（机械设计及理论专业论文）井下应急排水车行走机构的设计研究.pdf

太原理工大学硕士研究生学位论文 1 1 课题研究的背景及意义 1 。1 1 矿井水灾概述 第一章概论 煤炭作为我国的重要能源之一，其中煤炭消耗占全部能源总量消耗的三分之二。随 着我国煤炭产量的不断增加，煤矿生产过程中的安全问题日益显现。而影响安全的自然 因素主要有：水、火、瓦斯、矿尘和冒顶等。其中，矿井水灾害是这五大自然灾害中影 响煤矿建设的重要灾害之川。人民的生命和财产安全遭受到煤矿水害十分惨重。根据 有关部门统计显示，有三四百个矿井在近2 0 年里被水淹没，不但直接造成数额巨大的 财产损失，而且还造成惊人的人员伤亡。在所有水灾害事故f f l ，底板高压水和废弃矿井 积水造成的损失最大。当煤层底板的隔水层因某些地质原因遭到破坏和削弱时，隔水层 会变薄，其强度无法再承受底板水的高压，此时底板高压水会突破隔水层并通过一些隐 在的导水结构进入矿井；同时由于以前大量的小煤窑的无序开采，使得矿井之间的一些 防水煤柱被破坏而造成水患，形成废弃矿井积水【2 】。煤矿在生产和建设过程中，其技术、 装备和工艺都会随着科学技术的不断进步而有所发展，使得矿井的生产与建设较之以前 有了质的飞跃，然巾发展的l 刘时安全问题也h 益突出，尤其是现在的矿井水患。由于针 刘水患的防治技术及预警技术的发展不能满足矿井防治水工作的需要，使得煤矿水害事 故不断频发、死l 人数开始反弹及经济损失有所上升，尤其大型矿井频繁发生水灾事故。 近几年来所发生的典型的煤矿水灾事故： 0 2 0 0 6 年3 月1 8 日发生在山西临县樊家山的煤井透水事故造成2 8 人死亡。 2 0 0 6 年5 月1 8 日发生在左云县张家场的煤矿透水事故造成5 6 人死亡。 2 0 0 9 年7 月2 3 日发生在黑龙江鸡西市的井下水灾事故造成2 3 名矿工被困井卜， 这次事故是由于鑫永丰煤矿的连续强降雨造成，只有1 人成功升井。 2 0 1 0 年3 月2 8 日发生在华晋焦煤有限公司王家岭矿区的煤井透水事故导致3 0 多人遇难，见图卜1 。 2 0 1 0 年11 月3 0f t 发生在湘潭县云湖桥的亿德煤矿透水事故造成7 人被困井下遇 难。 太原理工人学硕十研究生学位论文 图卜1 王家岭煤矿透水事故示意图 f i g 1 一lw a n g j i a l i n gc o a lm i n eo fw a t e ra c c i d e n ts c h e m e s 1 1 2 现有的矿井应急排水技术 由于我国煤田的水纹地质比较复杂，造成煤矿突水事故频频发生，因此矿山水灾已 经成为我国煤矿建设中的一种主要灾害。它不仅会影响矿井建设，还会对人民的生命和 财产安全直接构成威胁n l 。目前，在矿山突水事故的抢救工作中应用多种排水方式相结 合，以抵御较大突水量，控制水位上涨，为矿山抢险赢得时问。 现有的主要几种排水方式【3 】： ( 1 ) 竖井卧泵排水 当矿井淹没水位与立井井筒连通或预测淹没水位有可能进入立井时，可以采用竖井 卧泵强排水，后期可以配合排水复矿进行立井追排水，因此它具有丌泵率高和机械事故 少的优点。但是其吊挂设备较多，而且技术复杂，因此在安装时工作量非常大。 ( 2 ) 竖井箕斗提水 这种排水方式不但能够发挥原有设备的作用，而且具有易操作，事故少，能够实现 快速改装的优点。其基本方法是，利用提煤箕斗在其底侧面制作进水底阀门，箕斗与水 面接触时，阀门自动打开，使水进入箕斗，上提时靠水面压力自行关闭，为防止箕斗上 提时漏水，在箕斗箱口加上皮胶垫止水，箕斗提升到上井口卸载处，通过设在井架上卸 载曲轨，将底部的活门打开，水由活门中流出经受水槽排至地面水沟。 ( 3 ) 竖井压气排水4 】 这种排水形式排水能力比较大，而且安装简便，设备运行可靠，占用井筒空问非常 小。但是由于要求必须有一定的沉没比，因此其无法完全将积水排到底。并且耗电量大， 效率也比较低。 ( 4 ) 竖井潜水泵强排水 太原理工大学硕士研究生学位论文 竖井大型潜水泵排水足矿井抢险救灾和排水复矿的最好形式，见图1 - 2 。 卜逆止阀；2 一水泵；3 一潜水电机；4 - 立井 图卜2 竖井潜水泵排水方式 1 - n o n - r e t u mv a l v e ；2 - w a t e rp u m p ；3 - s u b m e r s i b l em o t o r ；4 - v e r t i c a ls h a f t f i g 1 - 2t h ed r a i n a g em o d eo fs u b m e r s i b l ep u m pi ns h a f t 主要优点是：大型潜水泵扬程高，流量大，泵组截断面外形尺寸小，一个井筒内可 安装多台，形成很大的排水能力。主要缺点是：潜水泵适应集中全力预期内完成排水任 务，不适合长期消耗性排水，一般排水时间超过半年，泵组的各种事故将不断出现，并 且潜水泵正常条件下适应排清水，对矿井混合水适应性差，矿井水中的杂质容易堵塞泵 的上下吸水滤网，降低泵的排量。水中杂质对泵的导轴承易造成损坏。大型潜水泵组至 少要潜在水面以下2 米才能正常工作，故不能最后排干最终水平的巷道积水。 