煤矿井下单轨吊机车选型计算

李永军

(大同煤矿集团朔州朔煤王坪煤电有限责任公司，山西 怀仁 038300)

煤矿井下的辅助运输系统承担着材料、设备、人员的运输，辅助运输不仅是煤矿生产建设的重要组成部分，而且影响着煤矿生产效率[1]。目前，王坪煤矿井下辅助运输方式主要采用小绞车运输，随着开拓的延伸，小绞车辅助运输的缺点已不能适应本矿的生产运输需要。单轨吊辅助运输系统凭借其连续运输、运量大、安全经济的特点逐步得到应用。

1 单轨吊运行环境

303盘区轨道巷沿5#煤层泥岩顶板掘进，巷道断面为矩形，设计规格为4.0m×3.4m，全长1800m，巷道采用锚喷支护。该巷道原采用小绞车接力运输，运输效率低且在支架运输过程中易生事故，因此改造了303盘区辅助运输系统，准备采用单轨吊运输，通过道岔与各采煤工作面运输联巷连接。单轨吊设计运送ZF10000型支架重量为31t，最大运输物料重18t，303盘区轨道巷最大坡度为18°。合理正确的单轨吊选型，关系着煤矿辅助运输系统的安全稳定运行。

2 单轨吊设备选型

2.1 单轨吊机车选型

防爆蓄电池单轨吊机车及防爆柴油单轨吊机车常常用在煤矿井下辅助运输中。其中，防爆蓄电池单轨吊机车适用于近距离、运量小、坡度较平缓的条件；而防爆柴油单轨吊机车适用于长距离、运量大、大坡度的条件[2]。根据303盘区轨道巷的基本情况及运输设备的重量，可选择DLZ130F-8型单轨吊机车，其由8驱驱动单元组成，额定功率为95kW，4个气缸，冷却方式采用循环水冷却，机车自重为9.25t，额定牵引力为200kN。

根据单轨吊机车运输所需要的牵引力计算，运输ZF10000型液压支架时所需牵引力F[2]：

式中：

Wo-基本阻力，N；

Wi-坡道阻力，N；

Wa-惯性力，N。

式中：

P-列车质量，机车自重9250kg，起吊梁2100 kg，起吊框架800kg，司机体重160kg，列车总重量为12310kg；

Q-货物质量，液压支架质量为31000kg；

g-重力加速度，取9.8m/s2；

ω-列车运行阻力系数，取0.02。

式中：

i-单轨坡度，按巷道最大坡度取18°，即i=tg18°=0.325。

式中：

γ-惯性系数；

a-列车运行加速度，取0.4m/s2。

式中：

J-每个承载轮对其轴的转动惯量，0.00522kg·m2；

R-承载轮半径，0.059m；

Gc-承载物体质量，31000kg。

若要校核上坡重载条件下的牵引力，则转化为：

由于DLZ130F-8驱机车牵引力为200kN，其值大于运输支架时所需要的牵引力163.8kN，故所选用的DLZ130F-8单轨吊机车完全可以满足运输设备需要的动力。

2.2 起吊梁选型

单轨吊机车起吊梁根据所运输设备的不同，可以采用不同规格的起吊梁，常用的起吊梁的起吊能力有5t，8t，12t，20t，22t等，选择起吊梁一定要根据超吊重物的载荷[3]。由于ZF10000型支架是303盘区运输的最大载荷，而选择MHZZ18-DUO起吊梁最大起吊重量为36t，故MHZZ18-DUO型起吊梁满足设计要求。

2.3 轨道选择

轨道根据轨道的负荷能力来选择，一般轨道分为I1440E型和I140V型，道轨长度一般分为1.5m/根、2m/根、2.4m/根。根据王坪煤矿运输要求，使用MPD120F（I140V）型轨道，轨道高为198mm，宽为70mm，通过悬挂板悬挂在2根2.5m长的右螺旋螺纹钢锚杆上。轨道悬挂如图1所示。

图1 轨道悬挂图

水平巷道运输时：整个轨道的受力并不是均匀受力，由于机车自重只有9.25t，而支架最重31t，起吊梁自重2.1t。由于轨道中受力最大的点在起吊梁的承载车上，因此对轨道受力分析，只考虑最大受力点的起吊梁段轨道的受力分析。

支架最大重量为31t，悬挂在起吊梁的两个吊点，因此，支架的重量平均分配在了两个吊点上，得出两个吊点的受力为F左=F右=15.5t。由于起吊梁的每个吊点又由4个承载车固定，所以得出每个承载车的受力为F=4.25t，由此可以看出，起吊梁在最大载重时（载重31t），轨道每个承载车的受力为4.25t。

轨道选用2m，即每隔2m设一个悬挂点，因此，整个起吊梁（长8727mm）的承载车分布在5根轨道之上。每个承载车的受力为4.25t，由于起吊梁为运动的，因此轨道悬挂点的受力也非均匀的，在这里利用极限的方法来计算，如图2。

图2 极限计算方法

已知：F1=F2=F3=F4=4.25t

由图2知：此时B点承受来自1，2，3，4个承载车的部分重量，受力最大，因此只需要分析B点的受力，就可以得知最大锚杆受力。

分析AB段：

分析BC段：

由上两式得：

而每个悬挂点有2根锚杆承重，每根锚杆的极限受力为TB=7.54 / 2=3.77t，锚杆的锚固力不得小于7.54t（取2倍的安全系数），而设计锚杆的锚固力为8.5t，因此每个悬挂点由2根锚杆悬挂可满足要求。

18°上山运输时：在轨道处于有坡度的地点，假设轨道只有一个悬挂点（两根锚杆），而轨道受力也同样假设在一个点，因此，轨道所受的重力之和为G=G货+G起吊梁+G轨道，而且轨道还会受到来自机车的制动力带来的摩擦力Ft，摩擦力分解在重力方向的力为F制动×sina，由此可以得出锚杆上受的合力为F锚杆=G+F制动×sina=G货+G起吊梁+G轨道+F制动×sina=31+2.3+0.5+33.6×sin18=44.2t。

由于起吊梁的承载力分布在5根轨道之上，5根轨道拥有6个吊挂点，所以可以得出51.2t的力分布在6个点，每个点的受力为44.2/6=7.4t，同样每个悬挂点2根锚杆，因此每根锚杆垂直于巷道的力为7.4/2=3.7t，锚杆的锚固力不得小于7.4t（取2倍的安全系数），因此每个悬挂点由2根锚杆悬挂可满足要求。

根据以上分析，选择长度为L=2m的重轨轨道完全满足设备运输的使用要求。

3 结论

关于单轨吊辅助运输设备的选型还没有一套完整的标准。根据王坪煤矿303盘区轨道巷的最大坡度及运输设备的最大重量，通过受力计算，选择DLZ130F-8型单轨吊机车、MHZZ18-DUO起吊梁及MPD120F（I140V）型轨道可以满足设计的需要。