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太原理工大学硕士研究生学位论文 单轨吊机车动力系统的研究 摘要 煤炭行业是我国的支柱产业。随着高新技术和现代化生产的发展，煤 矿的产量也在一年一年的上升，煤矿辅助运输对于煤矿的发展也就显得更 为重要，成为制约一个煤矿发展的重要因素。随着新的科学技术在煤矿工 业的应用，安全、高产、高效现代化矿井的建设，辅助运输的现代化程度成 为衡量一个煤矿现代水平的重要指标，同时辅助运输的效率直接影响着矿 井生产效率。因此发展高效快捷的辅助运输方式是我国煤矿工业建设的一 项重要任务。 作为高产高效辅助运输之一的单轨吊辅助运输系统越来越显示出它的 优势，它不受底板条件的影响，运输巷道布置方便节省空间，运输效率高。 过去一个月才能完成的综采面搬家倒面工作，利用单轨吊可以在一周内完 成，大大提高了辅助运输的效率，从而提高全员效率。这可以在目前使用 的单轨吊煤矿得到证明。 本文在对常村矿进口单轨吊现场考察和查阅有关资料的基础上，分析 了现在所使用单轨吊燃油动力系统存在的问题。对单轨吊燃油动力系统选 配大功率4 1 1 2 型防爆柴油机，并针对所选配的柴油机设计了加载试验台， 对柴油机的相关特性及相应参数测量，试验证明所选用的防爆柴油机能够 满足目前煤矿大型液压支架、掘进机和采煤机的连续长距离大坡度的运输 要求。为了保证防爆柴油机能够满足煤矿井下恶劣环境的要求和满足煤矿 太原理工大学硕士研究生学位论文 井下的防爆要求，防止排气温度过高，对单轨吊所配柴油机尾气冷却系统 设计计算，对防爆柴油机排气歧管建模分析，设计并计算单轨吊尾气净化 箱冷却性能。为了保证单轨吊动力系统的安全使用，开发设计单轨吊多点 安全保护装置，对所用传感器进行选型分析，设计多点保护装置电控系统 并对相应控制元件选型。 在对进口单轨吊液压系统分析的基础上，针对目前液压系统存在的问 题，结合改造后的大功率燃油系统，从原理上阐明单轨吊的液压系统及其 控制回路、制动回路、安全保护回路，对液压系统关键阀卸荷溢流阀 工作原理，建立物理模型，运用功率键合图法建立卸荷溢流阀的数学模型， 并转为状态方程，通过数字电路对其动态特性分析，得出了卸荷溢阀的静 态工作区间和动态响应曲线，这为防止大功率燃油系统单轨吊液压系统发 热，使液压系统能够长时间有效运行提供了理论依据，为进一步优化液压 系统提供了新的方向和思路。另外，对单轨吊整机液压系统建立动态模型， 运用现代控制理论，分析单轨吊液压系统的各种特性，从理论上确定单轨 吊的最优参数，分析驱动系统和制动系统响应的协调特性。 关键词：单轨吊机车，防爆柴油机，液压系统，卸荷溢流阀，尾气净化箱 i i 太原理工大学硕士研究生学位论文 r e s e a r c ho nm o n o r a i lc r a n e p o 吧rs y s t e m a b s t r a c t c o a li n d u s t r yi so u rc h i e fi n d u s t r y w i t ht h ed e v e l o p m e n to fh i g ha n dn e w t e c h n o l o g ya n dm o d e r n i z e dp r o d u c t ，m i n ey i e l di si n c r e a s e dy e a rb yy e a r , s o a u x i l i a r yh a u l a g e i s b e c o m i n gm o r e a n dm o r ei m p o r t a n tf o rc o a lm i n e d e v e l o p m e n t , a n d i ti s b e c o m i n g a n i m p o r t a n t f a c t o rt oc o n f m ec o a l d e y e l o p m e n t w i t ht h ea p p l i c a t i o no fn e ws c i e n c ea n dt e c h n o l o g yo nt h ec o a l i n d u s t r y , i tb e c o m e sa ni m p o r t a n ti n d e xf o rm i n em o d e r n i z a t i o nc o n s t r u c t i o n ， w h i c hi st h eu p d a t em i n ec o n s t r u c t i o no fs a f e ，h i g h - p r o d u c t i o n ，h i g he f f i c i e n c y a n du p d a t ec o n s t r u c t i o no fa u x i l i a r yh a u l a g e a tt h es a m et i m e ，t h ee f f i c i e n c yo f a u x i l i a r yh a u l a g ed i r e c t l ya f f e c t st h em i n ep r