竖井潜水泵排水应注意以下几个问题： 井筒中安装潜水泵排水，必须要先掌握井筒各部位的情况，井筒设施的分布和空 问尺寸关系，不可贸然安泵，损坏泵组； 充分利用井筒的有效断面安泵，泵组可上下分错布置或双层布置； 大型潜水泵组重量较大，如6 7 2 6 、6 8 3 5 型全重约在9 0 1 2 0 吨，所以必须事先 设计好承载组合梁并选用足够安全系数的滑轮组，布置不旋转钢丝绳起重绞车，起重吊 车和夹用卡具等，安装中每个环节都要做万无一失。 潜水电机是潜水泵组的关键，安装前应对电机的滚子、转子、导轴承、i 卜推轴承 等各部位密封( 特别是轴密封) 进行细致检验，按标准调整止推轴承的问隙，必须十分 注意电机内部按规定注满清水，并保证不得泄漏，电机要试好转向，再与泵体组合下井。 潜水动力电缆在下井前全部浸水做绝缘电阻试验，电缆接头在泵的额定压头下做 太原理工大学硕士研究生学位论文 绝缘电阻及泄漏试验。 冬季使用潜水泵组的井筒，需要采取保温措施，防止井筒结冰，或因破冰损坏电 缆。潜水泵抽水可采用单泵群和串联泵群排水方式。 单泵群：多台潜水泵安装在组合泵架上，用排水管路自身悬吊，一次插入预定深度 排水。 串联泵群：潜水泵串联使用运行，以提高排水量和扬程。 ( 5 ) 斜井卧式离，1 5 , 泵排水 这种排水方式因为初期不需要吊挂大型设备，因此具有技术简单，工程量小的优点。 但是由于淹没水位不断升降，其相应的移泵接管工作量会比较大，并且开泵的台时利用 率也比较低。 根据水泵的排列组合情况，可以出现多种形式。 单泵一级排水其安装可以采取多种形式，如：平板式泵车和笼头车组合安装： 反倾斜式泵车和平板式龙头车托管架组合安装，见图1 3 ；滑橇式泵架和龙头车组合安 装；反倾斜式泵车和强制浮筒笼头车组合安装。单泵一级排水采取何种形式安装要视巷 道具体情况而定。 图卜3 矿山斜井抢险排水快捷安全系统 f i g 1 - 3t h eq u i c ke f f i c i e n c yd r a i n a g es y s t e mi nm i n ei n c l i n e ds h a f t 双泵一级排水在泵车和龙头车前各交错安装水泵，以增加排水能力； 水泵群组合一级排水充分利用斜井轨道( 双轨) ，在滑橇泵架上安装多台各种 排水泵如离心泵，深井泵( 卧放) 等，扩大排水能力； 串联泵多级排水当巷道断面较小而要求扬程又高时采用下部带一台泵与第二 台泵串联，中间用胶管联结，两台泵分别安装在滑撬上，第一台泵水龙头用强制浮筒架 设，以此提高排水扬程。 ( 6 ) 斜井深井泵排水 太原理工大学硕士研究生学位论文 深井泵本来只适用竖井排水，但在抢险排水期间，为尽快制止水位上涨，也可在使 用寿命相对减少情况下用于斜井，是一种非正常的斜井排水方式。它的特点是：可以在 巷道断面小和水位大幅度升降条件下，一次性把水泵插入预计深度，无需移泵接管，台 时利用率高，安装、管理都比较简单。根据不同条件可以采用单泵式多泵并列或多级串 联排水，也可以配合其它泵群使用，比较灵活，见图1 4 。 卜逆止阀；2 - 吸水罩；3 - 深井泵；4 - 斜井；5 - 潜水电机；6 一项丝；7 一小托车；8 一接力泵 图卜4 深井泵斜井运行模式 1 - n o r l r e t u mv a l v e ；2 - b i b u l o u sc o v e r ；3 - d e e pw e l lp u m p sp u m p s ；4 - s l o p e ； 5 - s u b m e r s i b l em o t o r ；6 - t o pw i r e ；7 - s m a l lc a r ；8 - r e l a yp u m p f i g 1 4t h er u n n i n gm o d eo f d e e pw e l lp u m p si ni n c l i n e ds h a f t ( 7 ) 斜井潜水泵群排水 由于潜水泵和深井泵性能基本相似，也可在紧急抢险排水时用 _ 斜井排水中。可以 将潜水泵分一或两层安装在特制的船形可滑行的容器中，用卡板分段将泵固定，每台泵 单配管路，泵和水管均由绞车牵引下放排水，管理比较方便，移动灵活。潜水泵追排水 时，由于斜井轨道条件较差，泵车经常脱轨，影响排水效率，使用时应提起注意。 1 1 3 应急排水车研制的意义 针对现在煤矿水灾事故频频发生的现象，其井下排水方式的应用及新排水设备研发 都在积极地做着改进。虽然现有的几种排水技术可以应对井下发生水患的各种工况，并 在我国1 3 个省区的矿山突水事故抢救中多次成功应用，几乎履盖了我国三大平原和长 江以南的富水区域，但也在多次抢险救援过程出现了重大问题，如王家岭重大透水事故 处理过程中，在发生事故后5 0 小时内无法实现正常排水，特别是随着千米深井数量的 增多，特种水泵、水介质控制阀、检测传感器都出现了空白。当井下发生突然涌水时， 排水设备需要被运至排灌现场，并目经过组装和调试之后才能投入到t 作之中，这种排 太原理 ：大学硕士研究生学位论文 灌作业准备时间太长，而且有时在现场还需要使用专用吊装设备进行安装，这大大增加 了突水事故的危险性。