矿用重载单轨吊转向力学特性分析及驱动性能优化

黄志祥; 邓海顺; 郑浩; 王国荣; 叶庆春

doi:10.12404/j.issn.1671-1815.2505279

科学技术与工程 ›› 2026, Vol. 26 ›› Issue (19) :8160-8167 DOI: 10.12404/j.issn.1671-1815.2505279

矿冶工程

矿用重载单轨吊转向力学特性分析及驱动性能优化

黄志祥 ¹^,² ,
邓海顺 ¹^,²^,^* ,
郑浩 ¹ ,
王国荣 ¹ ,
叶庆春 ¹

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Steering Mechanical Characteristics and Optimization of Driving Performance for Mine-used Heavy-duty Monorail Cranes

HUANG Zhi-xiang ¹^,² ,
DENG Hai-shun ¹^,²^,^* ,
ZHENG Hao ¹ ,
WANG Guo-rong ¹ ,
YE Qing-chun ¹

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摘要

为了研究矿用单轨吊在转向变轨过程中撇轨,造成轨道折弯设备脱落的问题,通过分析传统单轨吊驱动单元串联的驱动方式和结构参数对轨道的影响,提出一种重载跨越式单轨吊混合驱动方法。以井下10驱单轨吊为研究对象,构建了单轨吊重载多工况“直-弯”变轨力学模型,探讨了串联单元变轨过程中,转弯半径与相邻串联驱动单元距离对弯轨受到侧向力的影响,进而确定跨越式混合驱动方式。结果表明:跨越式混合驱动有效地改善了串联驱动引起的集中应力过高的弊端,单轨吊机车配置和负载总质量为40~60 t,在转弯半径为4~10 m的轨道上运行时,混合驱动出现的最大侧向力相比优化前,分别降低了15.43%、26.19%、35.94%和44.28%,随着轨道转弯半径的增大,改善效果越明显。可见,所提出的跨越式混合驱动方法能显著降低单轨吊在重载转向时对轨道的侧向力,为解决轨道损伤问题、提升运输可靠性与安全性提供了有效的理论依据和技术方案。

Abstract

To investigate the problem of track shedding in mine-used monorail crane which can lead to the detachment of track-bending equipment during turning and track-changing operations the effects of the traditional series-connected drive type and structural parameters of monorail hoist drive units on the track was analyzed. Based on this analysis, a heavy-load leapfrog hybrid drive method for monorail hoists was proposed. Using an underground monorail hoist equipped with ten drive units as the research subject, a heavy-load, multi-condition “straight-bend” mechanical model was established for track-changing behavior. The influence of turning radius and the spacing between adjacent series drive units on the lateral forces exerted on curved tracks during the track-changing process was examined, and an optimal leapfrog hybrid drive configuration was subsequently determined. The results indicate that the leapfrog hybrid drive effectively mitigates the excessive concentrated stress inherent in traditional series drives. When the monorail crane car carries a total load of 40~60 t and operates on tracks with turning radii of 4~10 m, the maximum lateral forces generated under the hybrid drive are significantly reduced compared with those prior to optimization by 15.43%, 26.19%, 35.94%, and 44.28%, respectively. Moreover, the improvement becomes more pronounced as the track’s turning radius increases. The findings demonstrate that the proposed leapfrog hybrid drive method can significantly reduce the lateral forces exerted on the track by the monorail hoist during heavy-load turning, thereby providing a sound theoretical basis and a practical technical solution for mitigating track damage and enhancing transportation reliability and safety.

