一种新型煤矿井下钢丝绳牵引卡轨车的研制

张俊浩，冯博，薛新顺，李金涌，李梦苇

（中平能化集团天工机械制造有限公司，河南 平顶山 467000）

煤矿辅助运输的常规定义，是指除煤炭运输类型外，其他类型的运输，涵盖设施、物料、矸石和操作工人的运输。煤矿辅助运输直接影响着煤矿生产的效率。传统的运输类型为无极绳牵引卡轨车、垂直升降绞车等，我国大部分煤矿井下运输系统相比国外水平差距较大，尤其是煤矿辅助运输流程，占用人数规模大，运输效力低下，明显制约了工作面的安撤反应速度，并且HSE隐患较多，是煤炭井下HSE管理的薄弱所在。在运输系统方面，由于井型和开发规模的不断扩大，运输长度明显增长，尤其是采区工作面顺槽长度变化明显，常见的数据是2000～3000m，最长达到了5000m，所以，运输环节的困难进一步加剧，已经成为制约我国煤炭行业快速成长的薄弱环节，在运输系统方面的创新改进已成为当务之急。故能够保证人员安全、提高生产效率的煤矿井下钢丝绳牵引卡轨车的发展已成必然趋势。本文通过研究卡轨装置，结合煤矿井下钢丝绳无极绳绞车的特点，研发出新型煤矿井下钢丝绳牵引卡轨车（如图1所示），采用卡轨装置使车辆在运行中不致掉道，解决了辅助运输容易掉道的难题，既提高了生产运输的安全性，又提高了效率。

图1 煤矿井下钢丝绳牵引卡轨车现场实物图

1 结构特征及工作原理

1.1 动力及主体结构

（1）主机。卡轨车按变速的不同类型划分为变频调速；卡轨车的动力装置依靠摩擦力的相互作用实现动力的传动；驱动滚筒的结构类型是双滚筒抛物线式；在结构上动力输入轴直接传动入口减速机，在终端处由末级传动齿轮，并摩擦驱动滚筒。

主机主要由以下几部分组成：

①底座。由型材焊接成总体，在其上可以安置电动机、减速箱、驱动滚筒及常闭式液压盘式制动闸等各部件，并依靠地脚螺栓将主机与底盘基座牢固结合。

②驱动滚筒构件。滚筒构件由传动轮与耐磨衬套构成，易于拆卸。

③盘式制动器。采取碟簧施压的常闭构造式液压闸，油泵动力机构由操作台发布执行命令，电磁换向阀采取AC127V型号，由司机使用按钮操纵。电磁换向阀带电时，制动闸油路接通，并通过节流阀向制动闸供油，制动闸缓慢打开；当电磁换向阀失电时，制动闸在电磁阀快速回油的作用下，实现快速制动。

（2）张紧机构。液压张紧机构，张紧力大，可控操纵，自行调整拉力，占地面积小，使用方便，可实现运行中自行主动给蓄能器补液。

（3）牵引车。始终牢固结合在钢丝绳上，并可与运输车、制动尾车等车辆牢固结合，来回往复运行于煤矿井下常规轨道上的车辆，具备断绳、断销、超速等停止运行的主动性防护功能。

（4）轮组。对钢丝绳实施压绳、托绳、导向的机构；主要类型有主压绳、副压绳、托绳、转弯、导向等五套轮组。

（5）尾轮。牵引钢丝绳在运距终端的转向装置。

1.2 电气控制装置

卡轨车电气控制部分主要由集中控制操作台、漏泄通信系统、综合保护装置等组成，主要装置功能如下：

（1）起动控制。按下操作按钮，向前或向后主机控制装置主机收到正转或反转指令后，经PLC处理，装置主机内的继电器工作，继电器的常开触点闭合，主机工作，延时2s后，主机内的控制油泵电机和控制电磁阀的继电器同时工作，继电器的常开触点闭合，液压站上面的油泵电机与电磁换向阀同时工作。主机工作后，传感器得到信号，传输给装置主机的PLC，PLC把信号处理后，把距离和位置信息传输给显示数据箱，由其输出梭车的运行距离和到达位置。显示箱里有主机正、反转信息，液压站动力运行信息、打滑预警、超速预警。