o d u c t i o ne f f i c i e n c y s oi tb e c o m e s a ni m p o r t a n tt a s kt o d e v e l o ph i g h l ya c t i v ea u x i l i a r yh a u l a g ef o ro u rc o a l i n d u s t r y a so n eo ft h ea u x i l i a r yh a u l a g em o d e s ，m o n o r a i lc r a n ea u x i l i a r yh a u l a g e s y s t e mh a se x h i b i t e di t sa d v a n t a g e ，w h i c hi sn o tc o n f i n e dw i t hf l o o rc o n d i t i o n ， c o n v e n i e n c eo ft r a n s p o r tt u n n e ll a y o u ta n dh i g ht r a n s p o r te f f i c i e n c y w i t h i i i 太原理工大学硕士研究生学位论文 m o n o r a i lc r a n ew ec a nf i n i s hc o m p l e xc o a l c u t t i n gw o r ko fw o r k i n gf a c ei na w e e kw h i c hw o u l db eam o n t hi nt h ep a s t s oi tc a ni n c r e a s ea u x i l i a r yh a u l a g e e f f i c i e n c ya n da l s ow o r k e re f f i c i e n c y a l lo ft h e s ec a nb ec e r t i f i c a t e db yt h e m i n e sw h o s eh a su s e dm o n o r a i lc r a n e b a s e do nt h es u r v e ya n dc o l l e c t i o no fr e l a t e dd a t ao fi m p o r tm o n o r a i lc r a n e i nc h a n g c u nm i n e ，t h ep r o b l e m so ff u e ls y s t e mw h i c ha r eu s e dn o wa r e a n a l y z e d s u p e r p o w e re x p l o s i v e - p r o o f4 112d i e s e lf o rm o n o r a i lc r a n ef u e l p o w e rs y s t e m i su s e da n dl o a d i n gt e s t e ri s d e s i g n e d e x p e r i m e n tr e s u l t s c e r t i f i c a t et h a tt h i se x p l o s i o n - p r o o fd i e s e lc a nm e e tt h en e e d so fc o n t i n u o u s l y , l o n g d i s t a n c ea n dl a r g eg r a d i e n tt r a n s p o r to fh y d r a u l i cs u p p o r t , d e v e l o p m e n t m a c h i n ea n dc o a lm i n i n gm a c h i n e t om e e tt h en e e do fb a de n v i r o n m e n ta n d u n e x p l o i t e dd e m a n d si nm i n ea n dl o w e rt e m p e r a t u r eo fe x h a u s t i o n ，d e s i g na n d c a l c u l a t i o no fd i e s e lc o o l i n gs y s t e ma n de x h a u s tg a sc l e a n e ra r ed o n e ，a n d e x h a u s tm a n i f o l di sa n a l y z e d m u l t i p l e p o i n ts a f e t yd e v i c ei sd e v e l o p e dt om a k e t h eu s eo ff u e lp o w e rs y s t e ms a f e e l e c t r i cc o n t r o ls y s t e mi s d e s i g n e d ，a n d v a r i o u se