单轨吊轨道系统设计规范和应用分析

尹伟 秦传雷

前言

随着单轨吊运输系统在煤矿下的成功推广和大范围的普及运用，单轨吊轨道系统也相应的逐步形成和扩大，由于单轨机车是在单轨吊轨道系统中运行，单轨吊轨道系统敷设安装的可靠性和规范化直接决定了整个单轨道运输系统的安全和效率，其地位尤为重要，单轨吊轨道系统的规范化和标准化重要性日益凸显。

本文旨在介绍单轨吊轨道运输系统的设计规范并加以实际应用分析，为煤矿单轨吊系统提供设计规范和标准参考。

一、轨道及吊装件设计要求

1. 单轨吊轨道主要有直轨、弯轨、连接轨和过度轨四种，吊挂轨道规格满足下列要求：

2. 使用符合德国工业标准（DIN20593）的专用钢轨I140E，直轨标准长度3m/2.25m ,宽度68mm，高度155mm，中板厚度7^+0.5mm。

3. 允许单根轨道垂直夹角是3.5°，水平夹角±1°。

4. 弯轨最小水平曲率半径4m，每节弧长不大于2.5m，弧长大于1.6m时，应在其中点设一吊耳。

5. 轨道垂直转弯用直轨完成，最小垂直曲率半径10m。

6. 水平弯轨及轨道与道岔连接处应用法兰连接。

7. 同一线路必须使用同型号单轨，道岔单轨要与线路单轨型号一致，单轨接头间隙不得大于3mm，高低和左右允许偏差分别为2mm和1mm。

8. 吊挂紧固件应使用10.9级高强度M20×115螺栓和M20×95螺栓。

9. 吊挂链环选用GB/T12718-91标准的￠18×64规格的高强度圆环链。

10. 吊挂U型环为生产厂家设计制造专用配件，不可用其他产品替代。

11. 工字钢、U型钢卡具为生产厂家专用配件，不可用其他产品替代。

二、轨道悬挂安装设计要求

1. 轨道吊挂方式由生产厂家设计工程师确定，用户不可擅自更改吊挂方式。

2. 吊挂紧固件、链环、特制卡具及U型环使用前应做不小于150kN集中载荷的抽样试验。

3. 轨道吊挂完毕后，如图一、图二、图三所示：-3°≤α≤3°，80°≤γ≤100°，-1°≤β≤1°，-10mm≤m≤10mm。

 

图一

 

图二

 

图三

4. 单轨直道段，为限制轨道的横向摆动，需沿纵向每隔十组吊点增设一组加强链，两条加强链夹角大于120°，如下图示：

 

水平轨道横拉链图

5. 轨道在坡上安装时，每个轨道用一根斜拉链进行斜拉，每隔4条轨道，沿轨道垂直方向设一横拉链，如下图：

 

坡上轨道斜拉链图

6. 弯轨与弯轨连接、弯轨与直轨连接和弯轨、直轨与道岔连接均为法兰式连接，法兰连接处间隙小于3mm，轨道底最大间隙小于2mm，如下图示：

 

法兰式连接

7. 过度轨为道岔与直轨连接用轨道，此轨根据实际安装情况，确定所需直轨长度，由生产厂家安装人员在用户处加工。

A. 锚杆悬挂

 

双锚杆悬挂

 

单锚杆悬挂

1) 吊挂轨道选用锚杆悬挂时，选用φ22x2500mm高强锚杆，安装轨道前对每根锚杆进行预定54kN锚固力的集中载荷试验。如有特殊地质条件需选用其他型号锚杆。

2) 当采用锚杆悬吊时，要求单根锚杆锚固力大于100kN，锚杆外露长度在100-150 mm之间，巷道中垂线与锚杆夹角小于10°。

3) 要求吊挂轨道的各吊挂点间距偏差不得大于20mm，10组吊挂点间距的累计偏差不得大于50mm。

B. 工字钢架棚悬挂

 

