井下采掘巷道辅助运输无轮式矿车设计及应用

井下采掘巷道辅助运输无轮式矿车设计及应用
摘要：矿车作为煤矿井下主要运输设备，其运行工况的好坏直接影响着井下的运输系统，避免矿车跑车是井下运输系统的关键所在，对井下的安全起着举足轻重的作用。

目前固定式矿车主要采用”一波三档”防跑车装置来避免跑车问题，但这种装置造价较高且易失灵，防跑车效果不太明显。

针对以上问题该论文通过对现有固定式矿车结构改进和试验对矿车进行研究，在研究过程中将固定式矿车改进为无轮矿车，并进行工况受力分析。

从而得出结论，无轮矿车无需使用防跑车装置易可避免跑车，从而降低了成本。

并且试验再次验证无轮矿车的安全性和可靠性。

关键词：矿车；防跑车；无轮式矿车；试验
0.引言
煤矿矿车主要用于煤矿井下大巷道、中小斜井筒、小斜井顺槽和矿井地面运输，是煤矿地面和井下巷道运输煤和矸石的一种主要运输设备[1]。

煤矿井下常用的矿车有底侧卸式矿车、固定式矿车、翻斗式矿车、梭式矿车、单侧曲轨侧卸式矿车等。

底侧卸式矿车可以实现连续装、卸矿，不卡斗，且卸矿干净，可以缩短装、卸矿时间，大大提高了工作效率，但其使用寿命短、维修工作量大、运输系统可靠性差；固定式矿车具有结构简单、坚固耐用、阻力系数小、承载能力大、维修方便等特点，但其有易跑车、质量大、制造成本高；梭车矿车具有装卸速度快、减震性能好、不易掉道等优点，但其运量小，在行车过程中易使电缆拖地，且行车路线比较受限[2]。

目前大多数煤矿均是采用固定式矿车来实现煤和矸石的运输，具体结构如图1所示，为此专门设计了”一坡三档”防跑车装置用以克服跑车现象，但是该装置造价较高、维修工作量较大以及易失效，未被大多数煤矿所采用。

因此，为了克服以上固定式矿车的不足，在固定式矿车的结构基础上，研究设计了一种新型煤矿矿车-无轮矿车，该矿车无需添加任何防跑车装置，可以利用与地面摩擦来实现防止矿车跑车。

图1 固定式矿车图
1. 无轨矿车结构设计
在固定式矿车的基础上，改进设计出一种无轮矿车，特点是没有固定式矿车的车轮，完全利用绞车的拉力滑动来实现辅助运输。

新型无轮矿车不需要像固定式矿车一样在斜坡运行时设置专门的”
一坡三挡”防跑车装置，因为无轮矿车与矿井运输地面的接触面积较大，可以通过与地面摩擦来实现防止矿车的跑车，这样就就避免了在斜坡上安装三个以上的防跑车装置，从而大大降低了辅助运输成本[3]。

对于无轮矿车的设计，经过研究讨论拟定两个设计方案。

第一种设计方案：该设计将有轮矿车车轮去掉，并将矿车的车底制成和铁轨轨距相适应的宽度，矿车在卡轨的约束下行驶，同时在矿车底部有两个突出的导向梁，导向梁的作用是镶嵌在铁轨的工字钢的槽内，起导向作用。

同时由于矿车没有车轮，所以也不用考虑车轴和车轮的装配问题。

为了能够更好的控制矿车的运行方向和防止矿车在运行时左右摇摆，两旁设置卡轨，卡轨只用于控制矿车运
行的方向，其承受的力较小，并且卡轨内不设枕木但要求路面平整，能保证矿车可在卡轨轨道内滑行，具体结构图如2（a）所示。

对于第一种无轮矿车来说，首先其适用范围较小，只能用于弯道较大或弯道弧度较大的巷道；其次其在斜坡运行速度非常缓慢，由于该矿车底部与地面接触面积较大，使用同种绞车进行牵引，其运行速度比固定式矿车运行速度慢的多；最后其对地面平整度要求较高，若斜坡存在一定的小坡度，将会阻碍矿车的正常运行。

鉴于第一种无轨矿车具有以上三点不足之处，研究开发了第二种无轮矿车。

第二种设计方案：这种方案是在第一种方案的基础上加以优化改进的，利用铁轨的工字型槽钢，将矿车的车轮拆卸后，在矿车的车底边上加两个导向梁，导向梁镶嵌到铁轨工字型槽钢内，同时将矿车的车底面制成雪橇的形式，不仅可以大大减小地面对矿车的运行阻力，而且还可以减少铁轨工字型槽钢所受的力，从而降低磨损。