l e m e n t sa r es e l e c t e da n da n a l y s i s t h ep r i n c i p l eo fm o n o r a i lc r a n eh y d r a u l i cs y s t e ma n dc o n t r o ll o o ps y s t e m ， b r a k i n gl o o ps y s t e ma n ds a f e t yl o o ps y s t e ma r ei l l u m i n a t e da c c o r d i n gt ot h e p r o b l e m sa n df u e ls y s t e mw h i c hh a sb e e ni m p r o v e d t h ep h y s i c a lm o d e la n d m a t h e m a t i cm o d e lo fu n l o a d i n gr e l i e fv a l v e ，w h i c hi st h ek e yv a l v eo fh y d r a u l i c s y s t e m ，i sb u i l d i n g ，a n dp o w e rc h a r a c t e r i s t i cs t u d yi s d o n e s t a t i cw o r k i n g i n t e r v a la n dp o w e rr e s p o n s ec u r v eo fu n l o a d i n gr e l i e fv a l v ec a nb ea c q u i r e db y i v 太原理工大学硕士研究生学位论文 p o w e rs i m u l a t i o n i tc a na v o i dg e n e r a t i n gh e a ta n db r i n gt h e o r yb a s i s o f a n g l i c i z i n gt h e1 3 1 1 1 o fh y d r a u l i cs y s t e mi nl o n gt i m e ，a l s oc a ns u p p l yn e w m e t h o d sf o rm o t o r i z i n gh y d r a u l i cs y s t e m i na d d i t i o n ，t h ep o w e rm o d e lo f h y d r a u l i cs y s t e mi sb u i l d i n ga n dm o d e mc o n t r o lt h e o r yi su s e dt oa c q u i r et h e b e s tp a r a m e t e r si nt h e o r yo fm o n o r a i lc r a n ea n dc o o r d i n a t i o nc h a r a c t e r i s t i co f d r i v i n ga n db r a k i n gs y s t e m ，a c c o r d i n gt ot h ea n a l y s i so fh y d r a u l i cs y s t e m c h a r a e t e r i s t i e s k e yw o r d s ：m o n o r a i lc r a n e ，e x p l o s i o n p r o o fd i e s e l ，h y d r a u l i cs y s t e m ， o v e r f l o wv a l v e ，e x h a u s tg a sc l e a n e r v 声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在指导教师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文 不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究 做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的 法律责任由本人承担。 论文作者签名：三匙芷军一日期：j 坦亟军i 关于学位论文使用权的说明 本人完全了解太原理工大学有关保管、使用学位论文的规定，其 中包括：学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印 件：学校可以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文； 学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为目的， 复制赠送和交换学位论文；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容( 保密学位论文在解密后遵守此规定) 。 