一种自带轨道的垂直提升平板车结构设计

贾金梁

（阳煤集团五矿， 山西 阳泉 045000）

引言

随着机械制造水平不断提升，我国煤矿机械化程度愈来愈高。作为运送液压支架等设备的主要工具，矿用平板车所承受的载荷越来越大，安全标准也越来越高[1]。但是传统的设备列车一般都采用绞车进行牵引，安全性能低；且轨道和车身是分开的，这就导致了设备列车每次移动时，都需要重新铺设轨道并进行绞车固定[2]。综合来说，传统设备列车这种牵引方式机械效率低，限制了矿井的高度机械化发展，且成本较高。因此，设备列车的机动性差、成本高、安全性差已经成为制约煤矿机械自动化发展的一个关键瓶颈。为了进一步提高煤矿机械化程度与工作效率，就必须补齐平板车的这一短板[3]。在这个背景下，提出了一种自带轨道的垂直提升平板车的设计方案。该平板车摒弃了传统平板车轨道、车架分离的弊端，创新性地将轨道、车架和提升装置组合成一个有机的整体，实现了平板车的迈步式前进，提高了机动性和效率[4]。

1 自带轨道的垂直提升平板车工作原理

一种自带轨道的垂直提升平板车，利用垂直提升机构进行提升和下降，同时采用自带轨道的形式实现平板车的迈步式前进[5]。实际工作时，通过提升油缸将提升臂向下压，把导轨压在地面，此时，平板车自然而然被抬起来；通过锚固牵引装置，牵引平板车向前移动；移动动作完成后，提升油缸的油液回流，此时平板车回落，带动轨道提升；通过锚固牵引装置轨道将以平板车为支点，向前移动。周而复始这个循环便可以实现平板车的前进。

2 自带轨道的垂直提升平板车的优点

1）该新型平板车将轨道和车架结合起来，结构紧凑。这种巧妙的设计可以有效避免传统列车每次移动都需要重新铺设轨道的弊端，实现了平板车的高效移动。

2）同时该新型平板车采用锚固牵引装置进行牵引，这就使得平板车不受地面倾斜角度的制约，最高可以在±10°的倾斜坡道上实现迈步式前进。

3）另外，这种新型平板车由于车身高度进一步降低，其重心下移，安全性更高，更加适合于矿山井下顺槽巷道设备的运输。

4）由于该平板车采用集中式控制系统，可以实现远程控制，节省人力成本。

3 自带轨道的垂直提升平板车结构

3.1 主要结构尺寸

为了提高车身的强度，主要车身内部采用腔体结构进行设计，然后通过平板焊接成完整的车体。新型平板车的主要尺寸参数如表1所示。

表1 一种自带轨道的垂直提升平板车主要尺寸参数表

该新型平板车主要结构包含车架、垂直提升装置及其驱动系统、导轨移动系统。驱动系统采用液压油缸作为驱动源，垂直提升装置被安装在轨道上方，采用连接销与车架相连。连接销的使用保证了车架、垂直提升装置以及轨道成为一个综合体，可以实现平板车整体的迈步式前进。

3.2 导轨系统

导轨移动系统主要包含滚轮、压轮以及导轨。导轨设置在平板车的两侧，为专用轨道。提升机构通过提升销与轨道相连接，压轮设置在轨道上方，通过提升销与轨道相连，以保证平板车沿着轨道移动。由于平板车承受的载荷比较大，因此压轮一般采用40Cr材料，以保证平板车的安全性。

3.3 垂直提升装置

该新型平板车的垂直提升装置主要由四个相同的提升机构组成，如下页图1所示。其分别被设置在平板车的四个角上，下端安置在轨道上，与滚轮接触；上端与车架固定连接。提升机构采用板材焊接，其焊接厚度高达5 mm。这种设计既可以对支架起到支撑作用，又能确保平板车沿着轨道方向准确移动。从安全角度出发，为了保证平板车能够平稳的提升性能，液压油缸被安装在垂直提升装置的内部。通过液压油缸，可以实现平板车的提升动作。

图1 一种自带轨道的垂直提升平板车垂直提升机构图

3.4 控制系统

由于垂直提升装置包含四个提升机构，且每个提升机构内的液压油缸主要包含液压控制单向锁以及安全阀。为了保证四个提升机构能同时作用，产生平稳的升力，该平板车采用集中式控制系统。

在实际提升动作中，通过给泵站的高压油液加压，实现其流入控制阀组，在经过支管，分别均匀地流入四个液压油缸，实现平板车提升动作。在平板车需要降低高度时，可以通过回液截止阀的开关，将油液回流到泵站，进而显现平板车的下降动作。

4 自带轨道的垂直提升平板车的有限元分析

由于平板车在工作过程中所承受的载荷较大，为了验证垂直提升机构能否有效工作，需要对该新型平板车进行有限元验证，本验证采用ANSYS的结构动力学模块，具体实验过程如下：

1）建立模型。通过Solidsorks软件，可以建立提升机构的三维模型。为了兼顾计算精度和计算成本，在建模时忽略提升臂上的螺栓孔[6]。

2）前期参数设置。前期参数设置主要是指提升机构的材料参数，四个提升机构模型的材料为弹性各向同性，材料为Q345，弹性模量为210 GPa，泊松比为0.3。

3）计算过程。根据前期分析，提升机构在实际提升过程中，受力最大的是平板车面，但是这些力会通过销轴传递到底座，故底座的受力环境最为复杂，需要进行验证。考虑到实际情况，将底座水平方向不设置自由度约束，而只是将其垂直方向上的自由度进行约束。然后施加载荷，得到应力云图以及变形云图。

4）后处理。通过分析应力云图和变形云图，可以明显的看出，最大应力为153.3 MPa，最大变形量在底座的销孔处，但是最大应力小于结构的屈服强度。因此，可以判定该结构的最大变形量和最大应力满足要求，即结构设计合理[7]。

5 结论

自带轨道的垂直提升平板车的设计，改善了传统平板车需要重复铺设、拆卸轨道的弊端，实现了平板车的高效移动。此外，这种新型平板车安全性更高，更加适合于矿山井下顺槽巷道设备的运输，还可以实现远程控制，节省人力成本，实现了平板车的迈步式前进。