第04章矿井轨道运输.ppt

第四章 矿井窄轨铁路运输设备,第一节 概 述 机车是轨道车辆运输的一种牵引设备。按使用的动力分，有电机车和内燃机车。牵引电机(或内燃机)驱动车轮转动，借助车轮与轨面间的摩擦力，使机车在轨道上运行。在这种运行方式下，它的牵引力不仅受牵引电机(或内燃机)功率的限制，还受车轮与轨面间的摩擦制约。机车运输能行驶的坡度有限制，运输轨道坡度一般为3，局部坡度不能超过30。,目前我国煤矿的运输机车基本都是电机车，使用的是直流串激电动机。按供给直流电源的方式分，有架线式和蓄电池式两种。架线式电机车的供电方式如图4-1所示。交流电在变流所整流后，正极接在架空线上，负极接在轨道上。架空线是沿运行轨道上空架设的裸导线，机车上的受电弓与架空线接触，将电流引入车内，经车上的控制器和牵引电动机，再经轨道流回。因此架线式电机车的轨道必须按电流回路的要求接通。,图4-l 架线式电机车的供电系统 1-牵引变流所；2-馈电线；3-架空线；4-受电弓；5-矿车；6-轨道；7-回电线,架线式电机车运行时，受电弓与架空线间难免产生火花，煤矿安全规程规定，只能在低沼气矿井进风（全风压通风）的主要运输巷道内使用，巷道支护必须使用不可燃性材料。蓄电池式电机车由车上携带的蓄电池供电，运输线路不受限制，但需要充电设施，蓄电池放电到规定值时需更换。,蓄电池式电机车有矿用增安型和矿用防爆特殊型两种。增安型的电动机、控制器、灯具、电缆插销等为隔爆型或增安型，蓄电池和电池箱为普通型。防爆特殊型的电动机、控制器灯具、电缆插销等为隔爆型，蓄电池为防爆特殊型。蓄电池式电机车两端设司机室，对安全运行有利。,矿用电机车在井下巷道运输中得到广泛应用，它有下列些优点：牵引力大。机车采用直流串激牵引电动机，该电机特性能使机车获得较大的牵引力。维护费用小。电机车运行速度较高，最高可达26 kmh，而且只用司机一人操作就可以，所需辅助人员少，维护简单，动力消耗不大。可改善劳动条件。电机车运行不受气候的影响，由于采用电力拖动，不会产生废气，避免了空气污染，大大改善了劳动条件，保证了井下工人的安全。,电机车运输的缺点：基建投资较大(架线式电机车要铺设轨道、安架空线、设牵引变流所)；架线式电机车需要有较大的巷道断面，会产生不良的泄漏电流，而蓄电池式电机车蓄电池组成本较高。电机车运输的发展方向：电机车运输高度自动化；使用新型电机车，如德国采用了交流工频架线式电机车；改进矿车结构，使用大容积的矿车。,第二节 矿井轨道与车辆,一、矿井轨道矿井轨道:将钢轨按一定要求固定在线路上构成的，是机车运行的基础件。标准窄轨的结构如图42所示。轨道线路由下部建筑、上部建筑两部分组成。下部建筑主要是巷道底板和水沟，上部建筑是钢轨、联接零件、轨枕和道床。,42 标准窄轨的结构1-钢轨；2-道钉；3-轨枕；4-道床；5-底板；6-水沟,轨道线路的主要参数:轨距、轨型、坡度、曲率半径。轨距是两条钢轨的轨头内缘的间距,如图4-3所示。国内标准轨距有600，762，900mm。(火车标准轨距为1435mm,窄轨为762和1000mm)因为机车能牵引的坡度很小，所以轨道的坡度用高差和间距之比表示，通常用i表示。矿井用的钢轨属轻轨系列，钢轨的型号用每米长的质量(kgm)表示。矿用轻轨系列按YB(T)23-86规定有9，12，15，22，30kgm五种。矿用钢轨不仅要耐磨还要耐腐蚀。