签 名_ ：然延军 日期： 壹! 里牟曼卑 一一 导师签名：盘蜘日期：嘶阴 太原理工大学硕士研究生学位论文 第一章概述弟一早僦硷 在现代煤矿生产中，运输工作是必不可少的重要环节，而轨道运输是目前我国矿山 井下运输的主要方式。在煤矿企业中，运输作业的劳动量很大，运输及提升费用在煤矿 生产成本中占有很大比重。因此，合理地使用运输系统对提高矿井产量、降低煤炭生产 成本和提高劳动效率，将会起很大的作用。 轨道运输的主要设备有轨道、车辆、牵引设备和辅助机械设备等。本章主要介绍悬 挂式单轨运输系统。悬挂式单轨运输系统( 简称单轨吊) 悬挂在特种工字型钢导轨上， 由牵引传动装置牵引，并带有用作安全装置的制动系统运行在导轨上。单轨运输系统被 广泛用于世界各地，它在载人和装料方面的合理化效果，为煤矿的高产高效做出了巨大 的贡献。 1 1 单轨吊机车概述 悬挂式单轨运输系统( 又称为单轨吊机车) 架在特种工字型钢导轨上，悬挂在支架或 矿柱上。载人装置能够毫无困难的进行直至4 5 度的下降和上升，可以作小曲率半径的 水平曲线和垂直曲线运行。其最大载运重量为2 0 吨。单轨运输系统被广泛用于世界各 地，它在载人和装料方面的合理化效果，为今天极高的采矿效率做出了巨大的贡献。单轨 运输系统由动力源、牵引装置、常备载人车、制动装置、支撑行走装置、六吨提升臂( 十 六吨提升臂) 、主副司机室、电气系统等组成乜1 。 目前在工业生产中，单轨吊机车按其牵引动力源方式可分为：蓄电池牵引，柴油机牵 引。 对于蓄电池牵引来说，其优点是很明显的：噪音低、无排气污染；但是其缺点也是 不可忽视的：功率小、能重比低、体积大；使用寿命短，最长不超过3 年，在煤矿中应 用的一般使用寿命不超过2 年，蓄电池更换费用高：因受蓄电池容量的限制，蓄电池机 车多用于巷道平缓、载荷较小、作业不大频繁的短途运输；动力性能差，随着连续运行 时间的增加，牵引能力不断下降，不适于长时间连续运输，每班使用时间一般不超过4 h ； 需更换蓄电池进行充电，因而需配备2 台电源装置、复杂的充电设备及相关人员，运行 维护费用高。t x d - - 2 5 防爆特殊型蓄电池单轨吊，x t i ) - - 7 防爆特殊型蓄电池单轨吊结构如 图1 - 1 和图1 - 2 所示。所以蓄电油单轨吊机车的推广应用受到了相应的影响。蓄电池单 太原理工大学硕士研究生学位论文 轨吊机车目前在汾西水峪矿、平顶山及东北地区一些煤矿使用晦1 。 卜主司机室；2 一驱动部；3 一电源车；4 一副司机室 图1 - tt x d 型防爆特殊型蓄电池单轨吊 f i g 1 - 1t h et x d - 2 5e x p l o s i o n - p r o o f s p e c i a lb a t t e r ym o n o r a i l 卜司机室；2 一驱动车；3 一制动车；4 一电源车；5 一紧急制动手柄；6 一电池箱 图1 - 2x t d 型防爆特殊型蓄电池单轨吊 f i g 1 - 2t h ex t d - 7e x p l o s i o n - p r o o fs p e c i a lb a t t e r ym o n o r a i l 对于巷道坡度大、运输距离长、作业频繁、载荷较大的运输，最好采用柴油机单轨 吊机车。这种机车以防爆柴油机做动力，依靠夹紧于轨道腹板上的驱动轮产生牵引力， 在悬挂于支架上的单根轨道上行驶。驱动轮外表面衬有高摩擦系数的聚氨脂，借以提高 牵引力。传动形式有液压和机械两种，但多以液压传动为主。轨道使用1 1 4 0 e 或1 4 # 工字 钢。机车本身带有起吊梁，可以起吊重物。机车设有双向司机室、多种保护功能。其主 要优点是： 利用吊轨运输，不占用底板，在大断面巷道使用时，底板上可设置胶带机等设备， 能充分利用巷道空间；自身可随时起吊重物，便于装卸；另外，运距可以很长，也可以 分支；一般结构的单轨吊挂机车，可以爬1 8 0 的坡道。其缺点是柴油机排气有污染，需 2 太原理工大学硕士研究生学位论文 要新鲜风流稀释。由于轨道吊在顶板上，因此对巷道的支护质量要求较高，除能承受项 板压力外，还要能承载所运货物的重量和运动冲击。以确保运输安全。 目前，国内使用防爆油柴机单轨吊挂机车的矿井有：潞安矿业集团的漳村矿、常村 矿，漳村矿是我国第一个辅助运输单轨吊化矿井，它可将1 6 t 支架或其他货载沿长1 4 3 8 m 坡度6 0 ( 最大1 0 。) 的斜井直接运到工作面，使辅助运输系统大为减化。 1 2 柴油机牵引单轨吊 本文主要研究柴油机牵引单轨吊动力系统，下面首先先就柴油机牵引单轨吊的主要 结构参数做简要介绍。 1 2 1 外形结构 单轨吊外形结构( 如图卜3 所示) 1 2 。2 技术参数 i ? 生o e 工字锕 蒂举曩堕薹擎帮_ 霖 龉尸罂萼黧薹型= 塞兰薹攀鞘梦箩内气甲誊、 。i _ 错二r 了：吣固 ? i 毒l ，v 驱动部j ” 一遨 嘉lk 一、驾驶室2 f 埝1 - 3c o n t o u r5 t f u c t u t ep i c t u r eo f o v e r h e a dm o n o r a i l 单轨吊车主要技术参数啪： 牵引力 总制动力 6 5 克 9 8 埘 3 太原理工大学硕士研究生学位论文 运行速度 爬坡能力 最小转弯半径 安全制动车限速 机车外形尺寸 机车运输能力 机车自重 1 2 3 主要结构特点 o 2 m s 1 8 0 水平4 m ，垂直l o m 2 5 m s 高1 1 0 0 m m ，宽7 5 0 m m ，长1 1 0 0 0 m m 1 8 0 时运载1 2 r 6 3 7 0 k g 单轨运输系统由柴油机、牵引装置、常备载人车、制动装置、支撑行走装置、六吨 提升臂( 十六吨提升臂) 、主副司机室、电气系统等组成。