单轨吊轨道及机车的选型计算及应用研究

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摘要：随着煤矿辅助运输装备的升级改造，单轨吊依靠其长距离、连续化、安全可靠、经济性的特点逐步得到推广应用，但是在单轨吊轨道及机车的选型计算上目前还没有一套规范的标准。文章以德国沙尔夫生产的单轨吊为基础，介绍了一套单轨吊轨道及机车选型的计算方法，并结合实际对单轨吊的安装、应用进行了研究。

关键词：单轨吊轨道；机车；选型计算；煤矿辅助运输装备；煤矿生产 文献标识码：A

中图分类号：TD524 文章编号：1009-2374（2016）23-0052-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.23.025

1 概述

煤矿辅助运输是煤矿生产建设的重要组成部分，承担着煤矿井下材料、设备、人员和矸石运输任务。目前国内大部分煤矿仍采用传统的辅助运输方式，在主要运输巷采用电机车运输，采区上下山采用绞车运输物料和设备，顺槽采用小绞车或无极绳绞车运输。随着煤矿辅助运输装备的升级改造，单轨吊依靠其长距离、连续化、安全可靠、经济性的特点逐步得到推广应用。

2 单轨吊轨道的种类

单轨吊轨道按照载重分为轻轨I140E和重轨I140V两种，按照使用方式，分为直轨、弯轨、调节轨、道岔等。

2.1 直轨

直轨主要在直线段内安装使用，一般分为2m/根、2.4m/根、3m/根，也有极少数使用2.25m/根和1.5m/根的。

2.2 弯轨

弯轨主要用于巷道的弯道、车场等位置，一般使用1m/根、1.5m/根、2m/根的，国外的弯轨是根据曲率半径加工好的1m/根的，国内弯轨主要是根据现场情况，用弯轨器加工、拿弯。

2.3 调节轨

调节轨是弯轨和直轨之间的过渡轨道，一般长度在1～2m之间，根据现场情况加工。

2.4 道岔

道岔主要用在巷道的三岔门、四岔门或车场内，道岔一般都采用对称形式，目的是尽量缩短道岔的长度，如果采用单开道岔的形式，道岔的长度要增加近一倍的长度。

3 轨道的吊挂形式

3.1 锚杆吊挂形式

3.1.1 单吊链吊挂方式。如图1所示，由两根锚杆固定一个专用吊板，用一根吊链将吊板和轨道连接起来。锚杆直径不小于Ф20mm，全螺纹锚杆长度不小于2m，锚深不小于1.6m，锚固长度不小于0.7m，锚固力不小于130kN/根。该吊挂方式的优点是吊挂比较美观，受力方式好，缺点是不能控制左右摇摆，易产生轨道扭曲。巷道坡度小于5°使用较合理。

3.1.2 双吊链吊挂方式。如图2所示，由两根锚杆通过两根吊挂链，通过大吊环把轨道吊起，吊挂链采用Φ18×64锚链，吊链铅垂偏角不得大于60°。该吊挂方式优点是费用低，控制了轨道的左右摇摆，适合大坡度条件下使用，轨道稳定性强，缺点是吊链斜拉，产生部分锚杆剪切力。

3.1.3 双链重轨吊挂方式。重轨目前在国内使用较少，吊挂一般采用双链吊挂，吊挂链选用Φ18×90吊挂链，每根吊挂链采用一个吊挂板用两根锚杆固定，也就是说每个吊挂点采用4根锚杆吊挂。

3.2 架棚巷道的吊挂方式

3.2.1 U型棚吊挂方式。制作专门的U型棚卡子吊挂，如果单轨吊的轨道不在U型棚正下方，就采用两个棚头吊挂一个点。

3.2.2 梯形棚的吊挂方式。在矿用工字钢支护巷道中，将矿用工字钢（不小于1.2m）制作的短梁沿巷道方向固定在两棚头之间，采用U型卡子固定在棚头上，吊链固定在短梁上，再用吊链吊挂轨道。当轨道吊挂点正处于棚头下方时，可将吊链直接固定在棚头上，但也应对棚头采用加固措施，防止倒棚。

4 轨道选型计算及锚固力计算

4.1 起吊梁的种类

德国沙尔夫单轨吊机车的起吊梁，按照规格分为6吨、8吨、16吨、22吨、28吨、32吨、45吨等几种，各种单轨吊的结构、参数在各类资料、说明书中均能查到，在此不再赘述。