,道岔：是轨道线路的分支装置，如图4-4。道岔由基本轨、尖轨、辙叉、护轮轨、转辙轨、转辙机构及一些零件组成。道岔按轨距轨型有标准系列规格。搬动道岔的转辙机构有手动搬道器、弹簧转辙器和电动转辙机。在特定的运行条件下可使用弹簧转辙器。用电动转撤机对道岔可进行远距离操作和监视，现已有定型产品。,主要运输巷道轨道的维修质量必须符合下列要求：(1)更换钢轨时，应选用同类型钢轨；(2)扣件齐全、牢固并与轨型一致，轨道接头的间隙不得大于5mm，高低和左右错差都不得大于2mm；(3)两条钢轨顶面除曲线段外，高低差不得大于5mm；(4)轮距的任何部位上、下偏差都必须在+5mm和-2mm范围之内；,(5)轨枕的规格数量和间距应符合设计要求，轨枕无失效。轨枕之间道碴填实，道床材质及厚度应符合标准。道床应经常清理，无杂物，无浮煤。架线式电机车使用的钢轨接缝处有专门的技术要求。轨道线路的结构完整，规格达标，是列车安全、稳定运行的基础，不能忽视。,二、矿用车辆 矿用车辆有标准窄轨车辆、卡轨车辆、单轨吊挂车辆和无轨机动车辆。标准窄轨车辆就是通常说的矿车。这种矿车是目前我国煤矿使用的主要车辆。(一)矿车的类型及标准规格煤矿使用的矿车类型很多，按结构和用途分有以下几种：,图4-5 矿用车辆(a)固定车箱式,(1)固定车箱式矿车，如图4-5(a)所示，这种车需用翻车机卸车。,(b)翻转车箱式,(2)翻转车箱式矿车，车箱能侧向翻倾卸车。,(c)底卸式,(3)底卸式矿车，车底开启卸车，在专设的卸载站，整列车在运行中逐个开启自卸，如图4-6所示。底卸式矿车按车底开启的方向，有正底卸式和侧底卸式之分，侧底卸式卸车情况如图4-7所示。,图4-6 正底卸式矿车的卸载 1-车箱；2-卸载曲线；3-卸载轮；4-轮对；5-底门转轴；6-底门；7-煤仓,图4-7 侧底卸式矿车在卸载站开启底门,底卸式矿车的主要优点：进卸载站的行车方向不受限制，卸载时的车速易控制，卸载曲轨不受撞击。底卸式矿车装卸能力很高，能满足大型矿井的需要。,图4-8 材料车,(4)材料车，如图所示，专为装运长材料用。,平板车,(5)平板车，如图所示，装运大件设备用。,(6)人车：有座位的专用乘人车。分斜井人车、平巷人车两种。每辆斜井人车上都有防坠装置，在运行中断绳时，能自动平稳地停在轨道上。停车装置有插爪式、抱轨式两种。插爪式斜井人车在运行中断绳时，弹簧-拉杆式开动机构将插爪的锁钩打开，插爪靠其自重下落，插入道床中（如图4-9的虚线位置）。抱轨式斜井人车一般由两节头车和若干辆挂车组成一列，头车上有抱轨式制动装置、开动机构、缓冲装置等（图4-11）。,图4-9 插爪式斜井人车1-车体；2-双轴转向架；3-防坠装置的滑架；4-制动插爪；5-主拉杆；6-手动拉杆；7-传动弹簧；8-制动缓冲木,图4-10 插爪式斜井人车的停车过程,图4-11 抱轨式斜井人车 1-手动操纵装置(一)；2-闭锁装置；3-轨体；4-主拉杆；5-制动装置；6-轮对；7-缓冲装置；8-连接链及碰头；9-手动操纵装置(二)；10-照明灯,(7)梭车，如图4-12所示。车底装有刮板链，是在短距离内运送散料的特殊车辆，可用于掘进工作面运煤矸。工作原理：在工作面向车箱内装满一堆时，开动车底的刮板链，将料堆移动一个距离，继续装车。直到将全车箱装满。装满车箱后，将梭车牵引到转载点，开动刮板链卸载，卸空后牵回工作面再进行装载。