目前单轨吊有多种型号，如 f n d 一4 0 ；f n d 一2 0 y ；f n d - - 9 0 ； f n d - 91 ；t x d 一7 ；m 彻一916 6 ；d z 6 6 3 i 。以d z 6 6 - 3 i 型内燃机单轨吊车为例介绍柴油机单轨吊的结构特点。 d z 6 6 - 3 i 型内燃机单轨吊车( 以下简称单轨吊) 由单轨吊主机、列车系统、轨道及 道岔组成。 ( 1 ) 单轨吊主机包括：柴油机、液压传动系统、控制系统、司机室等。柴油机为 d9 1 6 - 6 型防爆柴油机，根据西德矿山局标准：允许在瓦斯浓度不超过1 5 的瓦斯矿井 中使用该机。该机额定功率6 6 k w ，最大6 9 k w 。额定转速2 1 0 0 r m i n ，最高为 2 3 0 0 r m i n 柴油机的进、排气装置均设有防火栅栏，排出的废气经防火栅栏以消除火 花，再经废气处理箱冷却、洗涤后排出，又被柴油机冷却风扇排出的风强行吹散、稀释。 该项功能经实测效果极好，符合煤矿安全规程。柴油机的起动方式为气、液起动，由手 压泵、控制泵、截止阀、安全阀、气、液蓄能器、液压马达组成。蓄能器容量为i o l ， 控制压力1 5 m p a ，最高：1 7 m p a 。第一次开车前用手压泵加压，当达到调定压力后， 液压马达启动柴油机工作，然后由柴油机带动控制泵向蓄能器供液，实观循环工作。 液压传动系统共包括5 种液压回路，除上述柴油机起动用液压回路外；还有主传动 回路，机车制动回路，驱动轮挤压回路，起吊转换回路。主传动回路为闭式液压系统， 主泵是一台p v l 8 3 轴向变量柱塞泵，驱动马达为a 2 f 2 8 斜轴定量柱塞马达。共由6 个驱 动马达组成3 套驱动部，并联于主传动系统中，系统工作压力为2 4 4 m p a 。 控制系统分别由气、液控系统组成，实现联动操作，气、液控制由压缩空气和气压 4 太原理工大学硕士研究生学位论文 阀来控制液压阀，通过液压阀组来控制单轨吊的液压系统。气控范围包括单轨吊车的开、 停、调速、换向等工作。控制系统的工作过程是，先由脚踏气泵向空气储能器充气，储 能器容积为2 2 0 l ，工作压力为0 4 5 m p a ，当达到工作压力方可开车。然后由柴油机 带动气泵向储能器供气，实现以后的循环工作。气液控制的特点是传动平稳性和工作可 靠性较高。另外单轨吊机车还有5 套温度控制保护系统，3 套压力控制保护系统及3 套 制动保护系统。分别是： 温度控制保护： 柴油机主冷却系统的温度保护。 排气孔排气温度保护。 柴油机润滑油温度保护。 主液压系统温度保护。 起吊液压系统温度保护 压力控制保护： 柴油机润滑油压力欠压保护。 ， 控制系统压力欠压保护。 补油压力欠压保护。 制动保护： 运行制动保护 紧急停车制动保护 超速制动保护 上述除紧急停车制动需手动操作外，其余均依靠压力传感元件和气动传感元件对机 车系统实现自动控制。 司机室：司机室在单轨吊车前后各布置一个，司机室内设有：运行方向及速度控制 装置，制动闸运行、制动装置，紧急停车制动控制装置，还有运行、起吊工况选择装置， 及起吊工况柴油机调速装置。另外设有一套声控信号。 ( 2 ) 列车系统：列车系统主要包括2 组双钩4 5 k n 起吊梁，l 组1 2 0 埘复合起吊 梁，2 部安全制动车、集装箱及连杆等。 起吊梁，4 5 k n 起吊梁主要用于运送散件及小型器材。1 2 0 克复合梁由主梁和副 梁组成。可调前钩与付梁吊挂点间距离最大为5 2 m 。复合梁主要用于起吊和运送液压 5 太原理工大学硕士研究生学位论文 支架和其它大型设备。起吊粱的液压系统由柴油机带动一台起吊油泵，分别向各起吊梁 的液压马达供液，由操纵阀控制，起吊液压系统的压力为1 0 m p a 。 安全制动车，该车为液压一弹簧制动，由离心限速器脱扣控制制动，当单轨吊车 下滑或跑车时，其速度超过整定值，离心限速器脱扣，单向阀开启，弹簧释放而实现制 动，制动块夹住轨道。制动块材料为钢基烧结金属。 ( 3 ) 轨道及道岔：轨道为1 1 4 0 e 型工字钢，每节长3 m ，每节之间用销钉连接； 再将其悬吊在顶板或巷道支架上。道岔是为单轨吊车驶向不同区域准备的，其特点是在 一付框架上安装2 个可移动的轨道，用拉链控制。 1 3 国内外应用与研究现状 1 3 1 国外技术发展趋势与现状 单轨吊机车在德国已有两家公司生产( d b t 、布劳提干) 并在多个国家销售过蓄电 池单轨吊车和柴油机动力单轨吊车；捷克b e c o r i t 公司也生产燃油动力柴油机车旧。 其主要优点是：利用单吊轨运输，不占用底板，在大断面巷道使用时，底板上可设 置胶带机等设备，能充分利用巷道空间；自身可随时起吊重物，便于装卸。另外，运距 可以很长，也可以分支。- 般结构的单轨吊挂机车，可以爬1 8 。的坡道。 其缺点是：柴油机排气有污染，需要新鲜风流稀释。