矿用井下气动单轨吊制动系统设计与应用研究

王 刚

（晋能控股煤业集团四台矿辅运科， 山西 大同 037000）

引言

目前，井下煤矿常用的辅助运输设备有气动单轨吊、卡轨车、无轨胶轮车、柴油机单轨吊等，其中单轨吊主要吊挂在顶板轨道上行驶，对地板没有特殊要求，且该设备机动性好、爬坡能力也比较强，能够很好地适应巷道[1]。气动单轨吊组成部分有气动控制结构、气动电葫芦、承载小车、动力结构以及连接杆等，动力结构主要提供驱动力；承载小车在轨道上行走，行走小车包含两对行走轮，在位于承载小车两端的连接孔可利用连接杆与提升装置、制动装置相连接[2]；连接杆在承载小车之间、动力结构与承载小车之间相连接；气动葫芦可用于提升货物，并依靠气动葫芦进行提升和下降动作。气动单轨吊自身带有气动马达，是借助气动马达来驱动运输体系上的吊运车，并依靠驱动轮，机车在轨道的腹板上压紧，在摩擦力作用下牵引机车动作[3]，因此，气动单轨吊不仅可以应用于巷道内的短途运输，也可以应用于矿井下料场至毛干、迎头物料的运输。鉴于气动单轨吊在煤矿井下辅助运输中具有明显的优势[4]，本文对气动单轨吊制动系统进行设计研究，旨在提高其辅助运输效率，进而保证矿井下人员和设备的安全。

1 矿用气动单轨吊的组成及工作原理

气动单轨吊包含有承载和运输系统，其中，对于运输系统，包含有制动系统、夹紧系统和行走系统，主要功能是执行机车的行走、制动等动作，运输系统中的这三个子系统相互协作配合，一起完成井下辅助运输工作[5]。对于承载系统，包含有气动葫芦、承载小车和连接组件等，主要功能一是升降吊挂的负载；二是收放气管管路[6]。

单轨吊运输系统工作机理是：启动工作时，通过来源于夹紧系统的夹紧力，将驱动轮紧紧压在轨道上，执行行走工作时，进气给制动气缸的有杆腔，使气缸收缩，制动弹簧压缩蓄能，制动动作解除，气动马达带动驱动轮转动，机车进行行走动作。执行制动动作时，气动马达停止动作，停转驱动轮，使制动缸活塞杆伸出，展开制动弹簧，使制动轮紧紧压在轨道上，机车完成制动动作[7]。

2 气动单轨吊制动系统的设计

矿用井下气动单轨吊制动方式是应用失效安全型，在机车出现正常停机或者忽然停止供气的情况时，制动弹簧作用使制动轮与轨道腹板紧贴，借助轨道和制动轮间的摩擦力作用完成制动动作。气动单轨吊制动系统使用两组制动装置，其应用杠杆原理结构设计，且分别位于驱动部机架的两端位置，不仅制动力大，且占用空间小。因此，制动系统结构由制动轮、制动气缸、制动臂、制动弹簧、推杆与连接件等部分组成。

本文首先对气动单轨吊制动系统进行设计，其系统设计图如图1 所示。其中，1 是应用井下气源为系统动力源，主要供应井下所需的压力气体；2 是二位五通气控换向阀，主要通过气控回路对换向进行控制[8-10]；3 是梭阀；4 是制动气缸；5 是气控回路；6 是快速放气阀。当机车行驶时，注入压力气体给气控回路，使右位换向阀工作，并将其输出的气源压力气体给入梭阀3.1 和3.4，再经其给入制动气缸4.1 和4.2 有杆腔，同时，缩回制动缸活塞杆，使制动弹簧蓄能压缩，制动动作解除。当机车制动时，停止供气给气控回路，使左位换向阀工作，将输出的气源压力气体给入梭阀3.2 和3.3，再给入制动缸的无杆腔，同时，伸出制动缸活塞杆，使制动弹簧展开，制动轮压紧轨道，制动动作完成。

图1 气动单轨吊制动系统的结构

3 气动单轨吊制动系统的模拟应用

本文对气动单轨吊制动系统设计后，并对其进行模拟研究，用来验证系统设计的合理性以及制动系统的各项特性。模拟参数设置为时间25 s，步长0.01 s，针对其应用失效安全型的制动模式，从制动动作起进行模拟研究。具体过程是：最开始为制动状态，0～5 s机车制动解除，此时换向阀气控位工作，缩回制动活塞杆，制动轮离开轨道，机车执行行走动作；5～10 s是行走过程，制动活塞杆持续为缩回动作，机车行走在轨道上；10～15 s 是机车制动过程，利用制动弹簧、制动缸的弹力和推力作用，机车迅速制动；15～20 s机车从制动动作直接到行走动作。模拟机车在不断启停动作工况下，其制动系统的稳定性。

由图2 和图3 可知，机车制动动作解除时，缩回制动缸活塞杆，并使制动弹簧压缩，仅用1.5 s 的时间就可实现制动弹簧的压缩蓄能，此过程中，活塞运行平稳，速度值只在小范围内波动，且并未形成大幅度的变化趋势，对制动缸及其机体结构的冲击力较小。在5～10 s 行走过程中，制动弹簧始终处于压缩位置，且制动弹簧速度是0，位置没有发生变化，系统稳定。

图2 制动弹簧位移变化曲线

图3 活塞速度变化曲线

图4 和图5 中，制动气缸无杆腔和有杆腔压力上升平稳，表明系统的稳定性较强。此外，对比上述图可知，在10～15 s 机车制动中，进气给入制动缸无杆腔，在0.8 s 内制动弹簧展开，速度比较快，满足要求。此过程中，制动缸无杆腔和有杆腔的压力变化不大，有杆腔压力由0.58 MPa（5.8 bar） 降至0.42 MPa（4.2 bar），下降平稳；而无杆腔压力由0.1 MPa（1 bar）升至0.16 MPa（1.6 bar），变化较小，主要原因是因为依靠制动弹簧提供的制动力来完成制动动作，因此，整个过程中压力比较稳定。且从图5 还可看出，前后腔间的压差变化幅度不大。在15～20 s 机车解除制动中，转换期间活塞速度波动范围在15 mm/s 之间，大小平稳，基本不影响制动系统的冲击结构。有无杆腔压力变化曲线均较平滑，其中，有杆腔压力稳定上升至0.7 MPa（7 bar），基本不再变化，且在解除制动后，压差呈现上升变化曲线，稳定在0.55 MPa（5.5 bar）不变化，满足设计要求。

图4 制动气缸无杆腔和有杆腔的压力变化曲线

图5 制动气缸无杆腔和有杆腔的压差变化曲线

4 结论

矿用气动单轨吊属于井下辅助运输中比较重要的设备，为提高其井下运输能力，本文对气动单轨吊制动系统进行设计，并对其制动系统设计的合理性及其各项特性进行研究，验证其应用效果，结论是：

1）通过对单轨吊制动弹簧位移、活塞速度以及制动缸压差变化情况进行分析，曲线变化均比较平稳，且没有出现大的波动现象。

2）机车制动系统制动过程满足要求，且行走、制动过程系统运行稳定，能够有效实施制动、行走动作。