（2）停车控制。正常停车，主令手柄回中间位置，油泵电机和电磁换向阀同时失电，制动油缸动作，制动抱闸。

（3）紧急情况停止运行。当发生紧急情况停止运行时，司机按下急停按钮，此时，主动力机构、油泵机构与电磁换向阀同时失电，车辆整体机构停止工作。

（4）故障类型停止运行。主机正常运行时，遇到打滑或超速时，控制机构会主动发出停止信息，其过程与紧急停车过程相同，并提示出发生故障的类型。

（5）显示信息输出方式。主动力机构正反转、油泵机构运行指示灯；打滑主动执行动作干预、超速执行干预信息指示灯；位置动态液晶信息屏，能给出梭车的运行长度和在巷道（信息屏中输出的是巷道摸拟示意图）中的位置。

（6）超速干预执行。当主机运行速率大于1.15倍额定速率时，超速干预指令开始执行，主动力机构、油泵机构和电磁换向阀停止工作。

（7）打滑主动干预。当主机运行速率小于0.85倍额定速率时，打滑主动干预启动，主动力机构、油泵机构和电磁换向阀停止工作。

（8）张紧力下降保护。当张紧力出现下降后，操纵台控制箱检测到拉紧油缸前腔压力下降到设定值时，立即发出停车指令，油泵电机和电磁换向阀同时失电，制动油缸动作，制动闸抱闸，主机停止运行。

1.3 通信系统

通信系统包括手持电台、中继放大器、基地电源、汇接机、基地电台泄露同轴电缆组成，主要具备以下功能和特点：

（1）矿井下巷道中无线电移动通信，手持机通话，语言清晰、宏亮、无干扰。

（2）矿井下无线电漏泄传输网络高可靠，无故障工作时间MTBF≥2.5万小时。

（3）矿井下机车高速行驶中，产生的高背景噪声环境中仍能保证通信畅通，达到正常通话水平。

（4）跟车司机与主机司机之间相互联络的声光信号确保准确无误，遥控停车可靠。

1.4 轨道系统

轨道系统包括直轨、弯轨、道岔装置、凹凸弧轨、起始轨。

（1）直轨。主要铺设在直段巷道，由普通轨道、快速连接装置、连接型钢枕木组成。

（2）弯轨。主要用在转弯巷道，转弯角度为15度、10度、7.5度三种，由过度金属板依靠螺栓相连构成，转弯与直段采取转弯角度10度左右的过渡轨紧固结合。

（3）道岔装置。主要用在货物进出车场或岔道使用。

（4）凹凸弧轨。主要用于巷道底板凹凸段使用，保证牵引车顺利通过。

（5）起始轨。主要为牵引车运行的头部和尾部轨道，防止牵引车过卷的轨道。

1.5 卡轨车制动装置

牵引车和制动车中均有制动结构，具备即时监测卡轨车运行速率，运行中所有部位发生断绳、脱钩、断销、崩脱等造成超速危险情况时，两制动车都可同时主动停止运行，从而有效实现了各节乘人车、运输车的平稳安全。

卡轨车制动装置的各个组成部分分别是测速部分、调节执行部分、油缸制动机构部分、补液油泵部分。

测速机构通过车辆上测速轮带动测速装置，当车辆超速时，转速提高，测速装置超过设定值，调整机构通过液控单向阀控制制动油缸动作，使油缸中压力油迅速回流，油缸依靠压缩碟簧对车辆进行制动，满足车辆安全停止。

2 关键装置结构及技术

2.1 卡轨装置的结构

卡轨装置机构安置在车架底部，卡在轨道外侧，使行走轮行走运行时不会脱轨。在外观方面力求结构紧凑，外形美观（如图2所示），在安全性能方面稳定可靠，兼顾生产成本等问题，在满足以上要求的同时，最大程度地简化结构，每部制动车车轮之间安装有4只卡轨器，卡轨板通过滑动套、挡环安装在卡轨轴上，滑动套卡在轨道上肩，制动车车轮之间安装有四只卡轨器，卡轨装置的卡轨板凸起部分卡在轨道外侧腹板方向，内限外卡整体浮动式卡轨，卡归板材质为调质钢，制动车正常运行时，卡轨装置与轨道并无接触，车列可以顺利运行，增大了对现场轨道的适应性，同时，增加了回转轴承及推力轴承，增加润滑措施有效降低运行阻力，实现关键点的局部卡护轨，保证车列在易掉道段运行平稳。