由于轨道吊在顶板上，对 巷道的支护质量要求较高，除能承受顶板压力外，还要能承受货载的重量和运动冲击， 以确保运输安全。柴油机动力牵引力为6 0 k n ，不满足煤矿使用要求。蓄电池单轨吊 车的蓄电池容量小、牵引力更小。 1 3 2 国内技术发展趋势与现状 国内使用只有柴油机牵引式单轨吊和蓄电池电机牵引单轨吊，柴油机牵引式单轨吊 主要依靠进口，国内目前没有生产。目前，国内使用防爆油柴机单轨吊机车的矿井有： 潞安矿业集团的漳村煤矿和常村煤矿。漳村矿是我国第一个辅助运输单轨吊化矿井，它 可将1 6t 支架或其他货载沿长1 4 3 8 m 坡度6 。( 最大l o 。) 的斜井直接运到工作面，使辅 助运输系统大为减化。 6 太原理工大学硕士研究生学位论文 常村煤矿所用的单轨吊属于柴油机液压牵引式单轨吊。使用过的1 5 台均为进口英 国贝克瑞特公司生产的n f c - d 9 1 6 型单轨吊，主要用于采煤工作面运输。常村矿辅助运 输为多种辅助运输形式接力转运。从地面到井下运输为副井双罐笼和辅井单罐笼；大巷 运输为架线式电机车；采区运输为液压卡轨车；工作面运输为单轨吊。所用单轨吊均为 十多年前进口的老产品，国外已经不再生产。该机型进口配件需要单独安排生产，不仅 费用高，而且很难组织货源，况且进口配件占用资金大，资金周转慢，国内很多代理商 都不愿意代理此项业务。 国内引进过德国单轨吊车2 0 多台，引进捷克单轨吊2 台，同时原煤炭部石家庄煤 机厂试制单轨吊近1 0 台，太原矿山机器有限公司电气公司试制过蓄电池单轨吊2 台。 太原市博世通机电液工程有限公司检测检验进口单轨吊1 0 多台，并将主要部件( 柴油 机、主泵、辅助泵驱动马达、起吊马达、温度传感器等) 完全国产化，在性能上和可靠 性上有很大提高。 1 4 本课题研究的目的和意义 j 矿井辅助运输是指除煤炭之外的各种运输之总和，包括：支架、设备、材料、充填 材料和人员的运输。随着新的科学技术在煤矿工业的应用，安全、高产、高效现代化矿 井的建设，辅助运输的现代化程度成为衡量一个煤矿现代水平的重要指标，同时辅助运 输的效率直接影响着矿井生产效率。因此发展高效快捷的辅助运输方式是我国煤矿工业 建设的一项重要任务。就国内外看来高效的辅助运输方式主要有：单轨吊、齿轨车和无 轨胶轮车等几种形式，国外防爆柴油机牵引单轨吊使用较多，也比较成功。我国在辅助 运输方面一直比较落后，据统计，我国煤矿辅助运输人员约占矿井下职工总数的1 3 以上，有些矿甚至占到5 0 ，与国外先进采煤国家相比差距很大。综采工作面搬家，国 外一般仅需1 - 2 周即可完成，用工2 0 0 5 0 0 个。而我国煤矿传统方式需要2 5 - 4 5 天，用 工5 0 0 0 个以上。综采矿井每采百万吨煤辅助运输用工8 0 0 1 2 0 0 个，是先进国家的7 1 0 倍。近年来国内只在山西潞安集团的几个超大型现代化矿井使用防爆柴油机牵引单轨 吊，效果非常好，提高了全员工效，保证了生产任务的顺利完成。 进行本课题的研究起因主要有以下几点： 第一，降低设备使用费用，提高企业效率，提高技术水平，提高辅助运输设备的安 全性。这些设备都是8 0 年代进口的，9 0 年代投入使用，到现在为止已经服役十几年了， 7 太原理工大学硕士研究生学位论文 技术严重滞后，好多零部件已经严重老化、磨损、毁坏等不能正常使用，维护费用高并 且严重影响了生产。以潞安集团常村为例，常村煤矿拥有的1 5 台单轨吊的原值为 6 0 2 1 6 5 万元，截止2 0 0 2 年底累计已提折旧3 0 4 9 5 万元，净值2 9 8 2 1 5 万元。自1 9 9 5 年投入使用以来，1 5 台单轨吊已经陆续投入井下使用，现已报废了几台。近两年来，几 乎完全依赖于整机大修。每年需要花费4 0 0 到5 0 0 万元的经费来进口机车配件，最重要 的是延误生产，这对企业来说是很大的负担，严重降低了生产率。 第二，为单轨吊国产化作准备，降低矿井的初期建设费用。一些新开发的矿井要上 单轨吊，进口设备投资太高，用贷款方法解决，这成为企业的一个包袱。如果能够使单 轨吊国产化，在国内生产可以降低成本，减少投资。 第三，提高单轨吊的承载能力，向大功率发展，提高全员工效。随着采矿设备的大 型化发展，对于辅助运输设备的运输能力也提出了新的要求，就是向大载荷大吨位的运 输设备发展，目前国内这一方向尚属空白。 第四，符合煤矿安全规程的需要。矿井单轨吊辅助运输不同于其它环境的机车运输， 要符合煤矿的安全规程。在煤矿安全规程对单轨吊机车的各种运行状态都有明确的规 定，如最大运行速度、制动时间、制动加速度、液压油温度、机表温度等。 因此，应用国内先进制造技术，开发研制自主的适合于中国国情的单轨吊机车动力 系统成为十分迫切和十分重要的工作。但是目前我国还未对单轨吊进行性能研究，这方 面的理论与技术尚不成熟，因此进行本课题的研究具有非常重要实践与理论意义。 1 5 本课题所做的主要工作 1 、通过对进口单轨吊的有关资料搜集，分析现在所使用柴油系统存在的问题；对 单轨吊动力系统选配大功率防爆柴油机，并针对所选配的柴油机设计加载试验台：对柴 油机特性及相应参数测量。 2 、针对单轨吊动力系统并下工作的特殊环境，开发设计单轨吊多点安全保护装置。 对所用传感器进行选型分析，设计多点保护装置电控系统并对相应控制元件选型。 