底側(cè)卸式礦車外動(dòng)力卸載設(shè)施的研究與應(yīng)用

摘要：大型有軌運(yùn)輸?shù)V車設(shè)有專用卸載站，站內(nèi)礦車沿卸載曲軌運(yùn)行。針對(duì)礦車通過卸載站時(shí)電機(jī)車無法產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)力，導(dǎo)致礦車無法穩(wěn)定通過卸載站問題，從礦車通過卸載站機(jī)械能變化情況出發(fā)，以塞爾維亞某銅礦卸載站為例，分析礦車卸載過程中速度變化情況，并通過設(shè)置外動(dòng)力設(shè)施控制卸載運(yùn)行速度，使大型有軌運(yùn)輸?shù)V車卸載平穩(wěn)可靠，對(duì)生產(chǎn)系統(tǒng)自動(dòng)化起到了極大促進(jìn)作用。

關(guān)鍵詞：底卸式礦車；電機(jī)車；卸載站；機(jī)械能；外動(dòng)力設(shè)施

中圖分類號(hào)：TD524文章編號(hào)：1001-1277（2024）05-0025-03

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：Adoi：10.11792/hj20240506

引言

大型有軌運(yùn)輸?shù)V車廣泛應(yīng)用于大規(guī)模地下礦山的中段運(yùn)輸。常見大型礦車卸礦方式有底卸式和底側(cè)卸式，不論何種卸載方式，均設(shè)有專用固定卸載站，卸載站內(nèi)設(shè)有卸載托輪和卸載曲軌。使其行駛至卸載站后，機(jī)頭及礦車車身由卸載托輪托舉前行，礦車底板以相應(yīng)的方式打開后沿著卸載曲軌運(yùn)行［1］。但是，礦車通過卸載站時(shí)，牽引電機(jī)車無法產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)力，傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中有3種方式使礦車通過卸載站：①礦車運(yùn)行至卸載站附近時(shí)，控制礦車初始速度，使其利用自身慣性通過卸載站。②礦車設(shè)置前后2臺(tái)牽引電機(jī)車，正常運(yùn)行時(shí)，前端電機(jī)車作為牽引電機(jī)車，后端電機(jī)車僅跟隨礦車運(yùn)行；通過卸載站時(shí)，后端電機(jī)車起控制作用，使礦車平穩(wěn)通過卸載站［2］。③采用銷齒式推車機(jī)代替方式②中尾部電機(jī)車［3］，礦車運(yùn)行至卸載站時(shí)切換驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，由推車機(jī)推動(dòng)礦車前行。但是，以上方式均存在相應(yīng)缺點(diǎn)：礦車靠慣性力通過時(shí)，系統(tǒng)不可控，存在不確定性；當(dāng)發(fā)生特殊情況時(shí)，礦車易停留在卸載站上方，造成事故；礦車通過卸載站速度過快時(shí)，會(huì)造成設(shè)備之間撞擊、掉道等事故［4］。采用雙電機(jī)車配置時(shí)，存在設(shè)備浪費(fèi)現(xiàn)象。采用推車機(jī)方式時(shí)，推車機(jī)需液壓站提供動(dòng)力，且滿載礦車自重較大，需液壓站提供壓力較高的液壓油，增加了液壓系統(tǒng)漏油的風(fēng)險(xiǎn)；同時(shí)，推車機(jī)機(jī)械系統(tǒng)較復(fù)雜，維護(hù)成本高。

想要礦車穩(wěn)定可靠地卸載，就需要控制礦車通過卸載站的速度。塞爾維亞某銅礦礦車卸載系統(tǒng)采用外動(dòng)力設(shè)施，通過對(duì)礦車施加外部驅(qū)動(dòng)力，使礦車勻速通過卸載站，該方式穩(wěn)定可靠，已實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制。

1卸載站基本參數(shù)

