fig.6 Analysis cloud

現(xiàn)將軌道分為3 部分（頂板、腹板和底板），單軌吊運輸車載重量為60 t，在半徑4 000 mm的軌道上對軌道進行仿真分析，結果如圖7所示。

圖7 載重量60 t時4 000 mm軌道分析Fig.7 4 000 mm track analysis at 60 t load capacity

由圖6 和圖7 可得，與彎軌頂板和底板的2 個跨中位置相比，彎軌腹板在2 個跨中位置的應力值和變形量出現(xiàn)陡增，其原因是軌道的腹板較薄，且單軌吊運輸車在重載過彎時，對腹板的沖擊較大，軌道應力集中和變形過大，導致彎軌折彎失效，最終引發(fā)井下運輸事故。

4 結論

（1） 針對單軌吊運輸車在轉彎時會發(fā)生軌道折彎失效的問題，提出串并聯(lián)驅動單軌吊，驗證了串并聯(lián)驅動單軌吊運輸車在重載轉彎時，彎軌的安全性。

（2） 同等載重下，單軌吊運輸車在彎軌上行車，軌道半徑越小，承載車和驅動部對彎軌腹板的沖擊越強。增大單軌吊運輸車的轉彎半徑，可減少軌道折彎失效的危險性。

（3） 串并聯(lián)驅動單軌吊運輸車對巷道內軌道變更的適應能力增強，減少因軌道變更而調整驅動部位置的情況，節(jié)省人力和時間，提高單軌吊運輸車的使用效率。