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(jiǎn)單、自動(dòng)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(duì)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(duì)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(chǎng)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(dòng)力，鋼絲繩的牽引力則由液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)下的卷?yè)P(yáng)機(jī)提供。提供動(dòng)力的鋼絲繩需要與提供牽引力的雙卷筒卷?yè)P(yáng)機(jī)上的繞線相反，這樣便能讓旋轉(zhuǎn)起來(lái)的卷筒帶動(dòng)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(dòng)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(huì)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(shì)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(chǎng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)狀態(tài)需要經(jīng)過3個(gè)過程，啟動(dòng)、加速、快速運(yùn)動(dòng)這三個(gè)過程缺一不可，這樣才能減少運(yùn)動(dòng)過程產(chǎn)生的摩擦力對(duì)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?yè)P(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(dòng)摩擦兩部分。靜摩擦力的計(jì)算公式為：Fs=fsF2=0.3kN，動(dòng)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(dòng)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(hào)為1x37型號(hào)，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(duì)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?yè)P(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?yè)P(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?yè)P(yáng)機(jī)運(yùn)行總功率，我們選擇現(xiàn)在市場(chǎng)中符合其運(yùn)行功率，又較為經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的國(guó)產(chǎn)馬達(dá)型號(hào)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?yè)P(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?cè)谟?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(gòu)的國(guó)產(chǎn)馬達(dá)運(yùn)行原件參數(shù)和卷?yè)P(yáng)機(jī)的牽引力參數(shù)，我們?cè)O(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(dòng)液壓缸進(jìn)行自動(dòng)卸貨。液壓系統(tǒng)能夠控制卷?yè)P(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?yè)P(yáng)機(jī)速度，讓卷?yè)P(yáng)機(jī)的從啟動(dòng)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(duì)安全，使卷?yè)P(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(dòng)能消耗，節(jié)省了能量。

6結(jié)語(yǔ)

本文實(shí)際考察了中小型煤炭運(yùn)輸現(xiàn)場(chǎng)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?，提升了煤炭運(yùn)輸?shù)男省５f的液壓系統(tǒng)無(wú)法滿足雙向運(yùn)輸系統(tǒng)的參數(shù)要求，我們?cè)O(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(jiǎn)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(dòng)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(zhǎng)興 任憲格 單位：山東省煤田地質(zhì)局第二勘探隊(duì)