因此，需要研发快速响应的移动应急排灌设备1 5 j 。 矿井下应急排水车，是将应急排水设备进行集成，并设计快速安装的管道连接件， 紧急排灌需求的响应迅速、流量大、现场安装时间短、复杂路面通过性好，可实现快速 救援，保障人员的生命和物资的安全。而该排水车的行走机构选用现在工程车辆常用的 履带式行走机构，还携有轨道轮，可对行进方式进行自由切换。该车不仅在井下运输过 程中可以利用现有轨道进行移动，并且在无轨道巷可以利用自己的履带式行走机构行 走，大大提高了排水设备的运输及排水的效率。 1 2 履带式行走机构的国内外发展动态 履带是人类继发明车轮之后又一大进步1 6 ，它打破轮的界限，能够大大增加接地面 积以满足土壤的极限接地比压的要求。它极大提高了越野能力，不但在平整的道路上能 够安全行驶，而且由于对坡度的适应能力较强，它还能够借助摩擦力在不平整的坡度中 行驶。这种行走装置能够适应各种恶劣的条件，在设计时也可方便的将垂直载荷传到地 面上【，j 。因此，它不但能够增强负重能力，而且在各个方面的适应性更得到了加强。 履带式行走机构应经被广泛应用于矿山机械、工程机械和军事领域等，主要因为其 具有较小的转弯半径，接地面积大，转弯比较灵便，并且对地面适应性强，能够轻松跨 沟越埂。基于现在的多种行走装置和相关技术，各国又都在致力研究和开发非常规履带 行走机构。 从2 0 世纪2 0 年代起人们就对履带行走装置进行了研究，其中前苏联、美国和意大 利等发达国家研究最早。前苏联科学家主要研究了橡胶充气履带。这种装置是一种兼具 充气轮胎和履带的综合体，不但行走平稳，而且抗振性好。美国和意大利等国主要对橡 胶履带进行了研究，经过对轮胎、金属履带和橡胶充气履带的不断试验，通过数据和模 拟结果显示出橡胶充气履带的优越性【8 1 。 全球著名机械制造商卡特彼勒公司在2 0 世纪7 0 年代对履带式推土机的研制中，开 发出了一种新型的非等边i 角形布置的行走机构。这种行走机构采用了高置的驱动链 轮，并将半刚性或弹性悬架的高架链轮安装在履带式行走机构中。这样，它不但能够减 小单个链节间的冲击力，还可提高行走机构对地面的附着性和承载能力，并且避免了泥 沙等对链轮装置的磨损它具有较小的单个链节所受冲击应力，提高了底盘的行走平稳 太原理：1 ：火学硕士研究生学位论文 性。 2 0 世纪8 0 年代初，在北美一些国家出现了一种环带整体式的无拖链轮的履带行走 装置，这种装置为三轮一带式，踏面具有凸棱状的履刺。履带装置行走时会随着引导轮 表面形状的变化而变形，这种由于履带弹性带来的变形情况犹如重花纹型轮胎一样，不 但增大了行走时的着地力，而且伎机构运行平稳。美国g r o u s e rp r o d u c t s 公司开发的v 形框架式行走装置是一种典型的履带行走装置，这种装置能够满足恶劣工况的要求，并 且随着技术的不断更新，实现了系列化，它在转向滑移式的轮式装载机上已经被广泛使 用【8 】o 2 0 世纪9 0 年代，非常规履带行走机构研制成功，这种行走装置虽然需要增加驱动 功率，但是具有制造和维修成本低的优点，尤其适合于在松软地面慢速移动的掘进机。 我国科研人员在无支重轮履带装置的研究领域也做了不少工作，通过力学分析推导出了 滚动阻力的计算求解公式。浮箱履带式行走装置是一种两栖行走机构，由于其具有较低 的接地比压，因此既可以在软松的地面甚至泥浆中作业，还可以在水中浮航。基于这种 特殊的结构形式，这种行走机构已经在沼泽和滩涂泥瓦地施工的机械中广泛应用。但是 受条件和技术的限制，采用类比设计方法设计的浮箱履带行走机构性能不够理想，还需 要更彻底，更系统的进行研究和改进。在这个领域，长春机械研究所对附着性的影响因 素和阻力的计算进行了系统的研究，对找到高性能的行走装置设计方法提供了新途径。 步入2 1 世纪，我国在履带行走机构方面的研究有了新进展。结合预铺轨道和步履 行进原理，中南大学设计出一种预铺轨道提携式的新型步履行走机构，并在此基础上通 过设计计算和受力分析，进一步设计出了新型的液压联动机构。经过实践反复汪明：应 用于复杂地基工况的桩机若采用这种新型的步履机构，彳i 但能够降低支腿油缸承受的侧 向力，还能够对其平稳操作，提高了使用寿命。湖南交通科技杂志针对采用轮胎履 带复合式行走机构的工程机械进行了分析和研究，使这种新型的行走机构设计理论更成 熟。 我国在理论行走机构方面的研究和应用方面起步都比较晚，相对于发达国家的研究 水平来说差距还很大，现在我图在这方面还主要侧重于理论研究，对实际使用和实验方 面的探索还很欠缺。履带式行走机构在使用时会受到很多方面的影响，不仅和机械结构 参数有关，还受到环境和地面理化因素的制约【9 】，因此，如何综合分析和研究各种因素， 通过模拟和实验验证，找到更加合理的研究方法，是我们需要进一步研究的方向。 7 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 3 课题研究的主要内容 本课题主要是井下应急排水车行走机构的机理进行研究，根据应急排水车行走功能 的要求，结合现有的履带式行走机构的发展，而选择具有在井下可以自由切换在轨道上 移动的履带式行走机构，其具体研究内容如下： ( 1 ) 针对斜井应急排水的工况，制定应急排水车的总体设计方案。 ( 2 ) 履带式车辆行走系的组成与工作原理，对其运动进行受力分析，并计算其驱动力 和履带的驱动效率，完成对排水车的行走机构进行三维建模。 ( 3 ) 履带架是承载行走系的主要零部件，本文应用a n s y s 软件对履带架进行静力学 分析，并进行优化。 ( 4 ) 通过多体动力学仿真软件r e c u r d y n 对其井下行驶进行动力学仿真，确定其工作 性能参数及爬行极限。 ( 5 ) 对样机进行实验室模拟试验，记录实验数据，验证设计及仿真分析的正确性，并 总结了本课题的研究结论和成果。 1 4 本章小结 阐述了矿井水灾事故的现状及现有排水技术的应用，根据应急救援的迫切要求，应 急排水车应运而生。而对其行走机构的研究也f 式拉开篇章，通过履带式行走机构的国 内外发展动态阐明课题研究的目的及意义，明确本文对应急排水车行走机构的主要研究 内容。 太原理t 人学硕士研究生学位论文 第二章井下应急排水车总体方案设计 针对矿井下突发水患而研制的应急排水车，其功能是将排水设备有效地集成，在矿 井下可快速赶至事发地点进行排水，使得应急排水车发挥最大的效用。应急排水车小仅 具有一般车辆的行驶功能，又具备排水的作业功能。根据矿井下现有的工况条件，应急 排水车的总体设计要求结构紧凑、布局合理、安全性和稳定性高、总体尺寸尽量减小和 总重量尽量降低，同时又要有保证其行走和作业的足够动力，且能根据井下道路条件进 行行走方式切换，排水车还要求具有优良的机动性和越野性。应急排水车的结构设计包 括根据其性能要求提出合适可行的总体方案，并对其结构特点和行驶性能进行分析。 2 1 井下应急排水车的总体方案 2 1 1 应急排水车适用的矿井工况要求 应急排水车的尺寸大小主要受矿井井筒井v i 及巷道断面的限制，根据煤矿矿井立 井井筒及硐室设计技术规定和煤矿矿井立井井筒及硐室设计规范的规定可知井口 直径的大小一般在3 , 5 - - 8 m 之间，若是竖井排水，则需考虑应急摊水车的尺寸能否入了 井，若是斜井则影响不大。 巷道断面是指巷道的形状及截面尺寸( 最大宽度和高度尺寸) 。巷道截而和井下采 煤设备的布局尺寸限制了应急排水车的极限尺寸，超过该极限尺寸排水车就无法展开工 作。我国的折线形巷道有矩形、梯形和不规则的形状，曲线形巷道包括有拱形和圆形等， 如图2 1 所示。 自台 自自9舀智谢 垒鱼一 一 图2 1 巷道断面形式 f i g 2 1t h et u n n e ls e c t i o nf o r m 煤矿安全规程规定：巷道净断面，必须满足行人、运输、通风、安全设施、设 9 太原理工大学硕士研究生学位论文 备安装、检修和施工的需要。因此，巷道断面尺寸主要取决于巷道的用途，存放或通过 它的机械、器材或运输设备的数量及规格，人行道宽度和各种安全间隙，以及通过巷道 的风量等。 矩形和直墙拱形巷道的净宽度，是指巷道的两侧内壁之间的水平距离。梯形巷道的 净宽度，当巷道内不通行运输设备时，是指从底板起1 6 m 水平的巷道宽度；而当通行 电机车或矿车时，净宽度可认为是通过车辆顶部水平的巷道宽度【1 0 】。一般运输巷道的净 宽度除煤矿安全规程所规定的人行道宽度外，还包括运输设备本身外轮廓的最大宽 度和以及有关安全间隙，三者相加即得运输巷的净宽度；对于无运输设备的巷道，直巷 可根据本矿行人及通风的需要来选取；但是在巷道转弯及交叉处，无轨运输车与巷壁的 间距必须满足安全运输的要求，此时无轨巷道净宽度主要根据无轨运输车的转弯半径和 运输间距来确定。 图2 - 2 巷道断面尺寸 f i g 2 - 2t h et u n n e ls e c t i o ns i z e 如图2 2 所示，双轨直墙拱形巷道净宽度按式( 2 1 ) 计算 b=a+2al+c+，(21) 式中b 巷道净宽度，m ； a 非人行侧的宽度，m ； a l 运输设备外轮廓的最大宽度，m ； c 人行侧的宽度，m ； t 双轨运输巷道中，两列车对开时其间最小距离，m ； 煤矿安全规程规定，巷道非人行侧的宽度不得小于0 3 m ( 综采巷道为0 5 m ) ； 当巷道内安设运输设备时，运输设备与巷帮支护的距离最好不小于o 5 m ；运输机机头、 机尾处距巷帮支护的距离必须满足设备检查和维修的需要，不应小于0 7 m ；巷道内平板 1 0 太原理一l ：大学硕士研究生学位论文 车卜- 机器设备的最突出部分或移动变电站与巷帮支护距离不得小于0 3 m 。煤矿安全规 程规定从巷道道碴面起1 6 m 的高度内，人行侧的宽度不应小于0 8 m ，在停车地点必 须大于1 0 m ；在1 6 m 至1 8 m 的高度之间不得架设电缆、钢管等。关于列车对开时最 小间距t ，煤炭安全规程规定，在双轨运输巷道中，两列车对开时其间最小距离 t 0 2 m ，在矿车摘挂钩地点t 1 0 m ，在采区装载点t o 7 r n 。以下是几种轨道面上常 见的运输设备的宽、高尺寸见表2 1 所示。 