Graphical abstract

关键词

矿用单轨吊 / 变轨 / 驱动方式 / 重载 / 侧向力

Key words

mine-used monorail crane / track-changing / drive type / heavy-load / lateral force

引用本文

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黄志祥, 邓海顺, 郑浩, 王国荣, 叶庆春. 矿用重载单轨吊转向力学特性分析及驱动性能优化[J]. 科学技术与工程, 2026, 26(19): 8160-8167 DOI:10.12404/j.issn.1671-1815.2505279

HUANG Zhi-xiang, DENG Hai-shun, ZHENG Hao, WANG Guo-rong, YE Qing-chun. Steering Mechanical Characteristics and Optimization of Driving Performance for Mine-used Heavy-duty Monorail Cranes[J]. Science Technology and Engineering, 2026, 26(19): 8160-8167 DOI:10.12404/j.issn.1671-1815.2505279

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随着社会快速发展而带来的对能源的大量需求,中国作为全球最大的煤炭生产国和消费国,煤矿安全生产始终是国家能源战略的重中之重^[1-3]。近年来,随着浅层煤炭资源的枯竭,煤矿开采深度不断增加,井下巷道环境愈发复杂(如长距离、大坡度、多弯道),对辅助运输系统的效率和可靠性提出了极高要求^[4-5]。矿用单轨吊车作为井下物料与人员运输的关键装备,其技术水平直接关系到煤矿的生产效率与安全水平^[6-8]。行业报告显示,中国矿用单轨吊市场已形成相当规模,并在智能化、重型化方向快速发展^[9]。国家相关部门亦相继出台政策,鼓励研发安全、高效、智能的矿山辅助运输装备,以支撑煤矿的智能化建设与安全高效开采^[10]。然而,尽管单轨吊技术取得了长足进步,但在重载工况下,尤其是通过弯道和道岔时,由驱动方式引发的轨道损伤与失效问题仍未得到根本解决,成为制约其运输效率和安全性进一步提升的技术因素^[11-12]。因此,深入研究单轨吊的转向力学特性并优化其驱动性能,对保障中国煤矿辅助运输系统安全、推动行业技术升级具有紧迫的现实意义。

为提高单轨吊的运行可靠性,相关研究主要集中在动力分配、驱动控制、算法优化等方面。丁剑^[13]分析了设备在大倾角行车轨道失效的原因,提出了驱动部分布方案与驱动力分配。Lu 等^[14]对单轨吊驱动系统的动态特性进行分析,确定了重载、陡坡工况下合适的启动加速度,并评估了重载陡坡工况下单轨吊驱动系统的可靠性。

$\stackrel{\mathit{\text{'}}}{\mathrm{S}}$

wider 等^[15-16]为提高车载人员和矿山基础设施的安全以及单轨吊使用效率,制定了单轨吊行驶速度及制动策略。刘泽朝等^[17-18]提出了单轨吊安全性能关键参数识别方法,通过对安全性能关键参数的实时精准获取,保障其安全性能。Gutarevich 等^[19]采用悬吊上方嵌入弹性装置,降低悬挂式单轨的振动幅度,从而降低动载荷对轨道影响。凌疆语^[20]通过构建基于YOLOv5( you only look once version 5)与SGBM(semi-global block matching)算法的视觉感知系统,研究了单轨吊在多种工况下对前方障碍物的识别、测距及自动制动控制策略,并通过仿真与实验验证了所提方法的有效性。

以上研究是在直行轨道的基础上对单轨吊进行了多方面的优化,有关单轨吊变轨过程的相关研究鲜见报道,而单轨吊在变轨过程中力学特性相比直轨运行更为复杂,易形成集中力导致轨道断裂失效。鉴于此,根据煤矿井下出现的轨道连接处脱落或轨道折弯等撇轨问题,分析单轨吊重载转向出现轨道失效的原因,并建立单轨吊系统模型,找出影响单轨吊重载转弯的因素;从单轨吊的驱动部分布方式出发,提出一种重载跨越式单轨吊混合驱动方式,并对比优化前后驱动方式对轨道的影响,验证混合驱动方式的合理性,为提高单轨吊重载连续化运输可靠性提供理论依据。

