膠輪式軌道礦車牽引車的設計研究

劉玉榮

(中國煤炭科工集團太原研究院有限公司，山西 太原 03006)

1 概 述

煤礦輔助運輸是指煤礦井下除煤炭運輸之外所有人員、物料的運輸，主要運輸對象包括人員、矸石、設備、材料及充填物等。根據運輸方式分為有軌輔助運輸(簡稱：有軌輔運)和無軌輔助運輸兩種[1，2]。其中我國大部分煤礦采用有軌輔運形式，占到國內礦井總數約80%以上?，F階段有軌輔運中，軌道礦車牽引方式主要包括纜繩牽引、軌道車牽引兩種形式。纜繩牽引主要應用于超大坡度(20°以上)及直線段工況軌道礦車牽引；軌道車牽引主要應用于近水平路面工況(坡度小于3°)牽引。但是由于煤礦井下巷道地面起伏不平等原因，有軌輔運巷道路面大量出現3°～15°的大坡道。該大坡度工況下，使用軌道車牽引、附著力??；使用纜繩牽引，存在彎道牽引困難、牽引效率低、工序繁瑣等問題。針對以上問題，文章提出了一種膠軌式軌道礦車牽引車解決方案，并對方案進行設計研究。

為了設計出適用于大部分礦井的膠輪式牽引車，對國內有軌輔運煤礦井下的巷道條件、軌道礦車及牽引方式進行實地調研，得到膠輪式牽引車的設計技術要求。

1)巷道條件。①巷道寬度：≤5000mm；②軌道布置位置：巷道中心；③軌道寬度：600mm；④軌道布置與路面關系：高度持水平。

2)軌道礦車。①單車自重：0.5t；②單車額定載重：2t；③外形尺寸(長×寬×高)：2000mm×1000mm×1200mm；④額定牽引礦車數量：2節。

3)牽引車技術要求。 ①功能要求：雙向駕駛，配備車載吊車；②車載吊車作業范圍：大于2m；③吊車額定載荷：1t；④外形尺寸：高度≤2300mm，長度≤5000mm；⑤不可拆卸最大尺寸：5000mm×1600mm×2500mm；⑥牽引車最大車速：8km/h；⑦全速最長制動距離：10m；⑧最小轉彎半徑：≤5000mm。

2 牽引車方案設計

2.1 牽引車動力系統匹配設計

牽引車用于牽引軌道礦車，需要考慮最大坡度工況下的上坡牽引力及下坡制動安全性，不同于普通車輛動力系統匹配計算方法。首先根據牽引車設計技術要求及極限牽引工況，核算出牽引車整車重量，之后依據得出的車重及動力性要求計算發動機功率，最后再次核算已選型動力性能是否滿足工況需求。軌道礦車牽引車受力分析圖如圖1所示。

圖1 軌道礦車牽引車受力分析圖

2.1.1 整車重量(通過附著力確定)

兩種極限工況：最大坡道下坡制動及上坡牽引。

1)下坡制動工況。附著力：

F附=m牽gcosθφ(1)

最小制動力：

Fmin制動=F下滑+F制動

安全系數：

η=Fmin制動/F附(3)

式中，坡度θ取10°，附著系數φ取0.5，重力加速度度g取9.8m/s2，軌道礦車重量m軌取5t，牽引車最大速度v取8km/h，最長制動距離s取8m，安全系數η取1.5。

由式(1)—式(6)，計算得：m牽=8t。

2)上坡牽引工況核驗。最小牽引力為：

Fmin牽引=F下滑+F滾阻=(m牽+m軌)gsinθ

+(m牽gcosθ×f1+m軌gcosθ*f2)(4)

式中，膠輪車滾動阻力系數f1取0.035，軌道礦車滾動阻力系數f2取0.001。

計算得到安全系數：

η′=Fmin牽引/F附=1.6≥1.5(滿足設計要求)