表2 - 1几种常用运输设备的主要计算尺寸 运输设备类型宽度a ，m m高度h r a m 】0 6 0 z k 7 ( 10 ) 一6 ( 7 9 ) 2 5 0 架线式电机车 1 5 5 0 1 3 6 0 z k l4 7 ( 9 ) 5 5 0 架线式电机车1 3 3 51 6 0 0 1 0 5 0 z k10 6 ( 7 9 ) 5 5 0 7 c 架线式电机车1 2 】21 6 0 0 1 3 5 0 x k 2 5 6 4 8 a 蓄电池电机车 9 2 01 5 5 0 x k 8 6 1 1 0 a 蓄电池电机车 1 0 5 41 5 5 0 1 t 固定式矿车 8 8 01 15 0 i 5 t 固定式矿车 1 0 5 01 1 5 0 3 t 底卸式矿车 1 2 0 01 4 0 0 t d 7 5 崮定式输送机 1 5 1 51 2 0 0 s p j 一8 0 0 吊挂胶带输送机 1 2 0 09 0 0 对1 7 运输设备在巷道转弯或交叉处，因车辆得四角会内移或外伸，必须适当加大上 述的安全问隙，其值与弯道半径、轴距及车箱长度有关。加宽后一般外侧为0 2 m ( 而 2 0 t 电机车可加宽至o 3 m ) ，内侧为0 1 m 。有的巷道内外侧均加宽0 2 m 。巷道弯道处不 仅曲线段要全部加宽，而且与曲线段相连的直线段也需加宽。矿车运输巷道，其加宽长 度一般取1 5 一- 3 5 m ；电机车通行巷道，其加宽长度一般取3 - 5 m 。对于双轨曲线巷道， 太原理工大学硕士研究生学位论文 两轨道中心距加宽起点也是从直线段开始，1 t 矿车通行巷道一般加长2 m ；3 t 或5 t 底卸 式矿车通行巷道一般加长5 - 7 m ；电机车通行巷道一般加长5 m 。为了使双轨巷道对开 列车车辆之间有足够的安全间隙，两条平行轨道的中心距可按表2 2 选取。 表2 - 2 双轨巷道轨道中心距数值 t a b 2 2t h ec e n t r ed i s t a n c ev a l u eo f d o u b l et r a c k 6 0 0 m m 轨距m m9 0 0 m m 轨距m m 运输设备 直线曲线直线曲线 1 0 t 矿车 1 1 0 01 3 0 0| 1 5 t 矿车 1 3 0 01 5 0 01 4 0 01 6 0 0 7 t 、1 0 t 、1 4 t 架线矿车 1 3 0 01 6 0 01 6 0 01 9 0 0 3 o t 矿车 t 1 6 0 01 8 0 0 3 0 t 底卸式矿车 1 5 0 01 7 0 0| 5 0 t 底卸式矿车 1 6 0 01 8 0 01 8 0 02 0 0 0 8 t 、1 2 t 蓄电池机车1 3 0 01 6 0 01 6 0 01 9 0 0 巷道净宽度按式( 2 1 ) 确定后，还需检查是否能满足铺设临时双轨车、采掘机械装 卸以及运输综采支架时所需最小净宽度的要求。综采矿井拱形断面运输巷道的净宽度最 好不小于3 0 m ；其他矿井拱形断面运输巷道的净宽度最好不小于2 2 m ；而同是拱形断 面的其他巷道净宽度最好不小于2 0 m ；梯形巷道断面顶部的净宽度最好不小于1 8 m t l l 】。 矩形、梯形巷道的净高度是指自底板或道碴面起至顶梁或锚杆露出长度终端或项部 喷层面的高度；拱形巷道的净高度是指白道碴面起至拱顶内沿或锚杆露出长度终端的高 度。煤矿安全规程第二十一条规定，主要运输巷道和主要风巷的净高，自轨道面起 不得低于2 m ；架线电机车运输巷道的净高必须符合规程相关要求。根据第三百五十六 条规定，电机车架空线的悬挂高度，自轨道面算起在行人的巷道以及人行道与运输巷道 交叉的地方不得小于2 m ；在非行人的巷道内不得小于1 9 m ；在车场内及从井底罐笼到 车场之间不得小于2 2 m ；电机车架空线和巷道顶或项梁之问的距离不得小于0 2 m 。其 他巷道的净高可参看煤矿安全规程的相关标准要求。 对于有轨巷道，若轨道上无车辆( 矿车或电机车) ，或双轨道巷中只有一侧轨道上 有车辆通过，则排水车可在钢轨上经电机车牵引通过，图2 3 为两种轨道巷的断面图。 1 2 太原理： 大学硕士研究生学位论文 图2 - 3 ( a ) 梯形巷遭断面图 f i g 2 3 ( a ) t h es e c t i o nm a po ft r a p e z i u mt u n n e l 2 1 2 应急排水车的设计要求 图2 - 3 ( b ) 半圆拱形巷道断面图 f i g 2 3 ( b ) t h es e c t i o nm a po fa r c h e dt u n n e l 应急排水车的总体设计应根据矿井工况条件合理选择其结构尺寸、优化各功能部件 的布局，使之成为一个结构紧凑、性能可靠的整体。总体设计应遵循如下原则【1 2 ： ( 1 ) 在满足各机构装配及操作空间的情况下，尽量降低整体的结构尺寸。结构紧凑的 车体可以大大提高虑急排水车在矿井下的灵活性和机动性。 ( 2 ) 在满足各机构的性能要求的情况下，尽量减轻各机构的重量。减少整车质量，提 高装载质量，使应急排水车的装载平台得到有效利用。 ( 3 ) 合理布置动力机构、行走机构和作业装置，充分发挥其行走性能及作业功能。合 理的布局会避免质量集中、利于整车的动态平衡和提高应急排水车的使用寿命。 