工字钢架棚挂接

1) 采用矿工钢梯形棚支护时，可用顶梁或在顶梁间加小短梁的方式悬挂轨道，其悬吊点做90kN预定集中载荷试验时，顶梁不得产生朔性变形，顶梁与小短梁的连接不得产生松脱或破坏变形，整组支护棚应能可靠支撑围岩压力。

2) 支护棚间应设纵向拉杆，防止支护棚倒伏。

3) 轨道垂直方向偏移角小于3°，水平方向偏移角小于1°。

4) 要求吊挂轨道的各吊挂点间距偏差不得大于20mm，10组吊挂点间距的累计偏差不得大于50mm。

C. U型钢架棚悬挂

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U型钢架棚悬挂

1) 采用U型可压缩性金属架棚支护时，可用架棚顶梁悬挂轨道，在悬吊点做100kN预定集中载荷试验，试验过程中架棚不得失去可缩性和产生朔性变形，应能可靠支撑围岩压力。

2) 支护棚间应设纵向拉杆，防止支护棚倒伏。

3) 轨道垂直方向偏移角小于3°，水平方向偏移角小于1°。

4) 要求吊挂轨道的各吊挂点间距偏差不得大于20mm，10组吊挂点间距的累计偏差不得大于50mm。

三、单轨吊道岔

 

道岔示意图

1. 单轨吊道岔布置在不大于3°的单轨线路段。道岔活动轨的摆角12°。道岔框架设4个悬挂点，每个悬挂点由锚杆锁件悬挂，道岔与外接轨道连接点用法兰连接。

2. 道岔悬吊完毕后，道岔倾角小于3°。

3. 道岔气动控制箱安装于巷道一侧帮上，高度适宜操作即可。

4. 气缸控制管路需固定在巷道帮上，避免外界锐器损伤。

四、应用分析

（一）矿井辅助运输基本概况

1. 矿井辅助运输巷道基本参数特征

天安集团星村煤矿3307工作面运输顺槽总长度1018m，单轨吊运输线路长度为660m，巷道有起伏，局部最大坡度25°，单轨吊运行线路最大坡度15°，巷道沿煤层底板掘进；

3307工作面运煤联络巷长度145m，坡度为11°，巷道两侧有风门，风门间距90m；

3307工作面轨道顺槽与西三采区轨道上山联络巷长度为90m，为平巷；

西翼三采区轨道上山平巷段总长度为758m，单轨吊运行线路长度为415m，中间包括单轨吊换装车场1处，长度60m，为平巷；

3310工作面轨道顺槽联络巷长度为138m，为平巷；

3310工作面轨道顺槽长度为815m，巷道沿煤层底板掘进，平均坡度10°，遇断层时过断层最大坡度为18°。

3310工作面切眼长度为103m。

2. 运输方式选择：柴油动力单轨吊机车，单轨吊运行线路总长度为2426米。

3. 各巷道运输材料设备情况：

3307工作面回撤时支架及辅助设备材料的运输；

3310工作面掘进期间辅助物料及设备运输，工作面安装及撤除时支架等设备的运输，人员运输。

（二）轨道选型及顶板锚固力的计算

1. 轨道选型计算

1) 起吊梁重量为4700kg，机车使用24T起吊梁吊运22吨的综采支架时，承载小车承载力如图所示，8个承载小车中有2个承载力为3468.3kg，有6个承载力为3283.3kg。

 

 

2) 通过计算得出承载小车最大承载力为3468.3kg，根据轨道受力选型图可知重载小车受力3468.3kg，大于2.4m/根轨道受力3350Kg小于2m/根轨道受力单吊点4000Kg，因此选用2m/根的德国工业标准（DIN20593）的专用I140E型新型轻轨，轨道宽69mm，高155mm，腹板厚度为7mm，轨道单点吊挂力最大载荷为50kN。