因此，計算得到牽引車重量為m牽=8t。

2.1.2 發動機功率計算[3，4]

發動機功率：

Pout=Pf+Pw+Pi+Pj(5)

式中，Pout為輸出功率，kW；Pf為滾阻功率，kW；Pw為風阻功率，kW；Pi為坡阻功率，kW；Pj為加速阻力功率，kW；

Pw=kFv2(7)

式中按照牽引滿載軌道礦車4節，上8°坡道，上坡速度為5km/h，傳動效率0.7，計算得：

Pout=58.33kW

最終選型上柴4H本體的SC4H100-1G2B型防爆柴油發動機，其最大功率為65kW。

2.1.3 不同工況下牽引車動力性能

根據SC4H100-1G2B型防爆柴油發動機外特性區曲線及DA控制的靜液壓傳動效率曲線，匹配得到繪制出牽引車不同車速下最大牽引力曲線圖如圖2所示；牽引不同節重載軌道礦車，坡道的最大速度圖如圖3所示。

圖2 牽引車車速-驅動力

圖3 牽引車車速-驅動力

從圖3中得到，在8°坡上牽引四節滿載軌道礦車速度能夠達到5km/h的時速，并且不同坡度下，牽引車的牽引速度也能滿足其工況需求，因此，牽引車動力性能符合技術要求。

2.2 牽引車總體布置設計

根據牽引礦車動力系統匹配后確定的發動機系統、傳動系統，以及其設計技術要求，布置設計出專門牽引軌道礦車的膠輪式牽引車。如圖4所示，車輛主要由車身、駕駛室、吊機、傳動系統、防爆發動機系統、液壓系統、電氣系統、牽引裝置組成。

1—車身；2—駕駛室；3—吊機；4—軌道礦車；5—傳動系統；6—防爆發動機系統；7—液壓系統；8—牽引裝置；9—電氣系統圖4 軌道礦車牽引車總體布置

牽引車車身具有結構緊湊，整體低矮的特點，適用于煤礦井下巷道低的特點。牽引車車身由高強度鋼板焊接而成，是車車輛的主要承載框架，承載著車的所有組件。并承載著車輛牽引的所有受力。

駕駛室如圖5所示，主要由駕駛室頂、座椅、轉向裝置、油門踏板、制動踏板、駕駛室車門、操作手柄組成。該駕駛室中座椅可180°旋轉，油門踏板、制動踏板及轉向裝置在駕駛室前后各配有一套。這樣實現了駕駛員雙向駕駛。旋轉座椅式雙向駕駛，較側向駕駛不需要長時間扭頭開車，更加舒適。

1—駕駛室頂；2—座椅；3—轉向裝置；4—油門踏板；5—制動踏板；6—駕駛室車門；7—轉向裝置；8—操作手柄圖5 牽引車駕駛室

吊機選用了既可伸縮又可舉升形式，具有吊裝功能。軌道礦車運輸的大型物料裝卸時，費時費力，直接其運輸效率。牽引車前端配有吊機，便用物料裝卸，提高了效率，也降低了人的勞動強度。

傳動系統如圖6所示，主要由輪胎、前橋、馬達、分動箱、輔泵、主泵、過橋、傳動軸、擺動架、后橋組成。其中輪胎選型填充輪胎，承載能力大，對車輛振動過濾好。前橋為轉向驅動橋。馬達選用大排量，提高牽引力。后橋同樣選用轉向驅動橋，較前橋配有擺架，以使車輛適應各種路面工況。傳動軸間配有過橋，一方面解決傳動軸過長引起傳動不穩定問題，另一方面避免傳動軸與發動機油底殼的干涉問題。整車選用靜液壓傳動，使傳動系統結構緊湊，降低整車的高度，對煤礦巷道的適用性更強。該傳動系統四輪轉向，使整車轉彎半徑小，巷道適用性強。