2 t 3 应急排水车的方案原理 根据对常发的矿井水灾事故分析和对现有的应急排水技术的研究，得知应急排水车 的研发工作必须循序渐进，本文所研究的应急排水车是主要针对垂直深度为3 0 0 m 以下 的斜井工况所设计的。然后再考虑该车产品的系列，以应对不同矿井类型所发生的水患 事故，可以在矿山应急求援工作中发挥积极作用。 通过矿井井口直径尺寸及巷道断面对井下作业车辆尺i ，的影响可知，应急排水车的 车体尺寸也必须符合矿井工况要求。由于应急排水车的作业设备选择为潜水泵，而其扬 程与其长度呈正比关系，扬程为3 0 0 m 的潜水泵的泵体长度均在4 m 以上卜。应急排水车 作为潜水泵的承载车体，其长度设定也应考虑到潜水泵的长度。该型排水车的车体尺寸 为4 0 0 0 r a m 1 6 0 0 m m 1 7 0 0 m m ，自重7 t ，可承重1 0 t 。其方案原理图见图2 4 。 太原理1 ：大学硕士研究生学位论文 卜潜水泵；2 一液压泵站；3 一履带底盘；4 一轨道轮；5 一避障机构；6 一外控操作板 图2 - 4 应急排水车原理图 1 - s u b m e r s i b l ep u m p ；2 - h y d r a u l i cp u m ps t a t i o n ；3 - c r a w l e rc h a s s i s ；4 - o r b i tr o u n d ； 5 - o b s t a c l ea v o i d a n c ei n s t i t u t i o n s ；6 - e x t e r n a lc o n t r o lo p e r a t i o nb o a r d f i g 2 - 4e m e r g e n c yd r a i n a g ev e h i c l ep r i n c i p l ed i a g r a m 应急排水车主要包含三部分：底盘部分，作业设备和设备驱动部分。 底盘部分选用履带式行走方式，可以适用于矿井下复杂的路况，并采用液压马达驱 动，手动操作；全封闭传动箱，具有防水、防尘的特点；驱动能力达到8 t 以上，爬坡能 力可达2 5 。，行走速度0 2 k m h 可调。该车装有轨道轮，由液压油缸可支撑起车体，再 通过电机车或绞车的牵引可在井下现有的轨道上行驶。该车的履带驱动和轨道驱动通过 液压切换装置实现行走功能自由变换。 ( 1 ) 应急排水车履带行驶，见图2 5 所示。 图2 - 5 应急排水车履带行走图 f i g 2 5e m e r g e n c yd r a i n a g ev e h i c l ec r a w l e rw a l k i n gf i g u r e ( 2 ) 应急排水车轨道轮行驶，见图2 - 6 所示。 1 4 太原理： 人学硕十研究生学位论文 图2 - 6 应急排水车轨道上行驶图 f i g 2 - 6e m e r g e n c yd r a i n a g ev e h i c l ed r i v i n go nt h et r a c kf i g u r e 作业设备部分是选用的两台大流量、高扬程的潜水泵，存放在车体的两侧。可通过 装载在履带车上，迅速赶至事故地点，快速展开排水工作。在排水过程中随着水面的下 降可以移动车体来实现追排的效用。 设备驱动部分是斜井移动式排水系统的核心部分。它是安装于底盘之上的平台上， 主要包括：操作台、液压泵站、电控箱、液压阀组、照明灯、瓦斯检测仪和通讯设施等。 操作台主要用于操纵履带的控制和液压缸的操纵，可以实现单个履带的行走，双履带的 前后行走，通过液压控制还可以实现轨道轮行走与履带行走的转换；液压泵站用于为以 上液压执行元件提供液压动力源；电控箱实现液压泵站的驱动控制、照明灯等电器设备 的控制、通讯设施的控制等。 该方案设计的特点是车体全部采用防水设计，应急排水车可以驶入水中进行排水； 轨道牵引与非轨道驱动的自由切换，适应矿井不同巷道的运输与前行；应急排水车可根 据水位变化自动追排前行，节省人力消耗；当面对3 0 0 m 以上的斜井则多台排水车串联 接力排水即可。 2 2 履带式应急排水车的行驶分析 2 2 1 应急排水车的行驶原理 由于应急排水车采用履带式底盘，属于履带式车辆。其行驶原理是在驱动轮驱动履 带时，依靠履带与地面间的作用力与反作用力完成前进行驶的，图2 7 为履带车行驶原 太原理工大学硕士研究生学位论文 理示意图。将履带可以分成以下几个区段，1 3 段为驱动段，4 5 段为上方区段，6 8 段为前方区段，8 1 段为支承段也称接地段。 4 v 5 1 _ k 8 图2 - 7 履带式车行驶原理示意图 f i g 2 7c r a w l e rt y p ev e h i c l er u n n i n gp r i n c i p l ed i a g r a m 应急排水车行驶时，假设坂为经由电动机传递到驱动轮上的驱动力矩，在m k 的 作用下，产生大小等于驱动力矩坂和驱动轮半径k 之比的驱动段拉力丁。对于履带式 行走机构而言，拉力丁有把支承段从支重轮下拉出的趋势，因此土壤便对支承段履带产 生推动应急排水车行进的反作用力，其方向与该车行驶方向k - h n 1 3 】。