煤炭索道運(yùn)輸方案及液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法

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摘要：文章介紹了使用在復(fù)雜地形煤炭運(yùn)輸?shù)碾p向索道運(yùn)輸系統(tǒng)整體方案，通過計(jì)算其鋼絲繩、卷筒及減速器的主要參數(shù)，闡述了運(yùn)輸系統(tǒng)的組成和工作原理，并根據(jù)運(yùn)輸系統(tǒng)的技術(shù)要求，確定了系統(tǒng)主要元件的技術(shù)參數(shù)后設(shè)計(jì)出了液壓系統(tǒng)回路。將此技術(shù)應(yīng)用到煤炭運(yùn)輸系統(tǒng)中，適應(yīng)了惡劣的地形環(huán)境，且結(jié)構(gòu)簡單、自動化程度高，大大提高了運(yùn)輸效率，具有良好的推廣應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：煤炭運(yùn)輸；復(fù)雜地形；雙向索道；液壓系統(tǒng)；運(yùn)輸效率

在煤炭運(yùn)輸行業(yè)中，常常把帶式運(yùn)輸機(jī)、刮板輸送機(jī)及斗式提升機(jī)用于中短距離運(yùn)輸中，這幾種運(yùn)輸方式都有各自的優(yōu)缺點(diǎn)，有的省時(shí)，有的省力，但在煤炭運(yùn)輸中因?yàn)檫\(yùn)輸環(huán)境的改變而頻繁改變相應(yīng)的運(yùn)輸方式，在實(shí)際運(yùn)用中很難很好地利用。索道運(yùn)輸爬坡能力好，能夠跨越山川河流，對自然的適應(yīng)性強(qiáng)，而且能夠?qū)崿F(xiàn)最短距離的空中運(yùn)輸方式，具有經(jīng)濟(jì)、節(jié)能、高效和對環(huán)境破壞小等優(yōu)點(diǎn)，適用于中小產(chǎn)量煤礦且地形復(fù)雜的中短距離運(yùn)輸貨物。

1系統(tǒng)工作原理及組成

根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員現(xiàn)場考察需要，設(shè)計(jì)出符合實(shí)際運(yùn)輸過程的雙向索道煤炭運(yùn)輸系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由兩輛運(yùn)輸?shù)男≤嚭蛢蓷l承重鋼絲繩組成。在安裝時(shí)，將兩條承重鋼絲繩分別安裝在運(yùn)輸?shù)攸c(diǎn)一高一低兩處位置，并將兩輛小車分別懸掛于左右兩條鋼絲繩上。運(yùn)輸牽引鋼絲繩為運(yùn)輸過程提供動力，鋼絲繩的牽引力則由液壓馬達(dá)驅(qū)動下的卷揚(yáng)機(jī)提供。提供動力的鋼絲繩需要與提供牽引力的雙卷筒卷揚(yáng)機(jī)上的繞線相反，這樣便能讓旋轉(zhuǎn)起來的卷筒帶動牽引鋼絲繩將滿載煤炭的運(yùn)輸車運(yùn)輸?shù)礁咛帲ㄑb貨點(diǎn)），同時(shí)，空載的另一輛小車到達(dá)低處（裝貨點(diǎn)），讓裝貨過程能夠順利完成。等待裝貨過程全部完成后，調(diào)整液壓馬達(dá)運(yùn)轉(zhuǎn)方向，使其由正轉(zhuǎn)運(yùn)行方向變?yōu)榉崔D(zhuǎn)運(yùn)行方向，驅(qū)動空載下車順利到達(dá)高出，滿載小車此時(shí)到達(dá)空載下車原本位置，反復(fù)進(jìn)行這一過程，便能讓運(yùn)輸煤炭任務(wù)不停歇地高速運(yùn)行。從而避免了液壓馬達(dá)會存在空轉(zhuǎn)的情況，減少了馬達(dá)的維修率，能夠在不增加成本的情況下將運(yùn)輸效率提高1倍，優(yōu)勢顯著。

2主要參數(shù)確定及技術(shù)要求

2.1實(shí)地確定主要參數(shù)