1 单轨吊转向撇轨分析

驱动部为单轨吊的动力单元,驱动轮夹紧轨道腹板产生摩擦力为系统提供牵引力,使设备在悬挂于支架上的单轨上行驶^[6,21]。两淮地区煤矿以深井矿为主,实际矿井应用中,特别是在一些采用重型单轨吊进行液压支架等大吨位设备运输的矿区,单轨吊在弯道变轨时出现“撇轨”现象。单轨吊采用驱动部液压系统并联的方式,确保驱动部同步前进,驱动部之间利用拉杆首尾机械结构串联,以满足液压驱动和结构连接的要求。当单轨吊由左向右行驶时,起吊梁右侧驱动组提供拉力,起吊梁左侧驱动组提供推力,反之,起吊梁右侧驱动组提供推力。各驱动部的驱动力通过拉杆有效传递到起吊梁处,以满足驱动力要求。当满载的单轨吊机车组驶入半径较小的弯道时,提供推力的驱动单元对轨道产生巨大的集中侧向力,导致轨道连接处断裂或轨道腹板发生塑性弯曲,甚至引发轨道脱落事故,如图1所示。单轨吊轨道折弯失效不仅造成运输中断,更对井下作业安全构成严重威胁。单轨吊运行过程中,拉杆通过驱动部对轨道产生一个侧向力,该力会在推力一侧累加,从而对轨道产生较大的扭矩。当单轨吊重载运行时,驱动力较大,转向时导致更大的侧向力产生,从而加剧了脱轨风险。单轨吊出现事故多为起吊梁下方提供推力的第一驱动部附近轨道脱落,这与上述工程实例相符。

2 单轨吊力学模型建立

通过对现有单轨吊重载转向运输出现的撇轨分析可知,需改善原有串联结构的动力传动方式,降低侧向力对轨道的影响,由此提出一种重载跨越式单轨吊混合驱动方式,并建立系统力学模型。

2.1 混合驱动单轨吊结构模型

重载跨越式混合驱动模型如图2所示,将靠近起吊梁的驱动部结构上串联形成驱动组一,承载车跨越驱动组一与远离起吊梁的驱动部串联形成驱动组二,将两部分驱动组并联,形成重载单轨吊跨越式混合驱动组。混合驱动组采用减少串联驱动部的数目,降低串联驱动组提供推力侧的集中应力。

2.2 单轨吊整体受力分析

单轨吊在轨道上运行需克服摩擦阻力的影响,还需要考虑负载和坡度对机车拖曳力的影响^[17,22],单轨吊在负载时的受力示意图,如图3所示。

不考虑单轨吊运行过程中变形阻力、空气阻力等因素,单轨吊总牵引力F为

(1)F=F_γ+F_a+F_f

单轨吊在有坡度的巷道中需要克服的下滑阻力F_γ为

(2)F_γ=Mgsinγ

式(2)中:M为机车配置和负载总质量,kg;γ为巷道倾角,(°);g为重力加速度,m/s²。

单轨吊在变速运动中需要克服的惯性力F_a为

(3)F_a=Mηv'

(4)η=1+$\frac{4\mathit{J}\mathrm{g}}{{\mathit{r}}_{1}^{2}\mathit{M}}$

(5)J=$\frac{{\mathit{m}}_{\mathrm{l}}{\mathit{r}}_{1}^{2}}{2}$

式中:η为惯性系数;v' 为单轨吊加速度,m/s²;J为每个承载轮对轴的转动惯量;r₁为承载轮的半径,m;m₁为承载轮质量,kg。

单轨吊在运行中的摩擦阻力F_f为

(6)F_f=μMgcosγ

式(6)中:μ为单轨吊运行摩擦系数。

将式(2)~式(6)代入式(1)得

(7)F=M

$\left[\mathit{g}\mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}\mathit{\gamma }+\left(1+\frac{2{\mathit{m}}_{\mathit{l}}\mathit{g}}{\mathit{M}{\mathit{r}}_{1}^{2}}\right)\stackrel{·}{\mathit{v}}+\mathit{\mu }\mathit{g}\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}\mathit{\gamma }\right]$

2.3 串联驱动单轨吊力学模型

根据煤炭行业的单轨吊轨道安装标准,采用专用轨道,并结合单轨吊自身尺寸,将第一节弯轨右端切线方向,即直轨的轴向设为x轴方向,建立坐标系,串联驱动单轨吊转弯工况力学模型如图4所示。