而应急排水车就是 在驱动力r 的作用下行驶的。 2 2 2 履带式行走机构的运动学 由于驱动轮与履带之i 司的啮合运动具有低速链传动的特性。即便驱动轮以等速转 动，履带的运动速度也不会是均匀的，而是呈周期性变化【1 4 】。假设驱动轮与履带之f a j 无 滑动，则可以通过驱动轮每转一圈所卷绕履带的长度来计算履带卷绕运动的平均速度 v ，若不考虑行驶时履带在地面上的滑动，应急排水车的平均行驶速度圪则等于理论行 驶速度巧，即 ，圪= 警= 警= 巧( m s ) ( 2 _ l 巧，：r x a ，x ( m s ) 式中 乙驱动轮的啮合齿数； f 履带节距，m ； 咴驱动轮的角速度，r a d s ； 驱动轮转速，r m i n ； 1 6 太原理。t ：大学硕士研究生学位论文 k 驱动轮节圆半径，吆：丝。 z 丌 而当应急排水车在实际移动时，由于履带挤压土壤使履带在水平方向产生了滑移的 趋势，因而履带与地面之间会存在少量的滑移，使应急排水车的实际速度v 小于理论速 度巧，。履带滑移的程度用滑移率万来表示。 扣半斗号小魄 c 2 一 以，巧 “。、 式中 张应急排水车行驶的速度效率。 履带式车辆的滑转率在一般的行驶条件下不应超过3 ，作业中允许的最大滑移率不 超过1 5 。 2 2 3 履带式行走机构的动力学 ( 1 ) 履带驱动段的受力分析 履带式行走机构在驱动力矩收的作用f 运动时，履带驱动段内有拉力t ， 7 = m k k ，见图2 - 7 。如果不考虑履带与驱动轮之间的摩擦损失，则履带驱动段的拉力 t 就等于驱动力乓旧。但实际上由于二者之问存在摩擦，所以在驱动力矩作用下m 产 生的驱动力瓦要比拉力t 小。 ( 2 ) 行驶阻力 当驱动力疋大于或等于行驶阻力巧，时，应急排水车才能正常行驶作业。而应急排 水车的行驶阻力包括滚动阻力e 、空气阻力e 、坡道阻力乓和加速阻力e 等1 6 1 。 滚动阻力，? 履带式行走机构内部相对运动的零部件之问由于摩擦会引起功率损欠。而由履带式 行走机构内部摩擦产生的阻力称为内部滚动阻力e - 1 ，它与地面土壤性质无关，而是与 支重轮、导向轮、托带轮等轮系结构以及整车的质量大小相关n ，其值通常用内摩擦阻 力系数彳及整车的重量g 0 来表示，一般取内摩擦阻力系数石在0 0 5 0 0 7 之问。 由履带对土壤的压实和推移作用产生的压实阻力和推土阻力，组成了履带式行走机 太原理：l ! 大学硕士研究生学位论文 构外部滚动阻力乃：，它也可用外部滚动阻力系数五和车辆的重量g o 来表示，即 乃：= 友g d 。其中左为外部滚动阻力系数，它与行走路面土壤的性质有关，如表2 - 3 所 示为不同土质路面上滚动阻力系数大小。 表2 - 3 履带行走机构在不同地面上的滚动阻力系数五及附着系数妒 t a b 2 3t h er o l l i n gr e s i s t a n c ec o e f f i c i e n tf 2a n da d h e s i o nc o e f f i c i e n t o f 路面类型 滚动阻力系数左 附着系数够 铺砌的路面 o 0 50 6 0 8 干燥的土路0 0 70 8 0 9 柔软的砂质路面 0 1 00 6 - - 0 7 细砂地 0 1 0 0 4 5 0 5 5 收割过的草地 0 1 00 7 0 9 开垦的田地0 1 0 0 1 20 6 0 7 冰雪冻结的道路 o 0 3 0 0 40 2 由以上分析可知，影响应急排水车的滚动阻力的因素很多、很复杂。通过试验，滚 动阻力f 近似地与整机的重量g o 成正比。因此，在实际的设计工作中，为了简化设计， 在一定的路面条件下，常用滚动阻力系数f 与整机重量的乘积q 表示滚动阻力e ，即 乃= 妈= e ，+ ：= ( 彳+ 灰) g o ( 2 4 ) 式中 g o 应急排水车的使用重量； 彳内摩擦阻力系数； 工外部滚动阻力系数。 空气阻力e 虽然应急排水车工作的的矿井一直有通风，风力较强，但是由于其行驶速度较低， 空气对其形成阻力值较小，所以通常对空气阻力造成的影响忽略不计【1 6 1 。而对于一些高 速行驶的履带式车辆，空气阻力则不能忽略。 太原理：工大学硕士研究生学位论文 坡道阻力b 当应急排水车爬坡行驶时，整机自重产生的沿坡道方向的阻力叫坡道阻力。设坡角 为口，则坡度阻力乓为 e = 6 0 s i n a ( 2 5 ) 而当应急排水车下坡行驶时，6 0s i n o ! 的方向与行驶方向相同，这时b 已经不是阻 力而是动力。 加速阻力巧 当应急排水车加速行驶时，需要克服其质量产生的惯性力，而该惯性力则称为加速 阻力f 。应急排水车的质量包括产生惯性力的平移质量以及产生惯性矩的旋转质量两部 分1 8 】。为了方便计算，一般将旋转质量的惯性矩通过一个系数转化为惯性力，所以其 加速阻力可表达为： e = , u m 瓦d v ( 2 - - 6 ) 式中旋转质量惯性矩换算系数， 1 m 应急排水车的质量； 坐应急排水车的加速度。 d t 由以上分析可知，应急排水车的最小驱动力为曝。= 巧，= e + 只+ e + e ，若车体 直行时不考虑e ，、b 和e 的影响，则最。i 。= q ( 彳+ 五) 。 ( 3 ) 附着性能、附着力与附着系数 履带与地面之间的附着性能是指它们之问相互作用抵抗履带对地面滑移的能力。影 响附着性能的因素有： 土壤的性质。对于纯摩擦性土壤，内聚力c = 0 ，附着力主要取决于土壤的内摩擦 角矽及机重g 0 。对于纯粘性土壤，内摩擦角矽= o ，附着力取决于内聚力及履带支承面积， 增加履带支承面积，可以提高履带行走机构的附着力。而对于c 和痧均接近于零的潮湿 土壤，需要依靠减小附着重量、降低接地比压来提高附着性能。 履带接地长度厶。在土壤性质、机重以及履带支承面积相同的情况下，当履带接 太原理j 【= 大学硕士研究生学位论文 地长度厶增加一倍，并要产生同样附着力时，其滑移率万会减小一半，因此长而窄的履 带比短而宽的履带更能提高履带的附着性能。 履刺高度。对于摩擦性土壤，履刺高度对履带附着性能影响很小；而对于粘性土 壤，增加履刺高度则可以提高履带的附着力。 另外，履带支承面上的压力分布也对附着性能有影响，当履带的接地比压按非线形 分布时，车辆的附着性能较差；而呈三角形分布时，车辆附着性能较好。并且履带接地 比压的分布规律对在砂性土壤上( 矽值较大) 的附着力的影响较为明显。 经参考前人的研究文献得知，地面提供车辆前进的推力被称为切线牵引力，而切线 牵引力与滑移率之问存在一定的关系，其关系曲线用图2 8 来表示。由曲线可看出，刚 开始，滑移率随切线牵引力的增加而与其大致成正比例地增加。但切线牵引力增加到某 一值后，切线牵引力再稍增，滑移率就猛增。随切线牵引力再增加到某值后，滑移率就 不再增加，这是因为土壤已被剪切破坏了。 2 0 太原理工大学硕士研究生学位论文 表2 - 3 中也列出了履带式行走机构与部分地面相对应的附着系数。 通常在设计履带式车辆时，取额定滑移率氏= 1 0 ：1 5 ，当万= 氐时，履带式行 走机构的效率会最高。相关试验资料表明，当万= 氏时有效牵引力f 与附着力艺之间 有以下关系f = ( 0 8 6 ：0 9 2 ) f 妒。 ( 4 ) 履带式行走机构的效率 履带式行走机构存在的功率损失主要包括滚动阻力损失和滑移损失。履带式行走机 构的效率就是克服行驶阻力的有效牵引功率坼与输入履带式行走机构的总驱动功率 垠之比，即 = 瓮= 巩最一锹( 2 - - 9 )2 2 巩i 瓦2 协仇锹 由式( 2 - - - 9 ) 礅h ，履带式行走机构的效率r c 也可用履带驱动效率r a ，动力效率仇以 及滑移效率r k 的乘积1 1 9 】来表示。 因为履带的驱动效率玑只与履带式行走机构的结构参数有关，所以当履带式行走机 构的结构参数确定后，履带式行走机构的效率仇，与动力效率r l , 及滑移效率r k 相关，它 们又都随牵引力的变化而变化，其变化如图2 - 9 所示。 o f f 图2 - 9 履带行走机构效率曲线 f i g 2 9t h et r a c k e dm o b i l em e c h a n i s me f f i c i e n c yc u r v e 随着牵引力的增大，动力效率仉增大而滑移效率减小。在牵引力达到某一值时， 履带式行走机构的效率r c 也达到最大值r c 。“，而与r c 。相对应的工况被称为行走机构 的最大效率工况。为提高履带式行走机构的效率，应减小行走机构问零部件的摩擦损失， 太原理：i ：大学硕士研究生学位论文 减小滚动阻力及履带滑移损失。 2 2 4 应急排水车的转向性分析 应急排水车是采取液压驱动的履带式车辆，不仅简化了履带行走架结构，而且省去 了机械传动的一套复杂零件，两条履带各自装有低速大扭矩液压马达。因为两个液压马 达可以独立操纵，所以应急排水车的转向除单边转向( 一条履带驱动、另一条制动) 外， 还可以实现原地转向( 两条履带同时向相反方向驱动) ，其转向灵活性比较高。应急排 水车的转向过程受工作场所的地面条件、车体结构、转向机构、动力等因素的影响，是 一个相对较复杂的动力学过程。 ( 1 ) 履带转向驱动力 履带行走机构无论单边转向还是原地转向，其所需的最大驱动力是一样的，如图 2 1 0 所示，本节以行走机构的单边转向左转为例进行分析。 图2 一1 0 履带行走装置转向受力图 f i g 2 10c r a w l e rw a l k i n gd e v i c eo fs t e e r i n gf o r c e 在图2 1 0 中，整车只在右边履带的推动下绕中心c l 点旋转，并产生m ，的转向阻力 矩，其值为如式( 2 1 0 ) 所示。 m - - 孕( 2 - - 1 0 ) 式中 厶履带接地长度； 六转向阻力系数，一般在0 8 1 之间取值。 由图可看出e 2 是右边履带的行走阻力，其大小如式( 2 一1 1 ) 。 太原理。l 一：大学硕士研究生学位论文 冬：掣( 2 - - 1 1 )1， 由图2 - 1 0 分析可知，则右边履带的驱动力c 大小如式( 2 1 2 ) 。 f ：墨+ 丝：堡! 垡塑i - l o o l o ( 2 - - 1 2 ) 9 2 曰 2 4 b 式中b 履带轨距。 通常履带轨距b 与履带接地长度厶之问存在关系为l o b 1 6 。由于z ? z + 五， 所以履带式行走机构的转r 匈n