塞爾維亞某銅礦采用65 t電機(jī)車單機(jī)牽引10輛底卸式礦車，電機(jī)車配套電動(dòng)機(jī)功率4×20 kW。20 m3礦車自質(zhì)量13.5 t，平均載質(zhì)量30 t，卸礦最大卸載傾角55°，車長6.09 m。卸載站有效卸載長度25.7 m，托輪間距1.0 m。進(jìn)入卸載曲軌前布置有4套外動(dòng)力設(shè)施，卸載完脫離卸載曲軌后布置有2套外動(dòng)力設(shè)施，外動(dòng)力設(shè)施驅(qū)動(dòng)輪直徑800 mm，單套驅(qū)動(dòng)功率22 kW。卸載站布置示意圖如圖1所示。

2礦車卸載過程中機(jī)械能變化

礦車卸載是一個(gè)復(fù)雜的過程［5］，為簡化計(jì)算，本文進(jìn)行如下假設(shè)：

1）礦車及裝載物料重心相對(duì)于設(shè)定的零點(diǎn)位置高差相同，卸載過程中礦車重心未發(fā)生變化。

2）礦車卸載過程中完全卸載干凈。

3）忽略開始卸載時(shí)物料流出量，認(rèn)為物料僅在大于堆積角后才開始從礦車底板流出。

4）卸載站前、后段軌道及托輥為水平安裝。

5）卸載站托輪和礦車之間作用時(shí)沒有滑動(dòng)現(xiàn)象。

2.1礦車以初始速度進(jìn)入卸載站時(shí)的機(jī)械能

根據(jù)圖1卸載站布置示意圖，取曲軌最低點(diǎn)B為零點(diǎn)位置，當(dāng)?shù)V車以初始速度v1進(jìn)入卸載站C點(diǎn)時(shí)，礦車具有的機(jī)械能：

Ej1=nm1v212+nm1gh（1）

式中：Ej1為礦車進(jìn)入卸載站時(shí)總機(jī)械能（J）；n為礦車數(shù)量；m1為礦車滿載時(shí)總質(zhì)量（kg）；v1為礦車進(jìn)入卸載站時(shí)運(yùn)行速度（m/s）；g為重力加速度（m/s2）;h為滿載礦車重心相對(duì)于B點(diǎn)高度（m）。

經(jīng)計(jì)算，Ej1=20 302 950.75 J。

2.2礦車卸載物料過程中機(jī)械能變化

由于礦車卸載物料過程極為復(fù)雜，為簡化計(jì)算，假定礦車在整個(gè)卸載過程中分為兩階段：第一階段為礦車卸礦口張開至物料可完全卸載位置，物料相對(duì)于礦車底板未移動(dòng)；第二階段為物料在重力作用下加速下滑，假定礦車此時(shí)為瞬時(shí)靜止?fàn)顟B(tài)［6-7］。

根據(jù)以上假設(shè)，礦車在卸載物料過程中機(jī)械能變化情況為：第一階段物料勢能降低，轉(zhuǎn)化為礦車及物料的動(dòng)能，總機(jī)械能未發(fā)生變化；第二階段物料下滑，此時(shí)物料勢能進(jìn)一步降低，該部分勢能轉(zhuǎn)化為物料的動(dòng)能和克服物料與礦車底板間摩擦力做功，總機(jī)械能減少。礦車卸載過程狀態(tài)示意圖如圖2所示。

第二階段機(jī)械能變化量：

Ej2=nm2gh2（2）

式中：Ej2為卸載過程中機(jī)械能變化量（J）；m2為礦車裝載物料質(zhì)量（kg）；h2為物料重心高度（m）。

經(jīng)計(jì)算，Ej2=8 514 099 J。

2.3礦車通過卸載站時(shí)總阻力

礦車通過卸載站時(shí)，除機(jī)械能變化外，礦車還受到卸載托輪的摩擦阻力、風(fēng)阻力等［8］。阻力計(jì)算根據(jù)卸載站長度分為兩階段：第一階段為物料未卸載時(shí)，第二階段為物料卸載完成后。根據(jù)前面假設(shè)，卸載站托輪與礦車之間沒有滑動(dòng)現(xiàn)象，則系統(tǒng)主要阻力可等效為礦車運(yùn)行阻力。