(8)仓式列车，它与梭车的相同之处是车底装有刮板链，不同之处是由多节短车箱铰接构成。此外还有各种专用车辆，如炸药车、水车、消防车等。,图4-12 梭车,(二)矿车的基本参数及尺寸 矿车已有国家标准，煤矿矿车基本参数及尺寸列于 表43表46中。三、矿车的基本部件 矿车的基本部件是车箱、车架、轮对、连接器。(一)车箱 车箱是矿车装盛物料的箱形容器。,固定车箱式矿车的车箱多采用半圆形车底，不仅加工方便，还有利于机械化清理车底的粘附物。采用低合金钢板制造车箱，耐磨和耐腐蚀性好。钢板厚度主要是考虑耐腐蚀的要求。为增加箱体的刚度，常在钢板上压出凸棱、箱口焊加角钢，箱底开排水孔。底卸式矿车的车箱为可开启的平底，车箱下口的两侧有翼板，供卸载时支承运行，下口应有足够的刚度，防止变形。,(二)车架 车架包括车梁、缓冲器和轴卡。车梁是矿车的主要承载部件。除了车箱重力和牵引力外，在运行中要承受很大的冲击、振动等附加载荷。车梁一般用专用型钢制造。缓冲器是直接承受牵引和冲击的部件，过去大多采用螺旋弹簧吸收冲击，近来也有用橡胶弹簧的。轴卡是车架与轮对的联接件，目前多采用插销式。这种轴卡结构简单、拆装方便、运行可靠。,(三)轮对轮对是矿车的行走部分，按结构不同，有开式和闭式两种。开式轮对的车轮有端盖，如图4-13(a)所示，便于拆装和调整轴承间隙，但是端盖增加了轴承进水的机会并易丢失。闭式轮对的车轮无端盖，如图4-13(b)所示，检修拆装轴承时，两轴承通过同一内孔，容易造成内孔加大而失效。,(四)连接器 目前矿车使用的连接器都是牵引链型，由牵引链、插销和插销座组成。牵引链有单环，三环和万能链三种。万能链用于不摘钩翻车机卸载。插销座与缓冲器铸成一体。连接器是涉及重大安全问题的部件，煤矿安全规程对连接器有严格的规定。矿车的连接钩环、插销和无极绳运输的连接装置的安全系数都不得小于6。上绳式无极绳运输用的连接装置的安全系数不得小于8。运送人员车辆的每一个连接器、钩环和保险链的安全系数都不得小于13。,第三节 轨道车辆运输的辅助机械设备,轨道车辆运输的辅助机械设备主要有翻车机、推车机、阻车器、爬车机。一、翻车机 翻车机是固定车箱式矿车的卸车设备，如图4-14所示。组成：滚筒、传动轮、支撑轮、定位装置、传动装置、阻车器、底座、挡煤板等主要部件。,图4-14 电动翻车机1-滚筒；2-挡煤板；3-定位装置；4-传动轮；5-底座；6-阻车器；7-支撑轮,分类：按卸车时滚筒的旋转方向，有左侧式和右侧式之分；按卸车时是否需要将车组中的矿车摘钩，有摘钩和不摘钩之分；按滚筒中能容纳的矿车数不同，有单车和双车之分。还可按轨距和矿车吨位划分为不同规格。,二、推车机 推车机是在短距离内推动矿车的设备，分列车推车机和装罐推车机两大类。列车推车机是在翻车机前的推车设备，与翻车机配合进行卸载作业。图4-15所示是已有标准设计的圆环链列车推车机，圆环链上的推爪从底部推动矿车。装罐推车机是向罐笼推送矿车的设备，它的种类很多，按动力分有电动和风动；按推车机构分有钢丝绳式、链式及其他。各种推车机各有其特点和适用条件。,图4-15 圆环链列车推车机1-传动装置；2-头轮组；3-头轮支架；4-推爪小车；5-小车轨道；6-尾部拉紧装置,三、阻车器 阻车器是窄轨线路上的停车装置，用于翻车机之前或翻车机之内、罐笼前或罐笼内、斜井井口及其他需要的场所。阻车器有许多种形式，各适用于不同场所的需要。