1—輪胎；2—前橋；3—馬達；4—分動箱；5—輔泵；6—主泵；7—過橋；8—傳動軸；9—擺動架；10—后橋 圖6 牽引車傳動系統

防爆發動機系統如圖7所示，由發動機本體、廢氣處理箱、柴油箱、補水箱、膨脹水箱組成。為了適應煤礦井下工作要求，防止柴油發動機火花引起瓦斯爆炸，必須對其進行經過防爆處理。發動機的廢氣要進入廢氣處理箱中進行降溫處理后再排出。補水箱負責補給廢氣處理箱中消耗掉的水，。散熱器主要實現對發動機水循環及傳動系統油循環進行散熱。該車柴油箱與補水箱放置在一個機架上，且與車身鉸接連接，便于發動機本體的維護。

1—發動機本體；2—廢氣處理箱；3—柴油箱；4—補水箱；5—膨脹水箱圖7 牽引車防爆柴油機系統

以上為膠輪式牽引車總體布置方案以及各部分技術特點，旨在實現其牽引功能的各項技術性能要求。

2.3 牽引車整車技術參數

根據整車布置設計，膠輪式牽引車各項技術見表1。

表1 牽引車技術參數

3 牽引裝置方案設計

膠輪式車輛牽引軌道礦車的擺動補償問題最為關鍵。膠輪車行駛過程中較為自由，不僅沿軌道方向行駛外，同時會左右偏移，而軌道礦車只能沿軌道方向行駛，這樣就導致軌道礦車所受到側向力大，易脫軌。針對此問題研究出了具有偏移補償功能的牽引裝置[5-10]，如圖8所示。

1—蓋板；2—滑軌；3—軌道小車；4—加強筋；5—銷軸；6—豎向導向輪；7—轉動架；8—橡膠塊；9—牽引件；10—輪架；11—前后導向輪圖8 牽引裝置爆炸圖

牽引裝置主要由滑軌、軌道小車、蓋板三部分組成?；壈惭b于膠輪牽引車的車架上，為了提高其承載力及剛度，前后板采用加厚鋼板并設有加強筋。蓋板安裝與滑軌兩端，用于限制軌道小車脫軌。軌道小車安裝于滑軌中，通過導向輪可以沿滑軌的軌槽滑動，保證膠輪牽引車左右擺動時，起到補償橫向(即礦車軌道寬度方向)擺動的作用。

軌道小車包括四個豎向導向輪和四個前后導向輪。豎向導向輪主要承受滑動小車的重力，受力小，限制上下方向的運動；前后導向輪主要受牽引力，受力大，限制前后方向(礦車運行方向)的運動。兩組導向輪與軌道槽的內端面均為間隙配合，保證了左右滑動的順暢性。

轉動架與輪架之間通過銷軸連接，能夠補償軌道礦車上下坡道時，牽引車與軌道礦車的水平面的夾角，最大補償角高達14°。轉動架與軌道礦車采用鉸接連接，補償轉動架與軌道礦車的轉動角(礦車軌道寬度方向)。轉動架與轉軸同樣采用鉸接連接，補償牽引車左右傾斜角。橡膠塊安裝于轉動架和牽引物件之間，緩沖起步與制動過程中的沖擊力。

4 結 語

通過對煤礦井下軌道礦車牽引工況研究，對膠輪牽引車動力系統匹配設計、整車布置設計以及偏移補償牽引裝置設計，最終設計出膠輪式軌道礦車牽引車。山西天地煤機裝備有限公司在2016年底立項，于2017年第一輛軌道礦車牽引車下線，并在晉南某礦井下進行了工業性試驗，試驗結果表明該牽引車有效解決了軌道礦車大坡度牽引問題及牽引過程中偏移補償問題。作為國內外第一款煤礦井下膠輪式軌道礦車牽引車，不僅為企業帶來豐碩的經濟效益，同時代表著我國煤礦井下設備的研發實力。