第一階段礦車所受阻力［9］為：

F1=nm1ω1（3）

式中：F1為礦車在物料卸載前所受阻力（N）；ω1為滿載礦車運(yùn)行基本阻力（N/t）。

經(jīng)計(jì)算，F(xiàn)1=14 790 N。

第二階段礦車所受阻力［9］為：

F2=nm3ω2（4）

式中：F2為礦車在物料卸載后所有阻力（N）；m3為礦車質(zhì)量（kg）；ω2為空載礦車運(yùn)行基本阻力（N/t）。

經(jīng)計(jì)算，F(xiàn)2=7 290 N。

礦車完全通過卸載站阻力做功為：

Ej3=F1L1+F2L2（5）

式中：Ej3為礦車完全通過卸載站阻力做功（J）;L1為滿載礦車開始進(jìn)入卸載站至卸載完成時(shí)滑行距離（m），按最后一輛礦車滑行距離計(jì)算；L2為礦車至完全卸載滑行距離（m），按第一輛礦車滑行距離計(jì)算。

經(jīng)計(jì)算，Ej3=1 344 672 "J。

2.4卸載完成后礦車所具有機(jī)械能及推算末端速度

根據(jù)以上計(jì)算，當(dāng)沒有外部設(shè)備干涉時(shí)，礦車卸載完全后所具有的機(jī)械能為：

Ej4=（Ej1-Ej2-Ej3）（6）

式中：Ej4為完成卸載后礦車具有機(jī)械能（J）。

經(jīng)計(jì)算，Ej4=10 444 179.75 "J。

根據(jù)礦車卸載完成后所具有的機(jī)械能推算礦車的末端速度：

v2=2（Ej4-nm3gh）nm3（7）

式中：v2為礦車離開卸載站時(shí)運(yùn)行速度（m/s）。

經(jīng)計(jì)算，v2=7.85 m/s。

3外動(dòng)力設(shè)施設(shè)置

根據(jù)計(jì)算，當(dāng)?shù)V車以0.5 m/s速度進(jìn)入卸載站時(shí)，完成卸載后，礦車速度將達(dá)到7.85 m/s，此速度過大，會(huì)造成車廂內(nèi)大部分物料不能卸載干凈，物料留在車廂內(nèi)使礦車底板難以復(fù)位，將導(dǎo)致后面車廂抬起，繼而發(fā)生掉道事故。可通過設(shè)置外動(dòng)力設(shè)施避免事故發(fā)生，并保持卸載穩(wěn)定。外動(dòng)力設(shè)施為卸載站進(jìn)入側(cè)在礦車兩側(cè)布置獨(dú)立驅(qū)動(dòng)輪，當(dāng)?shù)V車進(jìn)入卸載站時(shí)，外動(dòng)力設(shè)施通過液壓推桿推動(dòng)驅(qū)動(dòng)輪與礦車車廂接觸，通過與車廂之間的摩擦力控制礦車運(yùn)行速度。外動(dòng)力設(shè)施工作原理示意圖如圖3所示。

3.1外動(dòng)力設(shè)施驅(qū)動(dòng)力計(jì)算

3.1.1正常卸載

當(dāng)無相關(guān)控制設(shè)施時(shí)，礦車以0.5 m/s的速度進(jìn)入卸載站，至完成卸載后速度v2=7.58 m/s，運(yùn)行距離s=60.9 m。卸載過程為勻加速過程，則運(yùn)行時(shí)間t=15.07 s，運(yùn)行加速度a=0.47 m/s2。

在卸載第一階段，礦車卸礦口張至物料可完全卸凈位置，物料相對(duì)于礦車底板未移動(dòng)時(shí)對(duì)礦車產(chǎn)生加速力，由于卸載過程中質(zhì)量為變化量，取完成卸載前和完成卸載后平均質(zhì)量進(jìn)行計(jì)算，此時(shí)產(chǎn)生的礦車卸載索引力為：

F3=n1m4a（8）

式中： F3為礦車卸載牽引力（N）；n1為卸載前后平均滿載礦車數(shù)；m4為牽引質(zhì)量（kg）。

經(jīng)計(jì)算，F(xiàn)3=102 225 N。

3.1.2滿載礦車由外動(dòng)力設(shè)施驅(qū)使

當(dāng)滿載礦車停留在卸載站入口時(shí)，此時(shí)牽引電機(jī)車已斷電，需外動(dòng)力設(shè)施驅(qū)動(dòng)礦車進(jìn)入卸載站正常卸載，此時(shí)礦車速度將從0 m/s加速至0.5 m/s，加速過程中礦車啟動(dòng)索引力［9］為：

