煤炭索道运输方案及液压系统设计方法
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摘要：文章介绍了使用在复杂地形煤炭运输的双向索道运输系统整体方案，通过计算其钢丝绳、卷筒及减速器的主要参数，阐述了运输系统的组成和工作原理，并根据运输系统的技术要求，确定了系统主要元件的技术参数后设计出了液压系统回路。将此技术应用到煤炭运输系统中，适应了恶劣的地形环境，且结构简单、自动化程度高，大大提高了运输效率，具有良好的推广应用价值。
关键词：煤炭运输；复杂地形；双向索道；液压系统；运输效率
在煤炭运输行业中，常常把带式运输机、刮板输送机及斗式提升机用于中短距离运输中，这几种运输方式都有各自的优缺点，有的省时，有的省力，但在煤炭运输中因为运输环境的改变而频繁改变相应的运输方式，在实际运用中很难很好地利用。索道运输爬坡能力好，能够跨越山川河流，对自然的适应性强，而且能够实现最短距离的空中运输方式，具有经济、节能、高效和对环境破坏小等优点，适用于中小产量煤矿且地形复杂的中短距离运输货物。
1系统工作原理及组成
根据系统设计人员现场考察需要，设计出符合实际运输过程的双向索道煤炭运输系统。该系统主要由两辆运输的小车和两条承重钢丝绳组成。在安装时，将两条承重钢丝绳分别安装在运输地点一高一低两处位置，并将两辆小车分别悬挂于左右两条钢丝绳上。运输牵引钢丝绳为运输过程提供动力，钢丝绳的牵引力则由液压马达驱动下的卷扬机提供。提供动力的钢丝绳需要与提供牵引力的双卷筒卷扬机上的绕线相反，这样便能让旋转起来的卷筒带动牵引钢丝绳将满载煤炭的运输车运输到高处（装货点），同时，空载的另一辆小车到达低处（装货点），让装货过程能够顺利完成。等待装货过程全部完成后，调整液压马达运转方向，使其由正转运行方向变为反转运行方向，驱动空载下车顺利到达高出，满载小车此时到达空载下车原本位置，反复进行这一过程，便能让运输煤炭任务不停歇地高速运行。从而避免了液压马达会存在空转的情况，减少了马达的维修率，能够在不增加成本的情况下将运输效率提高1倍，优势显著。
2主要参数确定及技术要求
2.1实地确定主要参数
设计人员到达煤炭运输实际现场考察，经过详细考察，运输煤炭的单个小车在装满货物的情况下，总质量应在2.1t，其中，煤炭占总质量的1.5t，小车质量为0.35t。，在初始设计中，小车的运行速度为v=1.2m/s，需要爬坡45°，为使系统安全平稳，小车设计时带有自动卸货功能。
2.2技术要求
（1）惯性力计算过程。分析满载小车的运输过程(分析图见图1)，提供牵引力的卷筒需要在小车的启动过程中克服装满货物小车的重力和小车产生的静摩擦力Fs与启动惯性Fm的总数值，根据提供牵引钢丝绳与卷筒连接处的受力大小情况，可以分析出小车在装满货物情况下的重力分力应为：F1=m1gcos45°≈15kN，此公式中，kg；g为重力加速度，公式中，用m1代表小车在装满货物时的总质量，N的范围则为日常定义的9.8kg。根据牛顿第二力学中的原理，一个质量较大的物体从静止状态变为快速运动状态需要经过3个过程，启动、加速、快速运动这三个过程缺一不可，这样才能减少运动过程产生的摩擦力对速度的影响。此时，装满货物的小车运行速度为1.2m/s，根据公式计算，小车在3个过程中的速度变化则应该为Δv=0.4m/s，取10次考察加速度平均值为0.3s，计算惯性力则应该为2kN。（2）卷扬机运用功率计算。因为牵引用的钢丝绳与金属滑轮都为金属，因此，摩擦可分为静摩擦和动摩擦两部分。静摩擦力的计算公式为：Fs=fsF2=0.3kN，动摩擦力的计算公式应为Fd=fdF2=0.18kN。