4.2 单轨吊轨道长度的选型计算

根据欧盟的标准，I140E轨道每个吊挂点的最大静拉力为50kN，I140V型轨道的每个吊挂点的最大静拉力为100kN；轨道吊挂点的吊挂力与轨道的长短、承载小车的数量、承载小车的受力、承载小车之间的距离、轨道的倾角有关。6吨起吊梁承载小车的距离为3300mm，8吨、16吨、22吨、28吨起吊梁承载小车距离为1810mm，32吨起吊梁承载小车之间的距离为1460mm，45吨起吊梁承载小车之间的距离为730mm。

欧盟专门制定了轨道选型计算如图3所示。可以看出，在承载小车间距为1810mm时，当承载小车受力为2800kg以下时，选用3m/根的轨道；当承载小车受力为2800～3380kg以下时，选用2.4m/根的轨道；当承载小车受力为3380～4000kg以下时，选用2m/根的轨道。

实际使用中，若线路为3m/根的轨道，则使用16吨起吊梁能够吊起最大的重物为4×2800-1490=9710kg；若线路为2.4m/根的轨道，则使用16吨起吊梁能够吊起最大的重物为4×3380-1490=12030kg；若线路为2m/根的轨道，则使用16吨起吊梁能够吊起最大的重物为4×4000-1490=14510kg，其中4为起吊梁承载小车数，1490kg为起吊梁的自重。当用16吨起吊梁吊起16吨重物时，最好选用I140V轨道3m/根的。

4.3 锚固力的计算

例如用16吨起吊梁吊起14吨综采支架时，如图4所示。从图中可以看出，16吨起吊梁4个承载小车，中间两个受力为3780kg，两边的小车承载力为3965kg。16吨起吊梁吊运14吨支架在2m/根的轨道上运行，吊挂点的吊挂受力分析图如图5所示。以吊挂点B点为例进行受力分析，则可列出如下的方程式：

2T1=3965×（2-X） T1=3965-1982.5X

2T2=3780×（0.19+X） T2=359.1+1890X

2T3=3780×（X-1.62） T3=1890X-3061

则B点的吊挂力为TB=1797.5X+1263.1，当X=1.81时受力最大为4517kg，按3倍的安全系数进行计算，则吊挂点锚固力按3×4517=13551kg，按1.2的不均匀系数计算，则每根锚杆需要的锚固力为13551×1.2÷2=8130kg，故选用2根全螺纹等强锚杆吊挂，每根锚杆的锚固力需达到90kN。

5 实际使用中轨道扭曲断裂的问题分析

单轨吊机车在实际使用中，轨道系统主要存在扭曲断裂问题，分析产生的原因，主要有以下五点：（1）虚吊。当轨道吊挂链不受力，即为虚吊。虚吊可分为静态虚吊和动态虚吊。吊挂链不受力，在机车运动过程中，虚吊处很易造成冲击而断螺丝或断吊耳；（2）折线点。即轨道不顺直。主要原因是轨道不顺直，无轨缝造成的；（3）起吊梁和轨道选用不合理，超负荷，例如选用3m/根轨道运输12吨支架，选用2.4m/根的轨道运输14吨综采支架等；（4）运行速度过快。斜坡坡度大时，运行速度不合理；（5）斜坡吊链方向不对，斜坡时受力方向向下。

6 单轨吊机车的选型计算

6.1 图表法

此方法试用于德国沙尔夫柴油机单轨吊车，只要知道单轨吊重量、起吊梁重量、载重物重量及运行巷道最大坡度，查表即可得知需要的驱动力及运行速度。

6.2 计算法

此方法适用于电牵引单轨吊车，公式为F=（P+Q）（sinθ+μcosθ+i），式中：F为所需牵引力；P机车自重；Q起吊梁加起吊物的重量；μ摩擦系数取0.03；θ为巷道倾角；i为启动加速度，取0.08～0.1m/s。

7 机车选型应注意的问题

7.1 连杆长短与曲线半径的关系

单轨吊机车运行过弯道时，各连接单元连杆与弯道曲线的夹角影响连杆长度的选型。驱动力设计经验公式为Fmax=K×（0.2365-sinθ）kN，K取值为1072，当连杆长度为1m时，在6m曲线上运行时，当连杆长度为1m时，连杆与曲线的夹角为3°，此时Fmax=198.856kN；当连杆长度150mm时，Fmax=89.512kN，故沙尔夫机车的连杆长度都在1m以上，起吊梁与机车的连杆更长。