翻车机内的阻车器见图4-14。,四、爬车机 爬车机是在矿车自重滑行线路上，用于补偿线路的高度损失，使矿车升上一定高度的设备。图4-16所示是PH型圆环链爬车机。圆环链连续循环运转，单个矿车滑行到爬车机下部进口处，被圆环链上的爬车爪推动，沿导轨向上运行，到爬车机的上端，矿车在下坡轨道上靠自重滑行，脱离爬车机。为防止因事故向下跑车，在爬车机斜坡上较密集地设置了长爪逆止器，逆止器既能阻挡轮轴，又能阻挡缓冲器，从而保证了安全。,图4-16 PH型圆环爬车机1-传动装量；2-导向轮；3-圆环链；4-爬车爪；5-联接环；8-长爪逆止器；7-尾轮裴置；8-护轨；10-主横粱,第四节 矿用电机车的机械设备及电气设备,一、矿用电机车的机械设备 机械设备：车架、轮对、轴承和轴箱、弹簧托架、制动装置、加砂装置、齿轮传动装置及联接缓冲装置等。如图4-17所示为ZK型矿用架线电机车构造示意图。,图4-17 架线式电机车的基本构式1-车架；2-轴承箱；3-轮对；4-制动手轮；5-砂箱；6-牵引电动机；7-控制器；8-自动开关；9-启动电阻器；10-受电弓；11-车灯；12-缓冲器及联接器,(一)车架 车架是电机车的主体结构，是由钢板焊接而成的。电机车上所有设备都安装在车架上，车架用弹簧托架和铁棒支承在轴箱上。(二)轮对 轮对是由两个压装在轴上的车轮和一根车轴组成的。如图4-18所示，车轮是由轮心2和轮圈3热压装配而成的。这种结构的优点是轮圈磨损后可以更换，而不致使整个车轮报废。矿用电机车采用双主动轴。,(三)轴承和轴箱 车轴通过轴承和轴箱承受车架及其上全部设备的重力，轴箱安装在车轴两端的轴颈上。图4-19所示为矿用电机车的轴箱，箱内装有一对滚柱轴承4，箱壳两侧的滑槽9与车架相配，在不平的轨道上运行时，轮轴能在车架中上下移动。轴箱上部有弹簧托架，此弹簧托架可起缓冲作用。在箱壳上部有安装弹簧托架铁棒的座孔8。,图419 矿用电机车的轴箱1-油箱体；2-毡垫；3-止推环；4-滚柱轴承；5-止推盖；6-轴箱端盖；7-轴端盖；8-注孔；9-滑槽,(四)弹簧托架 弹簧托架的作用：缓和运行中对机车的冲击和震动。图4-20所示为矿用电机车的均衡托架，前轴(右轴)上的弹簧托架单独作用，后轴(左轴)上的弹簧托架的一端固定在车架上，另一端用均衡梁2连接，均衡梁2的中点用铰轴安在车架上。均衡梁的作用是：当有一个车轮的负荷增加时(例如轨道局部突起)，能通过均衡梁的作用把负荷分配到另一个车轮上去一部分，以避免一个车轮过载，一个车轮欠载。,(五)制动装置 作用：在运行中迅速减速和停车。制动装置有机械的和电气的两种，电气制动装置不能使电机车完全停住，因此每台电机车都装有机械制动装置。机械制动装置按操作方式分有手动和气动两种。图4-21所示为电机车机械制动装置图，四个车轮的内侧各装一个闸瓦9(或10)，闸瓦铰接在制动杆7或8上。,图4-21 电机车机械制动装置 1-手轮；2-螺杆；3-衬套；4-螺母；5-均衡杆；6-拉杆；7、8-制动杆；9、10-闸瓦；11-正反扣调整螺丝,(六)加砂装置 作用：向机车车轮前的钢轨上撒砂，以增大粘着系数。加砂装置包括有四个砂箱，这四个砂箱由司机室中上、下两个手柄操纵，一个手柄操纵两个砂箱。两个手柄均靠弹簧复位，如图4-22所示。当拉动一个手柄时，手柄臂将拉杆1向左拉，于是摇臂2将拉杆3向上提，锥体4向上与砂箱底之间拉开一条缝，砂子由此缝流出，经出砂导管5落在轨面上。