偏移补偿式轨道矿车牵引装置设计

刘玉荣

(中煤科工集团 太原研究院有限公司，山西 太原 030006)

0 引言

国内矿井总数80%以上的煤矿采用有轨辅助运输形式[1-2]。现阶段有轨辅助运输中，轨道矿车牵引方式主要包括缆绳牵引、轨道车牵引两种形式。缆绳牵引主要应用于超大坡度(20°以上),直线段轨道矿车牵引；轨道车牵引主要应用于近水平路面牵引(坡度小于3°)。由于矿井条件不同，巷道地面起伏不平等原因，有轨辅助运输巷道路面经常3°～15°的大坡道，导致轨道矿车牵引困难。使用轨道车牵引,附着力有限；使用缆绳牵引，存在弯道牵引困难,辅助运输人员多、效率低、工序繁琐等问题。经分析研究发现，胶轮式轨道矿车牵引车可有效地解决该问题。胶轮式车辆作为轨道矿车的牵引车时，胶轮牵引车行驶路线灵活，而轨道矿车只能沿着轨道行驶。当胶轮式牵引车偏移时，轨道矿车受侧向力较大，极易脱轨。针对此问题，对现有牵引装置采用双铰接式连杆牵引装置，一定程度上解决了偏移补偿问题，但还是易出现轨道矿车脱轨的现象。本文通过对胶轮牵引车牵引工况及各工况下轨道矿车进行受力分析，研究设计出一种具有偏移补偿功能的牵引装置。

1 牵引工况研究

针对煤矿井下轨道矿车牵引工况进行分析研究，所有运行工况可看作3种基本工况组合而成，即平直路面牵引工况、坡道路面牵引工况、弯道路面牵引工况。

1) 平直路面牵引工况是指轨道矿车在水平路面，且轨道为直线的情况下，牵引其前进、后退的工况,如图1所示。通常煤矿井下轨道都铺设在平直路面上，故大多牵引工况为平直路面。胶轮式牵引车在水平路面工况下，既能实现“拉”轨道矿车前行，又能“推”矿车后退。

图1 平直路面工况

2) 坡道路面牵引工况是指轨道矿车在坡道路面，牵引其前进、后退的工况,如图2所示。通常煤矿井下的坡道较小，但牵引阻力较大，这是牵引中最难的工况。为了保证牵引的安全性，通常胶轮牵引车都在轨道矿车的上部。

图2 坡道路面工况

3) 弯道路面牵引工况是指轨道矿车在弯道路面，牵引其前进、后退的工况,如图3所示。由于弯道牵引工况中，牵引车与轨道矿车中间形成一定夹角，牵引分力极易使轨道矿车脱轨。该弯道牵引工况下，牵引车既能实现“拉”轨道矿车前行，又能“推”矿车后退。

图3 弯道路面工况

总之，煤矿井下轨道矿车的牵引工况均由以上3种基本工况组合而成，无非是坡度大小不同，弯道转弯半径不同，弯道与坡道结合的工况，只需将这3种基本工况的受力研究后，则其他工况的受力可叠加计算。

2 各牵引工况受力分析

2.1 水平路面偏移工况受力分析

通过对使用轨道矿车的煤矿井下巷道关键尺寸调研，轨道矿车牵引巷道布置如图4所示，巷道宽度为5 000 mm，矿车轨道宽度为600 mm，铺设在巷道正中心，而胶轮式车辆设计宽度为2 200 mm，故胶轮式牵引车最大偏移距离为1 400 mm。

假设车辆偏移距离为500 mm，牵引车平直路面工况下最大牵引速度为14 km/h，牵引车变向角度为2°，计算出偏移时间为：

(1)

式中:t为偏移时间；s为偏移距离，s=0.5 m；v为行驶速度，v=14 km/h。由计算结果可知,牵引车误打方向2°时，在3.68 s内，牵引车辆就会偏移0.5 m，这表明牵引车偏移是大概率事件，牵引偏移补偿是胶轮牵引装置的关键问题。

图4 轨道矿车牵引巷道位置

2.2 偏移工况受力分析

现阶段胶轮式牵引装置采用双胶接式牵引装置，而本文设计的牵引装置具有偏移补偿功能，连接位置可以平滑。图5所示为两种牵引装置偏移工况。采用具有偏移补偿功能的牵引装置，牵引车辆发生偏移时,轨道矿车受力方向与牵引方向同向，侧向力的理论值为0。采用双铰接连杆牵引装置，当牵引车辆发生偏移时，轨道矿车不仅牵引方向受力，同样还受到侧向力，侧向力的大小与偏移距离、连杆长度、牵引制动力大小有关。如图6所示，长度为1.5 m的双铰接连杆,当牵引车偏移0.5 m时，牵引车紧急制动时，轨道矿车所受最大侧向力为：

(a) 双铰接式牵引装置

(b) 带偏移补偿功能牵引装置图5 两种牵引装置偏移工况

图6 双铰接连杆受力图

FC=FZ·tanθ=1.98 t

(2)