3 、从原理上阐明单轨吊的液压系统及其控制回路、制动回路、安全保护回路，对 液压系统关键阀卸荷溢流阀工作原理，建立物理模型，运用功率键全图法建立卸荷 溢流阀的数学模型，并转为状态方程，通过数字电路对其进行动态特性分析。 4 、依据煤炭安全认证要求，对单轨吊所配柴油机冷却系统进行设计计算，对防爆 8 太原理工大学硕士研究生学位论文 柴油机排气歧管建模分析，设计计算单轨吊废气净化箱。 5 、对单轨吊液压系统建立动态模型，运用现代控制理论，分析单轨吊液压系统的 各种特性，从理论上确定单轨吊的最优参数，分析驱动系统和制动系统响应特性。 9 太原理工大学硕士研究生学位论文 第二章单轨吊机车动力系统总体方案 2 1 燃油动力系统 国内使用只有柴油机牵引式单轨吊和蓄电池电机牵引单轨吊，柴油机牵引式单轨吊 主要依靠进口，国内目前没有生产，国外生产的公司有美国的d b t 公司和英国的贝考里 特公司，它们也只生产7 0 k w 以内( 6 0 7 0 k w ) 的单轨吊，而对于大功率( 大于l l o k w ) 柴油机牵引单轨吊国内外尚没有生产订1 。对此有必要开发研制大功率单轨吊用防爆柴油 机。柴油机主机拟采用专业生产厂生产的4 1 1 2 型车用柴油机为基本机型。按防爆柴油 机的要求提出修改意见，柴油机厂按要求提供柴油机，并按防爆柴油机的要求加装其他 防爆系统。其中原柴油机的进排气管要进行改装，加装水冷却及检测装置，加装燃油安 全控制装置。将原柴油机的发电机改为防爆发电机。 4 1 1 2 柴油机的燃油系统由油箱及初级燃油滤清器、输油泵、燃油滤清器、喷油泵、 调速器、冒烟限制器、燃油切断电磁阀、高低压油管等零部件组成，如图2 - 1 所示。其 作用是根据柴油机工况的变化，定时、定量、定压地将雾化的燃油以一定的规律喷入燃 烧室中，使之与空气迅速混合燃烧，因此柴油机的动力性、经济性、噪声、以及排放烟 度等都与供油系统有关。 燃油系统的工作过程如下： 柴油从油箱吸出，经过喷油泵外侧的输油泵和沉淀杯，然后在输油泵压力下流经燃 油滤清器总成进入喷油泵油道，从喷油泵出来的高压燃油经高压油管输送到各个喷油 器，从喷油器溢流阀出来的剩余燃油经回油管返回油箱。 1 0 太原理工大学硕士研究生学位论文 图2 - 1 供油系统 f i g 2 1o i ls u p p l y i n gs y s t e m 4 1 1 2 柴油机采用国产的p 型系列喷油泵。其结构特点是采用提高刚度的全封闭箱式 泵体及吊挂式柱塞套，柱塞套和出油阀偶件装在凸缘套筒内。由出油阀压紧座拧紧，再 由两对螺柱、螺母固定在泵体顶部的端面上，形成吊挂式结构，如图2 2 所示： 图2 - 2 喷油泵 f i g 2 - 2i n j e c t i o np u m p 柴油机进气系统包括空气滤清器、空气关断阀、阻火器，连接管、进气歧管等。进 气系统在空气滤清器的后端，设置有阻火器和空气关断阀，以便于发生事故时的切断空 太原理工大学硕士研究生学位论文 气供应，使防爆柴油机在切断燃油和空气供给后停机，起到防爆安全的作用。阻火器为 栅栏型结构，其功能是为了拦截住发动机内可能返向大气的火焰，使其降温而熄灭，不 至引燃外部工作环境中的可燃气体，从而确保作业环境中工作的人身财产安全。 进气系统在空气滤清器与进气阻火器之间设置了由柴油机自动保护装置控制的进 气关断电磁阀，当柴油机运转出现异常时可自动关闭进气道，停止柴油机的运转；防止 火焰从防爆柴油机内向外部传播。阻火器的功能是为了拦截住柴油机气缸内可能返向大 气的火焰，并经阻火器内的珠球体降温而熄灭，不至引燃、引爆工作环境中的易燃气体， 从而保证在易燃易爆作业环境中的人身、财产安全。 2 2 单轨吊动力部分液压系统 2 2 1 单轨吊液压传动系统 液压系统由主系统、控制系统和辅助系统组成见图2 - 3 所示1 。主系统是由轴向柱 塞变量泵、六个液压马达组成的闭式系统，即牵引装置。控制系统由增压泵( 补油泵) 和几个液压阀组成，它起给主系统供油和控制机车运行速度的作用。辅助环路由辅助泵 ( 制动泵) 和一系列液压阀组成，在系统中主要起制动系统和启动、控制、停止柴油机 的作用。 液压系统根据现有单轨吊液压系统的功能和原理，结合生产实际中出现的问题( 如 停车制动冲击问题，启动马达易损坏问题等) ，应用现代设计理论和方法和近代液压传 动理论，设计单轨吊液压系统，为实现单轨吊液压系统国产化做好技术准备。预计国产 化后的液压系统，完全能够实现单轨吊所需的各种功能，达到其性能指标，降低其成本。 同时还能在整体上改善人机接口，便于使用和维护。 1 2 太原理工大学硕士研究生学位论文 图2 - 3 单轨吊液压系统原理图 f i g 2 - 3p r i e i p l ep i c t u r eo f m o n o r a i lh y d r a u l i c ss y s t e m 2 2 2 液压主回路 ： 夺主驱动环路为一闭式系统，增压泵泵出的清洗冷却油经过补油阀h 3 进入环路。 如上所述，操作速度控制阀h 3 6 将控制伺服装置，伺服装置使主泵h 1 向主环路一 侧供油( 环路受油的一侧取决于哪个速度控制阀被操作) 。油被送入驱动马达h 9 ，使马 达转动，带动机车行驶。 当油将其能量传递给马达后，又返回到主环路对面一侧。