設(shè)計(jì)人員到達(dá)煤炭運(yùn)輸實(shí)際現(xiàn)場考察，經(jīng)過詳細(xì)考察，運(yùn)輸煤炭的單個(gè)小車在裝滿貨物的情況下，總質(zhì)量應(yīng)在2.1t，其中，煤炭占總質(zhì)量的1.5t，小車質(zhì)量為0.35t。，在初始設(shè)計(jì)中，小車的運(yùn)行速度為v=1.2m/s，需要爬坡45°，為使系統(tǒng)安全平穩(wěn)，小車設(shè)計(jì)時(shí)帶有自動卸貨功能。

2.2技術(shù)要求

（1）慣性力計(jì)算過程。分析滿載小車的運(yùn)輸過程(分析圖見圖1)，提供牽引力的卷筒需要在小車的啟動過程中克服裝滿貨物小車的重力和小車產(chǎn)生的靜摩擦力Fs與啟動慣性Fm的總數(shù)值，根據(jù)提供牽引鋼絲繩與卷筒連接處的受力大小情況，可以分析出小車在裝滿貨物情況下的重力分力應(yīng)為：F1=m1gcos45°≈15kN，此公式中，kg；g為重力加速度，公式中，用m1代表小車在裝滿貨物時(shí)的總質(zhì)量，N的范圍則為日常定義的9.8kg。根據(jù)牛頓第二力學(xué)中的原理，一個(gè)質(zhì)量較大的物體從靜止?fàn)顟B(tài)變?yōu)榭焖龠\(yùn)動狀態(tài)需要經(jīng)過3個(gè)過程，啟動、加速、快速運(yùn)動這三個(gè)過程缺一不可，這樣才能減少運(yùn)動過程產(chǎn)生的摩擦力對速度的影響。此時(shí)，裝滿貨物的小車運(yùn)行速度為1.2m/s，根據(jù)公式計(jì)算，小車在3個(gè)過程中的速度變化則應(yīng)該為Δv=0.4m/s，取10次考察加速度平均值為0.3s，計(jì)算慣性力則應(yīng)該為2kN。（2）卷揚(yáng)機(jī)運(yùn)用功率計(jì)算。因?yàn)闋恳玫匿摻z繩與金屬滑輪都為金屬，因此，摩擦可分為靜摩擦和動摩擦兩部分。靜摩擦力的計(jì)算公式為：Fs=fsF2=0.3kN，動摩擦力的計(jì)算公式應(yīng)為Fd=fdF2=0.18kN。式中，F(xiàn)s為靜摩擦因數(shù)，將其取值為0.2；Fd為動摩擦因數(shù)，將其取值為0.12；F2為重力作用于承重鋼絲繩上的分力，根據(jù)以上公式計(jì)算，取值應(yīng)在15kN，卷筒需要的最小牽引力則應(yīng)為17.3kN。選用承重鋼絲繩的型號為1x37型號，其最小破斷系數(shù)為0.49，抗拉強(qiáng)度為155MPa，標(biāo)準(zhǔn)直徑為15.5mm。根據(jù)以上條件，可以計(jì)算出卷筒的標(biāo)準(zhǔn)直徑應(yīng)為450mm。確定好卷筒直徑后，對卷筒的轉(zhuǎn)速進(jìn)行計(jì)算，根據(jù)上面確定的主要參數(shù)，可以得到卷筒在滿載時(shí)的線速度為1.2m/s，因此卷揚(yáng)機(jī)在全速運(yùn)行時(shí)的轉(zhuǎn)速應(yīng)為51r/min，初步估算卷揚(yáng)機(jī)的總功率在25.9kW。

3如何計(jì)算液壓系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)

根據(jù)上面公式中計(jì)算出的卷揚(yáng)機(jī)運(yùn)行總功率，我們選擇現(xiàn)在市場中符合其運(yùn)行功率，又較為經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的國產(chǎn)馬達(dá)型號CM-E105C，此馬達(dá)的運(yùn)行參數(shù)為：排量105.5ml/r，壓力額定為10MPa，最高工作壓力為14MPa，輸出最大轉(zhuǎn)矩為167N•m，最高轉(zhuǎn)速為1900r/min。根據(jù)以上參數(shù)可以確定液壓系統(tǒng)卷筒的總效率應(yīng)為0.9，卷揚(yáng)率應(yīng)為19.2kN。由于雙向索道運(yùn)輸系統(tǒng)在運(yùn)行過程中，總有一輛運(yùn)輸小車為裝滿貨物的情況，另外一輛為什么都沒載的情況，因此，提供牽引力的卷筒功率數(shù)值主要是由裝滿貨物的小車決定的，空車運(yùn)行小車在總系統(tǒng)中起到一個(gè)配重的作用，由于兩車數(shù)值的差別較大，且在公式中影響較小，因此，我們在計(jì)算液壓系統(tǒng)參數(shù)時(shí)忽略掉空載小車的配重影響。