砂箱中装有颗粒不大于1mm的干砂。,图4-22 矿用电机车的加砂装置1、3-拉霜；2-摇臂；4-锥体；5-出砂导管；6-弹簧,(七)齿轮传动装置 在小型矿用电机车上，用一台牵引电动机通过传动齿轮同时带动两个轴的传动方式。在中型矿用电机车上，用两台牵引电动机分别带动两个轴。传动装置为一级齿轮减速。如图4-23所示，牵引电动机的一侧用抱轴承安在车轴上，另一侧用机壳上的挂耳通过弹簧吊挂在车架上。这种安装方式既能缓和运行中对电动机的冲击和震动，又能保证传动齿轮处于正常啮合状态。,图4-23 矿用电机车的齿轮转动装置(a)单级开式齿轮传动；(b)闭式齿轮减速箱,(八)联接缓冲装置 矿用电机车的前后两端都有联接和缓冲装置。为了能牵引具有不同联接高度的矿车，联接装置一般是做成多层接口的，如图4-16所示。缓冲装置有刚性和弹性两种，蓄电池式电机车用弹性缓冲装置，以减轻对蓄电池的冲击，架线式电机车用刚性缓冲装置。,二、牵引电动机及其控制(一)直流串激电动机的特性 目前矿用电机车都采用直流串激电动机作牵引电动机，与其他激磁方式的直流电动机比较，直流串激电动机的优点：(1)串激电动机启动时，能以不大的电流获得较大的启动转矩，因而在要求相同的启动转矩条件下，可采用较小功率的电动机。,(2)串激电动机的转矩和旋转速度随着列车运行阻力及行驶条件而自动地进行调节。这种特点是由于串激电动机具有软的牵引特性(见图4-24)所决定的。当电机车上坡行驶或负荷较大时，需要较大的牵引力，随着牵引力的增大，电动机的转速会自动地降低。这样，既保证了运行安全，又不致从电网吸取过大的功率。,(3)两台串激电动机并联工作时，负荷分配比较均匀。由于两台电动机特性有差异或前后车轮直径不相等，两台电动机的转速不等，会引起各电动机负荷电流不相同，但由于其牵引特性较软，因而负荷电流差异很小，约在510范围内。这样，可以避免个别电动机在运转中因负荷不均匀而产生严重过负荷现象。(4)当架空电网的电压变动时，只影响串激电动机的转速，而不影响其转矩。这样，就使得当架空电网的电压降很大时，电机车也能启动。,此外，串激电动机构造简单、体积和质量都较小，也是其重要的优点。但是，串激电动机也有缺点，如调整性能差等。,牵引电动机的特性：指运行速度v,轮缘牵引力F以及效率与电枢电流之间的关系，即速度特性=f1(I)，牵引力特性F=f2(I)及效率特性=f3(I)，这些特性均用曲线表示。图4-24及图4-25分别为ZQ-21型及ZQ-24型牵引电动机的特性曲线。牵引电动机的功率分长时功率和小时功率。长时功率：指在电机绝缘材料的允许温升条件下电机长时运转时能够输出的最大功率，主要取决于电机的散热能力。,小时功率：指在允许温升条件下，电机连续运转一小时的最大功率，它是牵引电动机的额定功率，它主要取决于电机的绝缘材料和冷却性能的好坏。与功率相对应的电流牵引力和转速也有长时制和小时制之分。,(二)牵引电动机的启动 1.启动原理 牵引电动机在静止时电枢绕组内没有反电势，而绕组本身电阻又很小，因此，如果在启动时把牵引电动机直接接至全电压电网，则在静止的电动机各绕组中通过的电流很大，会引起绕组很快发热甚至烧毁。此外，还会产生很大的转矩，引起机械部分的损坏。为了限制启动时的电流冲击，并保持一定的电流数值，普遍采用在牵引电动机的电路中串接启动电阻和将两台牵引电动机串并联的方法进行启动。