F4=nm1ω3（9）

式中：F4為礦車啟動(dòng)牽引力（N）；ω3為礦車單位起動(dòng)基本阻力（N/t）。

經(jīng)計(jì)算，F(xiàn)4=22 185 N。

3.2外動(dòng)力設(shè)施驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)功率計(jì)算

根據(jù)以上計(jì)算，卸載過程中礦車受力較大。該塞爾維亞銅礦卸載站所采用外動(dòng)力設(shè)施驅(qū)動(dòng)輪直徑為800 mm，運(yùn)行速度為0.5 m/s，則對(duì)應(yīng)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)功率：

N=KF3v/η（10）

式中： N為驅(qū)動(dòng)功率（kW）；K為功率備用系數(shù)；v為運(yùn)行速度（m/s）；η為傳動(dòng)效率。

經(jīng)計(jì)算，N=72.16 kW。

根據(jù)計(jì)算，該塞爾維亞銅礦卸載站進(jìn)車側(cè)配備的4個(gè) 22 kW外動(dòng)力設(shè)施可滿足要求，出車側(cè)配備2套外動(dòng)力設(shè)施為輔助設(shè)施。

4應(yīng)用效果

該塞爾維亞銅礦中段運(yùn)輸設(shè)備采用外動(dòng)力設(shè)施后，有效解決了卸載過程中礦車“脈動(dòng)”現(xiàn)象，減少設(shè)備之間沖擊；同時(shí)從源頭上避免了礦車在卸載過程中可能出現(xiàn)的車輪不著軌、掉道事故。現(xiàn)場已將卸載站控制設(shè)施接入自動(dòng)化中控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)運(yùn)行自動(dòng)化，減少了操作人員數(shù)量，降低了企業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營費(fèi)用。

5結(jié)語

對(duì)于大型有軌運(yùn)輸?shù)V車，其卸載過程的穩(wěn)定性一直困擾著各礦山，目前雖有各種改進(jìn)措施，但都沒完全解決問題。本文從能量守恒出發(fā)，通過分析礦車在運(yùn)行過程中的機(jī)械能變化，并以塞爾維亞某銅礦卸載站外動(dòng)力設(shè)施為例進(jìn)行了計(jì)算。結(jié)果表明，通過設(shè)置外動(dòng)力設(shè)施可穩(wěn)定控制礦車卸載速度，在保證物料卸載完全的同時(shí)避免卸載站掉道事故的發(fā)生，對(duì)生產(chǎn)系統(tǒng)自動(dòng)化起到了極大的促進(jìn)作用。外動(dòng)力設(shè)施投入使用以來，已穩(wěn)定運(yùn)行近半年，效果良好，可為其他礦山提供借鑒。

［參 考 文 獻(xiàn)］

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Research and application of external power

unloading device for bottom unloading mining carts

Tan Qingshu

（Zijin （Xiamen） Engineering Design Co.，Ltd.）

Abstract：Large-scale tram transport mining carts are equipped with dedicated unloading stations，where the carts run along unloading curved tracks.Addressing the problem of electric locomotives unable to generate sufficient driving force for mining carts to pass through unloading stations stably，this study，taking the unloading stations of a copper mine in Serbia as an example，analyzes the speed variation of mining carts during unloading processes.By setting up external power device to control unloading speed，the unloading process of large-scale tram transport mining carts becomes smoother and more reliable，greatly promoting the automation of production system.

Keywords：bottom unloading mining carts;electric locomotives;unloading stations;mechanical energy;external power device

收稿日期：2023-12-20; 修回日期：2024-02-15

基金項(xiàng)目：“十四五”國家重點(diǎn)研發(fā)項(xiàng)目（2022YFC2903902）

作者簡介：譚清述（1988—），男，工程師，從事礦山提升系統(tǒng)、輸送系統(tǒng)研究工作；E-mail：449550590@qq.com