煤矿井下齿轨卡轨车的优化研究

2022-08-10闫伟

山东煤炭科技 2022年7期

闫伟

（潞安化工集团司马煤业公司，山西长治 047105）

齿轨卡轨车是煤矿井下一种重要的物料辅助运输设备，具有运输安全性高、经济性好的优点。目前潞安化工集团司马煤业公司所使用的蓄电池式运输车辆已经无法满足井下运输需求，在进行升级改造时，面临着传统齿轨卡轨车必须将井下轨道都更换成异形齿轨，投入大、周期长的不足，极大地限制了齿轨卡轨车应用范围的进一步拓展。

结合齿轨卡轨车在井下运行的实际需求以及井下现有轨道结构，司马煤业设计了一种新的齿轨卡轨车。该车辆将摩擦驱动和齿轮驱动相结合，仅在井下斜坡段铺设新型的齿轨，其他地方依旧可以采用原有的电机车轨道，既能发挥齿轮车在持重爬坡时稳定性高、可靠性好的优点，又能充分利用井下现有的轨道设施，降低改造的成本和周期。为了保证两种驱动方式在运行时的可靠性，在齿轨卡轨车和齿轨导引段设置有信号发射装置，齿轨卡轨车接收到导引段的信号后启动齿轮驱动单元，当再次进入到非齿轮轨道处时再切换为传统的摩擦驱动方式，极大地提升了齿轨卡轨车的运行便捷性和经济性，目前已经在多个煤矿投入了使用，取得了极好的应用效果。

1 新型齿轨卡轨车结构

结合司马煤业井下的实际需求，且为了满足井下运行可靠性要求，该新型齿轨卡轨车主要由叉杆、转动杆、控制室及驱动机组构成。驱动机组采用了150 kW 大功率发动机驱动，通过叉杆和齿轨卡轨车的两个控制室相连接。该新型齿轨卡轨车整体结构如图1[1]。

图1 新型齿轨卡轨车结构示意图

该新型齿轨卡轨车核心为摩擦驱动和齿轮驱动的控制系统。摩擦驱动主要包括了传动齿轮、驱动马达及制动装置，齿轮驱动则主要是指齿轮传动总成。在每个传动装置内设置有四组驱动马达，根据齿轨卡轨车的负载情况及地质情况，灵活地调整同时投入的驱动马达的数量，保持齿轨卡轨车运行的灵活性和可靠性。

齿轨卡轨车在运行的时候，液压泵将液压油传输到液压马达内，液压油在马达内形成一个循环后再回到油箱内，从而形成一个连续的动力源，推动液压马达的运行。在普通的运行轨道处，采用摩擦驱动方式，通过连接杆将马达和齿轨卡轨车的摩擦轮连接在一起，通过液压马达带动摩擦轮的运行，从而达到采用摩擦驱动运行的方式。在齿轨处，采用齿轨控制模式，此时液压马达和齿轨卡轨车的齿盘连接在一起，齿盘和轨道上的齿轨啮合，通过齿轮盘带动机车在齿轨上的运行。

为了保证液压马达在重载下工作的可靠性，在上面设置了回油口[2]。若工作时的供油压力过大，可以通过回油口将高压油进行卸压，从而保证在不同工况下工作的可靠性。

2 齿轨卡轨车控制系统

该齿轨卡轨车安全运行的核心在于，当齿轨卡轨车进入到齿轨段后能够及时切换齿轨运行模式，当在传统的轨道段时能够快速地切换到摩擦驱动模式[3]，若没有及时进行切换就极易发生安全事故，因此本文设计了一种新的齿轨卡轨车快速切换控制系统。

在齿轨卡轨车的摩擦轮的内侧设置一个折叠式的行程开关，在齿轨段的引导轨处设置一个机械限位，并将开关信号接入到齿轨卡轨车的控制系统内。当齿轨卡轨车从斜巷的外侧进入到引导轨内时，其行程开关触碰到设置在引导轨处的机械限位开关，获取到触发信号后，控制系统发出启动指令，控制齿盘落下，卡入卡条，系统获取到卡条落下的信号后允许机车继续行驶并进入到齿轨段。若系统未检测到卡条卡入的信号则系统发出报警信号，同时自动切断齿轨卡轨车的运行驱动系统，阻止齿轨卡轨车行驶进入齿轨段，确保井下运输的安全性。齿轨卡轨车的快速切换系统结构如图2[4]。