2. 顶板所需锚固力计算

选用2m/根轻型轨道，根据承载小车受力分析对B点（接头处）进行受力分析如图所示。当3468.3Kg的1个重载小车在一轨道上，2个3283.3kg的轻载小车在一根轨道上时，B点受力最大。

 

承载小车轨道受力分析图

吊挂点B的受力是T1+T2+T3

2T1=3468.3×（2-X）

2T2=3283.3×（X+0.19）

2T3=3283.3×（X-1.62）

其中0≤X≤1.81

T1=3468.3-1734.15X

T2=311.9135+1641.65x

T3=1641.65x-2659.473

B点的受力为T=T1+T2+T3 =1548.85X+1120.7405，0≤X≤1.81，X=1.81时，B点受力最大为3924.159kg，计算时取3倍的安全系数，则吊挂点的最大承受力为3924.159×3=11772.477kg。

轻轨吊挂时采用2根锚杆，考虑到2根锚杆受力时的不均衡，取1.2的系数，则每根锚杆的锚固力要求为1772.477÷2×1.2=7063.4862kg。每根锚杆的计算需要锚固力为7064kg即达到要求。

（三）轨道吊挂方式的选择

1. 直轨吊挂方式。吊挂方式选择双链吊挂方式，吊链铅垂偏角30°-60°之间。吊挂图如图所示，由两根锚杆通过两根吊挂链，通过大吊环把轨道吊起，吊挂链采用Φ18×64。锚杆直径不小于φ20mm，全螺纹锚杆长度不小于2.2m，锚深不小于1.6m，锚固长度不小于0.7m。可根据矿方使用锚杆进行调整。

 

双链吊挂方式

2. 轨道在弯道处吊挂方式，采用三根吊挂链形式，使用吊挂链直接吊挂到锚杆上。

 

 

弯道处轻轨吊挂方式

3. 对于顶板破碎的巷道，可以采用两根锚杆和一根锚索配合使用的方式进行加固。

 

锚杆锚索配合吊挂方式

4. 为防止机车运行过程中，轨道左右摇摆，斜巷每隔30米加一组横拉，平巷段每隔60米加一组横拉。

5. 巷道曲率半径要求

巷道曲率半径要求水平不得小于4m，垂直不得小于10m，但考虑到后期支架的运输要求水平不得小于9m，垂直不得小于12m。

（四）轨道安装过程中出现问题

前期矿方未按公司轨道设计规范进行轨道的安装敷设，出现了一系列问题：

轨道间隙过大并存在折线现象，导致运行时不顺畅、驱动轮磨损严重，道岔安装部分存在轨道不平齐现象，造成了承载小车的损坏，甚至造成了轨道拧变形等现象。

后期经过公司专业人员现场指导安装整改后，问题解决，实现了机车的顺利运行且轨道系统也正常服务于单轨吊运输系统中。

五、总结

单轨吊运输在未引进国内之前，国内关于单轨吊轨道系统的设计、安装、敷设等技术资料空白，专业知识和经验匮乏。有些煤矿没有按照专业技术标准来安装敷设轨道，不仅影响了单轨机车的正常使用，降低了运输效率，甚至造成了拧轨道、掉轨道、机车运行不顺畅等一系列的事故，造成不必要的安全隐患和经济损失。

山东新沙单轨运输装备有限公司作为国内首家制造和引进单轨吊的专业化公司，经过10多年的单轨机车及轨道制造、销售、售后等经验，通过不断地学习德国单轨吊专业理论，以及在国内煤矿井下单轨吊安装实践和服务的经验积累，逐步掌握了单轨吊轨道的设计和安装等技术规范，并参与了《煤矿安全规程》中单轨吊运输部分的编制，公司的专业化技术和理论实践在指导煤矿轨道系统的安装敷设中成绩显著，大大推动了德国煤矿辅助运输先进技术在国内的应用。