,2启动方法(1)串接电阻的启动方法。若已知允许的启动电流，并测出电动机绕组的电阻值，便可以确定启动电阻值。但是，随着电动机旋转速度的增加，若启动电阻固定不变，则电枢电流将减小，电机车的牵引力也随之减小。为了保持牵引力不变，必须相应地减小启动电阻值。显然，理想的启动应是使启动电阻的数值无级地减小，也就是说要保证每瞬间的启动电流固定不变。但实际上要使启动电阻无级地减小，其控制是比较困难和复杂的。解决这个问题的方法，是将可控硅脉冲技术用在电机车上，以实现无级调速和平稳启动。,(2)串并联启动方法。矿用电机车还采用了两台牵引电动机串并联启动的方法。开始启动时，第一步先将两台电动机串联，并加入启动电阻RP如图4-26所示，然后逐段切除电阻，直至RP=0。第二步是将两台电动机并联，加入适当的电阻Rp。然后逐段切除，直至两台电动机不带电阻并联运行，这时电机车即达到全速运行。,(三)牵引电动机的调速1改变电动机的端电压(1)串联电阻法。电路内串联接入一个电阻，通过改变此电阻的数值来调节电动机的端电压。但是这个方法很不经济，因为在电阻器中将消耗大量的电能，所以电阻器实际上只能作为启动之用，而不应该用来调速。(2)串并联法。改变两台牵引电动机的联接方式(串并联法)是一种经济的调速方法，但选种调速方法平滑性较差。因为矿用电机车对调速的要求不高，一般正常运行为并联(高速)，过道岔及弯道时为串联(低速)。,(3)可控硅脉冲调速法。在牵引电动机的电路中串联可控硅元件，利用可控硅断续供电改变电动机端电压的平均值，以达到调速的目的。2.改变电动机的磁场强度 单电机小型矿用电机车采用这种方法。(1)改变激磁绕组的匝数。为了改变激磁绕组的匝数，需要把激磁绕组分为两组，如图4-27(a)，当两组激磁绕组全部接入主电路时，磁场强度最大，电动机旋转速度最低。当只有一组激磁绕组接入主电路时，由于激磁绕组的匝数减少，因此，磁场被削弱，电动机旋转速度增高。,(2)改变激磁绕组的接线。改变激磁绕组的连接方式，如图4-27(b)所示。串联时为满磁场，电动机旋转速度最低。激磁绕组并联时将削弱磁场，电动机旋转速度增高。这种方法的优点是经济性和平滑性好。但调速范围有一定的限制。,(四)电气制动 矿用电机车的电气制动大多数是采用动力制动，或称能耗制动。原理：根据牵引电动机在一定工作条件下可以转变为发电机运转的可逆性。当牵引电动机转变为发电机工作时，列车的动能转变为电能，这时，电流将转变为相反的方向，使电动机轴上产生制动力。在进行电气制动的过程中，将产生的电能直接消耗在电阻器上。,动力制动的优点：不从电网吸取电能，线路比较简单，同时产生的机械冲击也不大。缺点：制动过程中，电动机中有电流通过，因此电机绕组的温升要增大，故牵引电动机的功率比不用动力制动者增加1520。此外，采用动力制动不能达到完全停车，还需使用闸瓦制动。,要实现动力制动必须解决两个问题：一是制动前后串激磁场中的电流方向不能改变，否则会产生去磁作用而失去制动力；二是在制动时两台电动机均变成串激发电机，其负荷为同一个制动电阻器，相当于两台串激发电机并联运行，而串激发电机的并联运行是不稳定的。为了解决上述两个问题，必须采用两台电机的激磁绕阻交叉联接线路或交叉一桥式联接线路。目前ZK型架线式电机车的电气制动线路都是采用交叉一桥式联接线路。,