图2 齿轨卡轨车快速切换系统示意图

为了保证齿轨卡轨车快速切换系统的工作可靠性，在系统中设置了齿条到位监测装置。该监测装置包括设置在引导轨上的信号发射模块和设置在齿轨卡轨车上的信号接收模块[5]。信号发射模块的有效距离为30 m，当设置在齿轨卡轨车上的信号接收模块接收到信息后，系统开始执行切换程序，并对齿盘的下落距离进行检查。当满足下落要求后系统发出正常的信号，齿轨卡轨车继续运行；当监测到齿盘的下落距离不足时系统发出报警信号，此时可以由操作人员手动进行二次调整，使齿盘的下落距离满足要求。若系统判断齿盘下落异常，则开始执行停机动作，及时停止齿轨卡轨车的运行，避免齿轨卡轨车进入到斜坡段，保证井下物料的运输安全性和可靠性。

3 转向连接机构

为了适应不同情况下的运行需求，齿轨转向架采用了边梁牵引的模式，利用连接装置将牵引座和底架的边梁相互连接，其转向连接机构采用了“Z”型结构设计方式，能够在保证结构强度的情况下降低系统整体的重量。由于在转向架牵引座接触的位置存在一定的应力集中，因此在该区域进行了结构加强，在其他非受力部位进行了适当的简化，提高使用可靠性。

为了避免齿轨卡轨车在长期运行过程中连接位置的松动，影响齿轨卡轨车的运行安全，因此在连接位置设置了限位装置，能够保证连接螺栓在长期振动冲击下的使用可靠性。在牵引连接座的位置共设置了3 组、27 颗连接螺栓，边梁上还设置了加厚型腔结构，提高螺栓连接强度。自连接结构和边梁之间同步设置了20 mm 宽的不锈钢过渡钢板，缓解在运行过程中的应力集中情况，保证了整个转向连接机构在使用过程中的可靠性和稳定性。该转向连接机构的整体结构如图3。

图3 转向连接机构示意图

4 井下应用情况

该齿轨卡轨车已在司马煤业的多个矿区投入应用，井下巷道斜坡为19°，斜坡的长度为400 m，牵引重物为17.6 t，所使用的牵引力为261 kN，工作时的平均牵引速度为6.56 m/s。齿轨卡轨车运行时的齿轨设置在巷内的斜坡段，通用导轨铺设在斜巷的上下段。为了保证齿轨卡轨车在运行过程中驱动方式转速的可靠性，在引导段导轨的铺设长度需要大于齿轨卡轨车总长度的1.5 倍。一般来说井下重车挂载数量不大于5 段，空车挂载数量不超过8段，平车的最大挂载数量不超过5 段，每段的长度为3 m，因此井下导引段导轨的铺设长度不应小于36 m。

在井下运行过程中，为了保证在斜坡段运行的安全性，矿井采用了自动控制+人工保障的齿轨卡轨车运行方案。当齿轨卡轨车运行到引导段处时，齿轨卡轨车控制系统接收到感应信号并控制齿盘下落，卡入齿条，由摩擦驱动运行模式转换为齿轮驱动运行模式；然后操作工将保险绳挂好并发出连接信号，确认下坡段无异常后，操作工再打开上口抱轨式阻车器及拦车杆；当齿轨卡轨车驶过斜坡段后，下侧的挡车栏关闭，机车由齿轮驱动转变为摩擦驱动，进行正常运行。

目前该新型齿轨卡轨车已经平稳运行了近十个月，在运行过程中能够实现摩擦驱动和齿轮驱动的快速切换，极大地提升了井下物料运输效率和安全性。井下齿轨段的齿轨结构如图4[6]。