式中:FC为所受侧向力；FZ为附着力，FZ=8 t;θ为偏离角，θ=arcsin 0.5/1.5。

2.3 轨道矿车倾翻受力分析

轨道矿车最大倾翻力与轨道矿车结构尺寸及质量息息相关，以标准2 t矿车为例分析其最大倾翻力。如图7所示，2 t矿车最大倾翻力为：

Fq=(Fg·l2)/l1=1.87 t

(3)

式中:Fq为最大倾翻力；Fg为矿车质量，Fg=2 t；l1为重心高度，l1=320 mm；l2为倾翻力臂，l2=300 mm。

图7 最大倾翻力受力图

2.4 弯道工况受力分析

轨道矿车在弯道行驶时，所受侧向力与铰接角相关，而铰接角与弯道半径一一对应。

(4)

(5)

式中:α1为牵引车切角；α2为轨道矿车切角；R为转弯半径。

紧急制动时，若牵引多个轨道矿车时，每辆矿车不仅受到前车作用力，同时受后车作用力，合力须小于轨道矿车最大倾翻力。轨道矿车所受侧倾力与牵引矿车数量及弯道行驶速度关系为：

(6)

式中:n为牵引矿车数量；m为牵引矿车质量；v为行驶速度，v=14 km/h；s为制动距离，s=8 m。

以标准2 t轨道矿车为例，可得到不同多节轨道矿车在不同转弯半径的弯道上，允许行驶的最大速度，不超过最大速度，轨道矿车不会倾翻。不同轨道矿车转弯半径与车速的关系如图8所示。

以上受力分析研究表明，双铰接式牵引装置在紧急制动时，较易出现倾翻、脱轨现象，而具有偏移补偿功能的牵引装置在偏移工况下不承受倾翻力，仅在弯道时，受到一定的倾翻力。通过计算，得到了轨道矿车在不同转弯半径下的最大速度，这样可以通过控制弯道速度，避免矿车倾翻脱轨。

图8 轨道矿车转弯半径-车速关系

3 牵引装置结构设计

根据上述的分析研究，研究设计了具有偏移补偿功能的牵引装置结构[3-10]，其结构如图9所示。

1-盖板;2-滑轨;3-轨道小车;4-加强筋;5-销轴; 6-竖向导向轮;7-转动架;8-橡胶块; 9-牵引件;10-轮架;11-前后导向轮。图9 牵引装置结构图

具有偏移补偿功能的胶轮式轨道矿车牵引装置主要由滑轨、轨道小车、盖板3部分组成。滑轨安装在胶轮牵引车主车架上，前后板采用厚钢板并设有加强筋，一方面增强承载能力，另一方面防止焊接变形。滑轨的左右两端设有挡板，用来安装盖板，轨道小车仅可从导轨的左侧滑入，盖板起到限位作用，防止在行进过程中，牵引装置与胶轮车脱离(轨道小车与滑轨)。轨道小车通过导向轮沿着滑轨的轨槽滑动，保证在胶轮牵引车左右摆动时，轨道矿车不会脱轨，还能沿轨道行驶，起到补偿横向(即矿车轨道宽度方向)摆动的作用。

导向轮组包括4个竖向导向轮和4个前后导向轮，轮架的两端通过转轴安装2个竖向导向轮和2个前后导向轮，前后导向轮设于竖向导向轮内侧。竖向导向轮主要承受滑动小车的重力，受力小，限制轨道小车上下方向的运动;前后导向轮主要承受牵引力，受力大，限制轨道小车前后方向(矿车运行方向)的运动。竖向导向轮的端面与轨道槽的上下端面平行，且同一转轴上的两个竖向导向轮、前后导向轮的端面与轨道槽的前后端面平行。竖向导向轮、前后导向轮与轨道槽的内端面均为间隙安装，即竖向导向轮和前后导向轮的端面与轨道槽内端面留有2 mm的间隙。通过8个导向轮,保证了牵引装置左右滑动的顺畅性,并对横向摆动起到补偿作用。

由于转动架和轮架之间由销轴连接，转动架有两个维度的转动，能适应轨道矿车上下坡道时，牵引车与轨道矿车的水平面的夹角，可以保证牵引车在上下坡度14°内运行时轨道矿车不会脱轨。左右偏动时，轨道车不受力，保证其不会脱轨，即通过转动架和轮架的转动副,实现了对上下角度摆动和左右(矿车轨道宽度方向)偏动的补偿。

牵引件包括连接耳和转轴，通过连接耳能实现该装置与轨道矿车的连接，转轴与转动架连接形成圆柱套筒副，牵引件相对转动架可以旋转，以适应牵引车左右倾斜的工况。转动架和牵引物件之间设有橡胶块，起到缓冲作用，是用来减小轨道矿车在起步与制动过程中对牵引胶轮车的冲击力。

牵引装置在胶轮牵引车上的安装位置如图10所示。

图10 牵引装置安装位置

4 结论

通过对胶轮牵引车的各种牵引工况及各工况下轨道矿车进行受力分析，研究设计了具有偏移补偿式轨道矿车牵引装置，该牵引装置可有效地解决胶轮式牵引车牵引轨道矿车过程中矿车易脱轨的问题。

该牵引装置于2017年底在煤矿井下进行了工业性试验，试验表明,该牵引装置确实有效地解决了轨道矿车牵引时的偏移补偿问题。