由于雪橇式的车底在运行时可以通过一定坡度，可以相对降低矿车对运行巷道的地面要求。

矿车在运行的过程中可能会有一定颠簸，如果导向梁和钢槽的宽度大小相等可能会破坏整个运输的轨道，所以镶嵌在钢槽内的导向梁必须小于钢槽的宽度，这样矿车的导向梁在运行的过程中拥有一定的活动空间，同时也可以起到保护铁轨的作用，具体结构图如2（b）所示。

该矿车克服了第一种无轮矿车的不足，且也无需安装防跑车装置。

（a）第一种无轮矿车（b）第二种无轮矿车
图2 无轮矿车结构图
2.无轨矿车运动工况及受力分析
为了验证新型无轮矿车能否在现有绞车的牵引下，实现运输功能，需判断绞车的最大牵引力和矿车运行过程中所需要的牵引力之间的大小关系。

一般而言，矿车在斜坡运行时要经历三个阶段，分别是启动加速阶段、匀速行驶阶段以及减速慢行阶段，因此需要分别对矿车这三种工况进行阻力分析，因为在减速阶段，矿车所需牵引力明显小于前两个阶段，所以这里忽略减速阶段的阻力工况分析，只对前两种工况进行分析[4]。

1）启动加速阶段：此时矿车具有一定加速度0.1m/s2，方向沿斜面向上，受力分析如图3所示：
图3 加速阶段矿车受力图
由受力分析图可知，矿车加速向上运行过程中所受的牵引力等于其所受到的摩擦力、重力沿斜面的分力及惯性力三者之和。

其中矿车受到地面摩擦力为：
2）匀速行驶阶段：矿车处于匀速运行的状态，矿车的受力分析如图4所示：
由受力分析图可知，矿车匀速向上运行过程中所受的牵引力等于其所受到的摩擦力和重力沿斜面的分力两者之和。

其中矿车受到地面摩擦力为：
由以上计算可以看出，矿车在启动加速阶段所需要的牵引力比较大，因此，选取启动加速阶段矿车的牵引力作为验证对象。

下面对
绞车的牵引力进行计算，矿车从启动加速阶段到匀速运行阶段需要6s，矿车在运行过程中最大速度为0.5m/s。

通过上述计算发现，绞车牵引力远大于矿车所需牵引力，所以，利用现有绞车完全满足无轮矿车向上运行时所需牵引力，从而验证了结构设计的正确性和可靠性。

3. 应用实例
为确保煤矿安全生产的需要，验证改进后的无轨矿车的实用性。

2013年3月在淮北矿业集团某煤矿865-3工作面回风材料斜巷安装并进行了无轮矿车工业性应用试验。

865-3工作面回风材料斜巷是连接863岩轨巷和865-3工作面回风巷的一条斜巷，主要用来865-3工作面回风及进料，如图5所示，总长约80米，巷道最大坡度18度，绞车功率11.4kw。

图5 工业性应用试验斜巷示意图
试验证明，矿车总重3t的情况下，可以实现正常上下坡，从而可以满足辅助运输需求。

目前改进无轨矿车已正式应用，并取得了很好效果。

通过设备实际应用，改进后的无轨绞车在防跑车性能上更加便捷和安全，方便操作，提高了安全性能。

4. 结论
通过对无轮矿车的结构设计、工况分析得到如下结论：无轮矿车无需在坡道上设置三个以上的防跑车装置，因为其与矿井的地面接触面积较大，从而大大的增加了矿车的受力面，使矿车与地面摩擦力增大，同时通过绞车又可以拉动实现物料运输。

如果矿车在运行
的过程中出现断绳或其他原因引起的跑车，矿车会迅速停下来，从而大大降低了矿车因跑车引起的安全事故；同时，由于运行轨道不需要铺设枕木，这样也降低了辅助运输的成本，对于提高辅助运输安全水平和提高生产效率具有重要意义。

参考文献：
[1]江梅.矿车动力分析和缓冲装置的研究[j].化工矿物与加工，2005，3（10）：26-29.
[2]曹艳.斜井防跑车缓冲蓄能装置应用设计[j].煤矿机械，2012，11（7）：45-47.
[3]杨艳春.固定车厢式矿车连接装置的改造[j].中国集体经济，2007，20（7）：125-126.
[4]崔福军.牵引式矿车运行工况及机械受力分析[j].煤炭技术，2013，5（3）：48-51.
作者简介：吴克祥，男，1972年生，讲师，池州职业技术学院教师，研究方向为机电一体化。