以第一驱动部进入第一节弯轨为例,轨道分别受到来自两端、中间吊耳、驱动部的力。第一节弯轨右端受到道岔轨道的力分解为f_1x、f_1y;吊耳受到的力分解为f_2x、f_2y;来自左端弯轨的力分解为f_3x、f_3y;以及受到来自起吊梁下方各驱动部的力,即f_iq,其沿坐标系分解为f_iqx、f_iqy。

当所分析的驱动部在第一节弯轨上运行,后方驱动部在直道上运行时,该驱动部受到由左向右的阻力f₄,与x轴之间形成的夹角为α_i,由右向左的推力f₅,与x轴之间形成的夹角为θ_i,轨道对驱动部的力f_g1,以及驱动部受到的合力f_h1指向圆心,与y轴之间形成的夹角为ε_i,相邻单元之间的夹角为β(右侧驱动单元与左侧驱动单元沿轨道切向形成的夹角),如图5所示。

根据图4、图5可得α_i、θ_i、ε_i与驱动部在弯轨上运行的弧长l₁之间的关系为

(8)$\left\{\begin{array}{l}\alpha_i=\frac{l_1-(4-j) l_3}{R}+\arcsin \frac{l_2}{2 R} \\ \theta_i=\arcsin \frac{R-R \cos \left[\frac{l_1-(4-j) l_3}{R}\right]}{l_2} \\ \varepsilon_i=\frac{l_1-(4-j) l_3}{R}\end{array}\right.$

式(8)中:i为起吊梁下方第i个驱动部,i依次取1、2、3、4、5;j为第i个驱动部下方驱动单元的个数,j依次取4、3、2、1、0;R为弯轨转弯半径,m;l₂为串联驱动单元之间的直线距离,m;l₃为串联驱动部之间的弧线距离,m。

根据图4、图5得出所分析驱动部在弯轨上的运行时对轨道的力为

(9)$\left[\begin{array}{c}f_{i q x} \\ f_{i q y}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}\cos \alpha_i & \sin \alpha_i \\ \cos \theta_i & \sin \theta_i \\ \sin \varepsilon_i & -\cos \varepsilon_i\end{array}\right]^{\mathrm{T}}\left[\begin{array}{c}(j+1) f \\ -j f \\ m_{\mathrm{q}} v^2 / R\end{array}\right]$

式(9)中:f 为单个驱动部提供的驱动力;m_q为单个驱动部质量,kg;v为单轨吊行车速度,m/s²。

2.4 混合驱动单轨吊力学模型

混合驱动单轨吊区别于串联驱动单轨吊,在起吊梁下方第一、第二驱动部之间增设承载车,起吊梁、承载车、第三驱动部之间采用回形拉杆连接。轨道受到承载小车的力 f_c 沿坐标系分解为f_cx、f_cy,以及受到来自起吊梁下方各驱动部的力,即f_iq,其沿坐标系分解为f_iqx、f_iqy,混合驱动单轨吊转弯工况力学模型如图6所示。

当承载车在弯轨上运行时,该承载车受到来自左向右的阻力f₆,与x轴之间形成的夹角为ϕ₁,右向左的推力f₇,与x轴之间形成的夹角为ϕ₂,轨道对承载车的力f_g2,以及承载车受到的合力f_h2指向圆心,与y轴之间形成的夹角为ϕ₃,如图7所示。

根据图6、图7可得ϕ₁、ϕ₂、ϕ₃与承载车在弯轨上运行状态之间的关系为

(10)

$\left\{\begin{array}{l}{\mathit{\varphi }}_{1}=\frac{{\mathit{l}}_{4}-{\mathit{l}}_{5}}{\mathit{R}}+\mathrm{a}\mathrm{r}\mathrm{c}\mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}\frac{{\mathit{l}}_{6}}{2\mathit{R}}\\ {\mathit{\varphi }}_{2}=\mathrm{a}\mathrm{r}\mathrm{c}\mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}\frac{\mathit{R}-\mathit{R}\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}\left(\frac{{\mathit{l}}_{4}-{\mathit{l}}_{5}}{\mathit{R}}\right)}{{\mathit{l}}_{7}}\\ {\mathit{\varphi }}_{3}=\frac{{\mathit{l}}_{4}-{\mathit{l}}_{5}}{\mathit{R}}\end{array}\right.$