4液壓系統(tǒng)如何設(shè)計(jì)回路

根據(jù)以上我們采購的國產(chǎn)馬達(dá)運(yùn)行原件參數(shù)和卷揚(yáng)機(jī)的牽引力參數(shù)，我們設(shè)計(jì)出的液壓系統(tǒng)如圖2所示。液壓系統(tǒng)在工作中起到的作用主要是提供保障兩輛運(yùn)輸貨物小車的安全功能。小車的安全功能由靜止緊鎖功能和液壓缸供油兩個(gè)功能系統(tǒng)組成，通過液壓缸連接運(yùn)輸小車，使小車在運(yùn)輸過程帶著車門開啟關(guān)閉功能的液壓缸運(yùn)行，到達(dá)貨物卸貨地點(diǎn)啟動液壓缸進(jìn)行自動卸貨。液壓系統(tǒng)能夠控制卷揚(yáng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)速度。該液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)帶有兩個(gè)不同功率的調(diào)速閥門。通過閥門可以控制液壓馬達(dá)的運(yùn)轉(zhuǎn)流量，從而控制卷揚(yáng)機(jī)速度，讓卷揚(yáng)機(jī)的從啟動到加速的3個(gè)過程都可控且安全。

5液壓系統(tǒng)安全及節(jié)能設(shè)計(jì)

為了保障運(yùn)輸過程的絕對安全，使卷揚(yáng)機(jī)在斷電等一切意外情況發(fā)生時(shí)，停止運(yùn)轉(zhuǎn)導(dǎo)致運(yùn)輸小車下滑，液壓馬達(dá)的前段進(jìn)油口配備有平衡閥，充分保障了運(yùn)輸小車在斷電時(shí)的安全性。為了達(dá)成節(jié)省能源的目標(biāo)，我們還在液壓系統(tǒng)回路設(shè)計(jì)中配備能為運(yùn)輸小車運(yùn)輸泵卸載的先導(dǎo)式溢流閥，充分減少了小車卸貨時(shí)的動能消耗，節(jié)省了能量。

6結(jié)語

本文實(shí)際考察了中小型煤炭運(yùn)輸現(xiàn)場的運(yùn)輸環(huán)境，充分結(jié)合了實(shí)際運(yùn)輸過程中常遇到的爬坡、過河環(huán)境造成運(yùn)輸困難費(fèi)時(shí)費(fèi)力地影響設(shè)計(jì)出了雙向索道運(yùn)輸系統(tǒng)。相比以往的帶式運(yùn)輸和刮板運(yùn)輸方式，雙向索道運(yùn)輸不僅具有運(yùn)用環(huán)境復(fù)雜多變的優(yōu)點(diǎn)，還能有效地減少能源的浪費(fèi)，并且由于雙向運(yùn)輸?shù)脑颍嵘嗣禾窟\(yùn)輸?shù)男?。但舊的液壓系統(tǒng)無法滿足雙向運(yùn)輸系統(tǒng)的參數(shù)要求，我們設(shè)計(jì)了符合雙向運(yùn)輸系統(tǒng)參數(shù)的液壓系統(tǒng)。本文通過設(shè)計(jì)人員的實(shí)地考察，詳細(xì)寫出了運(yùn)輸雙向系統(tǒng)的參數(shù)求出過程，并根據(jù)計(jì)算出的參數(shù)，設(shè)計(jì)出了用于雙向煤炭索道運(yùn)輸中的液壓系統(tǒng)。將液壓系統(tǒng)運(yùn)用到雙向煤炭索道運(yùn)輸系統(tǒng)中，不僅操作簡單，而且在停電等特殊情況下也能保證系統(tǒng)的安全性，且自動化程度高，能夠適應(yīng)煤炭運(yùn)輸常遇到的惡劣復(fù)雜地形，并且由于系統(tǒng)不浪費(fèi)能源，反復(fù)的工作模式，充分提高了煤炭的運(yùn)輸效率，值得在煤炭運(yùn)輸行業(yè)中推廣運(yùn)用。

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作者：呂長興 任憲格 單位：山東省煤田地質(zhì)局第二勘探隊(duì)