如果油往复循环于主泵h l 和马达h 9 之间，油将发热并被微粒杂质污染，为了避免液压油发热和污染，主泵上装 有清洗冷却阀h 5 ，可以不断的从环路中抽油并进行冷却和过滤。超压阀h 6 3 可调节系 统压力，一旦系统压力达到所调定压力极限，超压阀将动作减少主泵斜盘偏转角度。一 旦超压阀h 6 3 发生故障，高压安全阀可保护主泵，防止液体压力超载。 1 3 太原理工大学硕士研究生学位论文 羽。e 订广融d 热 、p i 址酗班。 吣粹 ， 商撇- j 上一零 7 - 】 勒 j 坩 山 _ i 一 2 2 3 辅助回路 图2 - 4 主回路图 f i g 2 - 4m a i nr e m mc i r c u i tp i c t u r e 在发动机已起动而主泵尚未转动时，辅助泵提供的压力充入起动蓄能器，并通过主 副司机室的关闭阀( h 2 3 ) ，使断油阀( h 2 2 ) 、排泄阀( h 2 4 ) 、空气关闭柱塞( h 7 2 ) 均 保持在使发动机继续运转状态。其液压系统图如图2 5 所示。 在主泵尚未转动时，液压油照常供向下列阀：主副司机室的安全踏板阀( 鹧) ；主 副司机室的制动超压阀( h 4 1 ) ；副司机室的p t 0 转换阀( h 5 0 ) ；主司机室的驱动选择 阀( h 7 4 ) ；制动隔离阀( h 6 2 ) 。 当脚踏安全踏板阀( h 8 ) 时( 由于安全踏板阀上装有机械锁，可防止主副司机室同时 作用安全踏板阀) ，来自辅助泵的油通过安全踏板阀( h 8 ) 后，油分两路。一路控制传 动隔离阀( h 3 7 ) 控制机车的前进方向，并到达速度控制阀( h 3 6 ) 待命。另一路作用于 梭阀( h 4 0 ) 使制动隔离阀( h 6 2 ) 换向至工作位置。此时，在制动隔离阀( h 6 2 ) 待命 图2 - 5辅助回路系统原理图 f i g 2 - 5s y s t e m a t i cp r i n c i p l ep i c t u r eo fa u x i l i a r yc y c l e 1 4 太原理工大学硕士研究生学位论文 的液压油通过制动阀( h 6 2 ) 到达：a ) 梭阀( h 5 1 ) ，并经过它到达柴油机调速阀的一级 柱塞使发动机转速由9 5 0 转分增至1 5 0 0 转分；b ) 作用在第二级反向阀( h 3 9 ) ，待 命；c ) 通过换向阀( h 5 2 ) 到达制动超载阀( h 4 3 ) 经入制动缸，松闸。此时，操作主副 司机室中的速度控制阀( 1 4 3 6 ) ，机车便可开动。一旦机车移动，第二级反向阀( h 3 9 ) 可使伺服压力进一步提高发动机转速，根据负载情况可达到2 3 0 0 转分。 操作安全踏板阀还可控制传动隔离阀( h 3 7 ) ，它可防止后操作室人员控制机车。在 整个驱动过程中，两个控制室的制动超压阀和紧急排泄阀都是有效的。 2 3 单轨吊多点安全保护装置 单轨吊多点安全保护装置适用于煤矿井下有甲烷等爆炸性气体混合物的环境。该装 置适用于各类使用进口、国产防爆柴油机，用作安全运行的随机保护。主要由主机和压 力、水位、速度、温度等传感器组成。当被测参数超限时，装置主机声光报警，并按设 置的延时时间自动关闭柴油机系统，从而保证环境和柴油机系统的安全。其中主机集检 测、显示、报警、保护和电源为一体，具有接线简单，安装灵活，使用方便等特点。 为了确保防爆柴油机的安全可靠运行，该防爆柴油机安装了自动保护装置。保护装 置包括排气温度( 经阻火器处) 、废气处理箱水温度与水位。第一缸与第六缸发动机表 面温度、冷却水温度( 水泵出水口处) 以及机油压力等传感装置，所有这些传感装置都 串联在机油循环通路之中，这些传感装置之中，只要有一处出现异常( 只检测的部位有 故障现象发生) 时，都会立即自动转换成机油压力低于规定压力的结果，并使熄火油缸 立即工作，使发动机切断燃油并自动停机。 在出现下列情况之一时，防爆柴油机都会报警并自动停机。排气温度高于7 0 。c 。 发动机表面温度高于15 0 。c ；冷却水温度高于9 8 。c ；废气处理箱缺水；机油压力低于 8 0 k p a ；发动机转速高于2 8 0 0 r m i n 。 图2 - 6 为多点安全保护装置工作原理图。 d c l 2 伏电源经带有开关电路的降压稳压器l m 2 5 7 5 稳压后，输出5 v 、l a 的稳定电 压供给单片机a t 8 9 s 5 1 及其它集成块供电。 稳压后的d c 5 v 加至单片机4 4 脚。晶体振荡器为单片机提供了6 m h z 的工作频率， 使单片机工作更稳定，运算速度更快。 模拟信号经c d 4 0 5 1 转换分配到t l c 5 4 9 i p 进行数模转换输送到单片机，开关量信 1 5 太原理工大学硕士研究生学位论文 号经矩阵直接输至单片机，计数信号经光电偶合器p c 8 1 7 转换后送至单片机；单片机 收到检测信号后( 可以是一路或多路) ，即刻在2 4 - 3 0 脚有对应检测位置的灯光报警， 及5 脚的蜂鸣报警，同时单片机内部计时器开始计时6 0 s 时，如果检测信号仍未消失， 则单片机第3 脚输出触发信号，经微型可控硅触发执行机构，自动关断柴油机的燃油， 使之停机。 模拟量用于检测温度，开关量用于检测水位、油压，计数量用于检测转