式(10)中:l₄为起吊梁与承载车之间的弧线距离,m;l₅为承载车与轨道弯轨右端之间的弧线距离,m;l₆为起吊梁与承载车之间的直线距离,m;l₇为承载车与第三台驱动部之间的直线距离,m。

根据图6、图7得出承载车在弯轨上运行时对轨道的力为

(11)$\left[\begin{array}{l}{\mathit{f}}_{\mathrm{c}\mathit{x}}\\ {\mathit{f}}_{\mathrm{c}\mathit{y}}\end{array}\right]$=$\left[\begin{array}{ll}\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}{\mathit{\varphi }}_{1}& \mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}{\mathit{\varphi }}_{1}\\ \mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}{\mathit{\varphi }}_{2}& \mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}{\mathit{\varphi }}_{2}\\ \mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}{\mathit{\varphi }}_{3}& -\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}{\mathit{\varphi }}_{3}\end{array}\right]\begin{array}{l}{}^{\mathrm{T}}\\ \end{array}\left[\begin{array}{l}3\mathit{f}\\ -3\mathit{f}\\ {\mathit{m}}_{\mathrm{c}}{\mathit{v}}^{2}/\mathit{R}\end{array}\right]$

式(11)中:m_c为承载车的质量,kg。

3 结果分析

以建立的模型为基础,分析单轨吊从直轨进入弯轨的转向过程,相邻单元之间的夹角、各驱动单元之间的距离、转弯半径以及载重量的变化,引起各驱动单元对轨道侧向力的变化,通过比较驱动优化前后对轨道的影响,讨论混合驱动方式的合理性。

3.1 单轨吊动力学及影响因素分析

根据驱动部机理,建立了驱动单元及行驶轨道的横向动力学模型,以井下常态化应用的10驱单轨吊为例,机车配置和负载总质量60 t,每根弯轨弧长2 m,转弯半径为最小半径4 m,对起吊梁下方的驱动单元组由直轨进入第一节弯轨,并驶离该轨道的过程各驱动单元对轨道的影响进行动力学分析,结果如图8所示。

靠近起吊梁下方驱动组中的各驱动单元依次驶入第一节弯轨的过程中,驱动部所在的弯轨受到的侧向力不断增大,当右侧驱动部进入弯轨时,侧向力达到最大值。起吊梁下方第一台驱动部的侧向力是各驱动部中最大,且单轨吊轨道失效多为第一驱动部所在的轨道。

单轨吊在相同负载状态下,相邻驱动单元之间距离和转弯半径也会对轨道承受的侧向力产生影响。为研究单轨吊转向力学特性的影响因素,对第一台驱动部的力学模型进行剖析,当负载不发生变化时,驱动部对轨道的侧向力受两个相邻单元之间夹角β 的影响,转向时,β 受转弯半径R的约束。配置不同转弯半径的轨道(4、6、8、10 m),分析转弯半径R对β的影响,β 的数值模拟结果如图9所示。

驱动单元从直轨进入弯轨到其后方的驱动单元进入弯轨之前,β随驱动单元的运行呈曲线上升,当分析的驱动单元后方的驱动部也到达弯轨时,β达到最大值,且转弯半径越小,β 增长越明显。

β_max随相邻串联单元距离l₂变化趋势如图10所示。单轨吊在直轨运行时,各单元之间沿轨道轴向运行,之间的夹角β 趋向于0,当由直轨进入转弯时,β不仅受转弯半径的影响,还考虑相邻单元之间距离相关性。

β_max随着相邻串联单元距离l₂的增大呈上升趋势,且转弯半径越小,β_max增长趋势越明显。驱动单元之间夹角β 的大小和最大值直接影响到驱动单元对轨道侧向力的变化,对第一驱动部在不同工况下的侧向力变化进行动力学分析,结果如图11所示。