式中，Fs为静摩擦因数，将其取值为0.2；Fd为动摩擦因数，将其取值为0.12；F2为重力作用于承重钢丝绳上的分力，根据以上公式计算，取值应在15kN，卷筒需要的最小牵引力则应为17.3kN。选用承重钢丝绳的型号为1x37型号，其最小破断系数为0.49，抗拉强度为155MPa，标准直径为15.5mm。根据以上条件，可以计算出卷筒的标准直径应为450mm。确定好卷筒直径后，对卷筒的转速进行计算，根据上面确定的主要参数，可以得到卷筒在满载时的线速度为1.2m/s，因此卷扬机在全速运行时的转速应为51r/min，初步估算卷扬机的总功率在25.9kW。
3如何计算液压系统的运行参数
根据上面公式中计算出的卷扬机运行总功率，我们选择现在市场中符合其运行功率，又较为经济实惠的国产马达型号CM-E105C，此马达的运行参数为：排量105.5ml/r，压力额定为10MPa，最高工作压力为14MPa，输出最大转矩为167N•m，最高转速为1900r/min。根据以上参数可以确定液压系统卷筒的总效率应为0.9，卷扬率应为19.2kN。由于双向索道运输系统在运行过程中，总有一辆运输小车为装满货物的情况，另外一辆为什么都没载的情况，因此，提供牵引力的卷筒功率数值主要是由装满货物的小车决定的，空车运行小车在总系统中起到一个配重的作用，由于两车数值的差别较大，且在公式中影响较小，因此，我们在计算液压系统参数时忽略掉空载小车的配重影响。
4液压系统如何设计回路
根据以上我们采购的国产马达运行原件参数和卷扬机的牵引力参数，我们设计出的液压系统如图2所示。液压系统在工作中起到的作用主要是提供保障两辆运输货物小车的安全功能。小车的安全功能由静止紧锁功能和液压缸供油两个功能系统组成，通过液压缸连接运输小车，使小车在运输过程带着车门开启关闭功能的液压缸运行，到达货物卸货地点启动液压缸进行自动卸货。液压系统能够控制卷扬机的运转速度。该液压系统设计带有两个不同功率的调速阀门。通过阀门可以控制液压马达的运转流量，从而控制卷扬机速度，让卷扬机的从启动到加速的3个过程都可控且安全。
5液压系统安全及节能设计
为了保障运输过程的绝对安全，使卷扬机在断电等一切意外情况发生时，停止运转导致运输小车下滑，液压马达的前段进油口配备有平衡阀，充分保障了运输小车在断电时的安全性。为了达成节省能源的目标，我们还在液压系统回路设计中配备能为运输小车运输泵卸载的先导式溢流阀，充分减少了小车卸货时的动能消耗，节省了能量。
6结语
本文实际考察了中小型煤炭运输现场的运输环境，充分结合了实际运输过程中常遇到的爬坡、过河环境造成运输困难费时费力地影响设计出了双向索道运输系统。相比以往的带式运输和刮板运输方式，双向索道运输不仅具有运用环境复杂多变的优点，还能有效地减少能源的浪费，并且由于双向运输的原因，提升了煤炭运输的效率。但旧的液压系统无法满足双向运输系统的参数要求，我们设计了符合双向运输系统参数的液压系统。本文通过设计人员的实地考察，详细写出了运输双向系统的参数求出过程，并根据计算出的参数，设计出了用于双向煤炭索道运输中的液压系统。将液压系统运用到双向煤炭索道运输系统中，不仅操作简单，而且在停电等特殊情况下也能保证系统的安全性，且自动化程度高，能够适应煤炭运输常遇到的恶劣复杂地形，并且由于系统不浪费能源，反复的工作模式，充分提高了煤炭的运输效率，值得在煤炭运输行业中推广运用。
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作者：吕长兴 任宪格 单位：山东省煤田地质局第二勘探队