7.2 驱动马达流量与驱动力的关系

图6所示为径向柱塞式液压马达工作原理图。当压力油经固定的配油轴4的窗口进入缸体3内柱塞1底部时，柱塞向外伸出，紧紧顶住定子2的内壁。由于定子与缸体存在一偏心距e，在柱塞与定子接触处，定子对柱塞的反作用力为FN。力FN可分解为FF和FT两个分力。当作用在柱塞底部的油液压力为P，柱塞直径为d，力FF与FN之间的夹角为φ时，它们分别为：

FF=

FT=FFtanφ

力FT对缸体产生一转矩，使缸体旋转。缸体再通过端面连接的传动轴向外输出转矩和转速。

以上分析的是一个柱塞产生转矩的情况。压力油将作用在处于压油区的若干柱塞（即处于上半圈的柱塞）的底部，这些柱塞上所产生的转矩均会使缸体旋转，并输出转矩。径向柱塞液压马达多用于低速、大转矩的情况。

7.2.1 排量与转速。液压马达的转速取决于供油流量q和本身的排量V。由于液压马达内部有泄漏，并不是所有进入压油马达的液体都推动液压马达做功，一小部分液体损失掉了，所以马达的实际转速要比理想情况低一些，即：

式中：是液压马达容积效率。

7.2.2 机械效率与转矩。液压马达在工作中输出的转矩大小是由负载转矩所决定的。当液压马达进、出油口之间的压力差为、输入液压马达的流量为q、液压马达输出的理论转矩为Tt、角速度为时，如果不计损失，输入液压马达的液压功率应当全部转化为液压马达输出的机械功率，即：

又因为，q=Vn，所以液压马达的理论转矩为：

T=

由于液压马达内部不可避免地存在各种摩擦，实际输出的转矩T总要小于理论转矩Tt，即：

T=Tt-=

式中：是由于各种摩擦造成的液压马达转矩损失；ηm是液压马达的机械效率。

7.2.3 总效率。

η===ηmηv

可见，液压马达的总效率等于机械效率与容积效率的乘积。

7.2.4 调速范围。液压马达的调速比i用允许的最大转速和最低稳定转速之比表示，即：

i=

显然，调速比i宽的液压马达应当既有好的高速性能又有好的低速稳定性。这样当执行机构要求的调速范围很宽时，要求液压马达能在较大的调速范围内工作，否则就需要增设变速机构，但这会使传动机构复杂化。

7.2.5 沙尔夫机车输出转矩的计算。T=Tt-=，T=R·F，R=0.17，则单个驱动轮的驱动力为：（1）选用565cm3马达时，T=2230Nm，F=223÷0.017=1311kg，每套驱动部两个驱动轮，驱动力为2×1311=2622kg，故标称24kN。随着马达排量的增大，驱动力增大；（2）选用470cm3马达时，T=1820Nm，F=182÷0.17=1075kg，每套驱动部两个驱动轮，驱动力为2×1075=2150kg，故标称20kN；（3）选用468cm3马达时，T=1800Nm，F=182÷0.175=1040kg，每套驱动部两个驱动轮，驱动力为2×1040=2080kg，故标称20kN；（4）考虑磨损系数，一般马达运行6000小时后，压力损失降低0.04～0.05之间，取0.05，则6000小时后驱动部的计算驱动力为565cm3马达2490kg、470cm3马达为2040kg、468cm3马达为1976kg。

7.3 机车组列与驱动力的关系

以DZ1800 3+3为例，综采支架两边每侧3套驱动部时，三个驱动部在前面拉，三个驱动部在后面推，受力状态良好，如果换成综采支架全部推着向里进，受力状态极差。

8 结语

目前在国内，在单轨吊轨道及机车的选型计算上还没有一套规范的标准，各厂家均有所不同，以上以德国沙尔夫生产的单轨吊为基础，介绍了一套单轨吊轨道及机车选型的计算方法，并结合实际对单轨吊的安装应用进行分析，以供相关人员参考。

作者简介：徐红光（1982-），男，江苏赣榆人，淮南矿业集团潘三矿机电工程师，研究方向：煤矿机电。

（责任编辑：蒋建华）

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