图2 卡轨装置示意图

图3 卡轨制动车示意图

2.2 卡轨车制动技术

2.2.1 制动模式的选择

按照《MT/T590-1996煤矿井下钢丝绳牵引卡轨车技术条件》和《煤矿安全规程》的规范内容，煤矿井下钢丝绳牵引卡轨车制动机构装置，应能够手动操纵的同时，还能主动自行动作，每列卡轨车中应配备2台安全制动机构装置，制动力总和应不小于额定牵引力的1.5～2倍，每台制动执行机构上要装有一个能够主动执行的限速执行机构，此种限速执行机构既能自动执行施闸，又可手动施闸。

卡轨车的紧急制动涵盖主动自行制动与手动制动两种方式，卡轨制动车取速转向架上的取速机构装置感知车速，并依靠双向液压泵将其转化为液压油流量指令信息,液压机构收集监测液压油流量的波动信息后，实现卡轨制动车主动自行制动效果，当遇到断绳、脱钩或车速大于规定值时，车上的紧急制动机构动作时输出制动力，使卡轨车减速中断运行在轨道，达到消除危险的目的，或当遇到紧急情况时，跟车司机也可操作车体内操作台上的手动制动阀实现手动制动目的。当卡轨制动车制动(即主动执行或手动)后，旋动手动制动阀操作手柄由“正常”位置扭动至“制动”，并结束时复位到“正常”位置(对制动后的液压机构执行复位)，然后，使用手动泵打压杆对制动缸执行打压起闸。卡轨制动车液压机构压力表位于车体内操作台上，卡轨制动车正常运行时额定压力为12MPa，当总体机构运行压力低于额定压力0.5Pa时，及时依靠手动泵或气动泵对液压机构实施补压。

2.2.2 制动装置闸块的材料选型

卡轨车制动装置的制动闸块材质选型，与MT113标准号的相关煤矿井下用聚合物原料成片阻燃抗静电性通用实验类型和鉴定准则的内容相吻合，选用在制动时不会引起爆炸和着火的闸块材质。

3 工业性试验分析

该型号牵引车的试验装置试验依据《MT/T590-1996煤矿井下钢丝绳牵引卡轨车技术条件》，主要开展了空载运行（目测、秒表）、负载运行试验（目测、秒表）、噪声试验、液压系统外渗漏、绞车牵引力试验、绞车牵引速度试验、离心限速器的限速、制动装置制动距离和制动减速度、制动装置液压系统试验、制动装置制动力、载重车载重、牵引车试验、电气系统试验，试验结果如表1所示。

表1 试验项目名称及结果

通过试验结果表明，煤矿井下钢丝绳牵引卡轨车具有爬坡能力，载重大，适用巷道倾角大，一般可达25°，卡轨装置有效防止脱轨翻车，可加设人车（带制动），乘人运输，由普通轨道可改造为卡轨车用轨道，成本低维护方便，本系统不需要重新铺设专用轨道，在普通轨道的基础上改造而成，适用于在巷道快速改造，现场安装无须调整，连接方便、快速，运行安全，运行速度高，系统整体效率高。

本型号的牵引车适用于井下工作面顺槽和采区大巷实现矿藏、设备设施、操作工人的运输，尤其是适用于大型综采装备的运输牵引和长运距及矿藏的运输，能大大提高运输量、加快运输速率、增加运输安全可靠性，也可用于金属矿山和地面轨道运输，可适于转弯角度不小于90、转弯半径不小于9m的转弯，坡度不大于30°且平整度较差的轨道运输。

4 结语

通过对文中新型煤矿井下钢丝绳牵引卡轨车的研制，最终实现该煤矿井下钢丝绳牵引卡轨车大幅减轻井下辅助运输劳动强度，有效避免脱轨掉道等安全隐患，充分贯彻落实了煤矿行业积极响应的人本管理理念，能够加速推进煤矿辅助运输技术的更新发展，在市场推广和应用价值方面有其独特的优越性。