以起吊梁后方对轨道影响最大的第一驱动部为例,其从直轨进入弯轨时,在负载不变的状态下,该驱动部对轨道的侧向力随着β 的增大而增大,当β 达到最大值时,f_1q达到最大值。且模拟单轨吊在不同转弯半径的轨道运行时,f_1q随转弯半径的减小呈上升趋势。因此,各单元对轨道的侧向力最大值,受β 最大值β_max的影响。

3.2 混合驱动单轨吊动力学分析

由上述分析可知,驱动方式是影响单轨吊转向可靠性的主要因素,转弯半径和相邻驱动单元之间距离是次要因素,但单轨吊各单元之间距离过大会导致集中力激增。因此,在混合驱动单轨吊模型建立中,还需要考虑各单元之间距离。将靠近起吊梁的两台驱动部串联,在二者之间增设承载车,通过拉杆跨越这两台驱动部,与后方驱动单元串联,形成混合驱动,这种驱动方式跨度最低。起吊梁下方各驱动单元分析结果如图12所示。

各单元由直轨进入弯轨过程中,承载车对轨道的侧向力不断增大,当与之串联的第三驱动部进入弯轨时,该承载车的侧向力达到最大值,成为整个系统中对轨道影响最大的单元。现有单轨吊和混合驱动单轨吊系统中出现的最大力的峰值对比,优化后系统对轨道的最大集中力较优化前系统有明显的改善。

3.3 多工况对比分析

为佐证跨越式单轨吊混合驱动方式的可靠性和优越性,采用数值模拟,通过控制变量法,将优化前后的驱动方式进行对比分析。以转弯半径(4、6、8、10 m)和载重量(40、45、50、55、60 t)为双变量,计算单轨吊运输车在转弯过程中对轨道影响的最大值。对比分析结果如图13所示。

由以上不同工况(转弯半径、载重量)与不同驱动方式(串联驱动/混合驱动)对轨道的影响可知,当单轨吊最大载重量为60 t时,混合驱动方式的单轨吊出现的最大侧向力f_c相较于常规串联式驱动方式的最大侧向力f_1q有了明显的降低,两种驱动方式对轨道影响的最大侧向力对比如表1所示。

不同驱动方式的单轨吊,在转弯半径分别为4、6、8、10 m的轨道上运行时,混合驱动单轨吊模型对轨道的影响要低于优化前的驱动模型,且随着转弯半径的增大,优化效果愈加明显。

4 结论

(1)基于矿用单轨吊驱动原理,分析了现有单轨吊转向过程中驱动部对轨道的影响,结合轨道破坏形式以及单轨吊机械结构和动力传递方式,提出了一种跨越式混合驱动方法。

(2)研究了驱动单元对弯轨侧向力的影响因素及其变化规律,以井下常态化运用的10驱单轨吊为模型,建立了系统动力学模型,确定了一种重载单轨吊跨越式混合驱动方式,经理论分析,混合驱动方式出现的最大侧向力相对较小。

(3)对比分析了多工况下串联驱动与混合驱动方式对轨道侧向力的影响,结果表明,混合驱动方式能够改善现有单轨吊起吊梁下方集中应力过高的问题,单轨吊在载重量为60 t,转弯半径为4、6、8、10 m的轨道上运行时,驱动优化后的单轨吊对轨道影响较优化前,分别降低了15.43%、26.19%、35.94%和44.28%,并随着转弯半径的增大,改进效果越明显。因此,验证了混合驱动方式可以实现单轨吊动力的有效分配。

(4)提出的跨越式混合驱动方式,为解决单轨吊重载转向时的轨道损伤问题提供了一种有效技术路径。该技术显著提升单轨吊在复杂巷道条件下的运输可靠性与安全性,降低因轨道失效导致的维护成本,为煤矿的连续高效生产提供装备保障。该驱动方式有助于推动矿用单轨吊向重载、高效、高可靠性方向升级,契合矿山智能化建设对高端辅助运输装备的迫切需求。研究成果为单轨吊优化设计提供了理论依据,从而为提升其驱动性能提供了可行方案。

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