山东科技大学
本科生毕业论文
姓名：学号：
学院：机械电子工程学院
专业：机械电子工程
设计题目防爆锂电蓄电池单轨吊机车设计
专题：制动阀块以及锂电池箱的设计
指导教师：职称：
2016年6月5日
摘要
本文研究的防爆锂电蓄电池单轨吊，是一种煤矿井下辅助运输机车。是一种多功能、高效率、多用途的井下辅助运输车辆。在平路或上坡时，由锂电蓄电池提供动力完成牵引工作；下坡时，可将动能和势能转化成电能，反充给锂电蓄电池，靠能量回馈实现自动减速制动。防爆锂电蓄电池
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单轨吊，比之普通单轨吊能量利用更充分，主机部更轻便，能实现能量的循环利用是对传统单轨吊的一次技术改良。
而此次设计主要是想用锂电蓄电池代替铅酸蓄电池，进一步取代柴油机单轨吊，达到减少成本，降低污染的目的。通过简化单轨吊的液压系统取代复杂封闭式的液压系统，降低主机部分的重量，提高单轨吊灵活性使之能更好的适应各种地形，也进一步改进了紧急制动装置，添加了超速离心制动装置。使单轨吊车能更加安全的使用。本次毕业设计还通过结合人机工程学内容改进了十座人车的构造，使其更加人性化！
通过此次设计，经过深入了解了矿用锂电蓄电池单轨吊的结构与工作方式，结合液压与电气的知识对单轨吊进行了部分改进，在很大程度上回顾了大学所学知识，并合理运用这些知识完成本次设计！
关键词：单轨吊；控制系统；液压；电气；锂电池
ABSTRACT
And in this paper, the explosion-proof lithium battery monorail crane, is a kind of underground auxiliary haulage locomotive, driving on the roadway monorail can not only delivery of materials and personnel and equipment, also can accomplish the downhole equipment simple lifting, hoisting work..when going downhill, the kinetic energy and potential energy is converted into electrical energy, reverse charging to lithium battery and rely on the energy
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feedback to realize automatic deceleration and braking. Explosion-proof lithium battery monorail crane, than ordinary monorail energy utilization more fully and hosts more portable and can realize energy recycling is the traditional monorail a technical improvement.
And the design is mainly to replace lead-acid battery with lithium battery, further to replace diesel monorail crane, to reduce costs, reduce pollution purposes. The use of the monorail can be more secure. The graduation design also through the combination of ergonomic content to improve the structure of the ten men and cars, to make it more humane!
Through the design, through in-depth understanding of the structure and work of mine lithium battery monorail, combined with knowledge of hydraulic and electric monorail crane was partly improved, in a great extent reviews the knowledge, and the rational use of these knowledge to complete the design!
Keywords: Monorail ; control system ; hydraulic ; sensor ; lithium batter
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目录
摘要............................................... I 第一章矿用蓄电池单轨吊简介 .. (1)
1.1防爆锂电蓄电池单轨吊简介及研究背景 (1)
1.2 矿用单轨吊在国内外发展情况 (2)
1.2.1国外防爆锂电蓄电池单轨吊的发展状况 (2)
1.2.2国内防爆锂电蓄电池单轨吊的发展状况 (3)
1.3本课题的研究目的及意义 (5)
1.4 DXP40防爆锂电蓄电池单轨吊机车参数 (7)
1.5 DXP40防爆锂电蓄电池单轨吊组成部分 (8)
1.5.1驾驶室 (8)
1.5.2驱动部 (10)
1.5.3主机室 (11)
1.5.4锂电池箱 (12)
1.5.5十座人车 (13)
第二章单轨吊的设计计算 (14)
2.1连杆装置的设计计算 (14)
2.1.1连杆结构设计 (14)
2.2单轨吊制动系统方案的设计 (20)
2.2.1单轨吊机车驱动系统驱动原理 (20)
2.2.2 单轨吊机车制动原理 (22)
2.2.3 井下单轨吊对制动系统的要求 (22)
2.2.4 主要尺寸的确定 (24)
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2.2.5紧急制动阀块的设计 (25)
2.2.6超速离心制动装置 (27)
第三章液压系统选型设计 (29)
3.1单轨吊液压系统原理图 (31)
3.2液压回路的工作情况 (31)
3.2.1单轨吊工作回路 (31)
3.2.2单轨吊制动回路 (32)
3.2.3单轨吊起吊回路 (34)
3.2.4手动增压泵在液压系统中的作用 (34)
第四章电气控制系统的设计计算 (36)
4.1电控系统硬件设计 (37)
4.1.1控制电路的设计 (37)
4.1.2隔爆腔体的设计 (38)
4.2电控系统软件设计 (39)
4.2.1PLC 程序的设计 (39)
第五章各部三维图造型 (40)
5.1承载小车 (40)
5.2十座人车 (41)
5.3锂电池锂电箱 (41)
5.4连杆三维图 (44)
5.5外置制动阀块三维图 (45)
第六章有限元分析 (46)
结论 (58)
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第七章总体组装设计 (59)
7.1防爆锂电蓄电池单轨吊车总体组装图 (59)
7.2防爆锂电蓄电池单轨吊机车液压系统图 (60)
7.3防爆锂电蓄电池单轨吊机车电控系统原理图 (61)
7.4防爆锂电蓄电池单轨吊机车主机室总装配图 (62)
第八章期望与总结 (63)
8.1主要总结 (63)
8.2 工作展望 (64)
致谢 (65)
参考文献 (66)
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第一章矿用蓄电池单轨吊简介
1.1防爆锂电蓄电池单轨吊简介及研究背景
随着我国煤矿采、掘机械化程度的迅速发展及开采规模的不断扩大, 使得井下所需的材料、设备的数量、品种、单重以及运距大幅度增加; 井下人员数量增多、工作面的距离加长,而辅助运输系统仍旧依靠陈旧的传统方式已明显的不能适应形势发展的需要。因此, 吸收、引进国际上先进技术, 改变我国煤矿以往落后的辅助运输形式已成必然的发展趋势。
目前国家对煤矿安全生产的重视程度和煤矿装备水平的都有所提高，煤矿井下辅助运输装备向本质安全型方向转变，单轨吊运输作为一种新的运输方式，克服了卡轨车运输条件限制，实现多条巷道连通使用，可以在多弯道、多起伏的巷道中应用，灵活性和适应性都较强。由于其具有运输能力大、隐患少、效率高、安装简单等优点，正在被越来越多的煤矿企业所采用，成为近几年来煤矿井下辅助运输的首选运输工具。
(1) 单轨吊车是挂在巷道顶板上或支架上运送负载，不受底板变形(底鼓) 及巷道内物料堆积影响，但需要有可靠的吊挂承载装置。吊挂在拱形或梯形钢支架上时，支架应装拉条加固，用锚杆悬吊时，每个吊轨点要用2根锚固力均为60kN以上的锚杆。巷道断面要大于或等于7m2。
(2) 可用于水平和倾斜巷道运输。用于倾斜巷道运输时，机车牵引单轨吊车，坡度<18°，最佳使用坡度<12°(国外最大达 40°)。绳牵引单轨吊车坡度<25°(国外最大达 45°)。最大单件运输质量为12～15t，最小水平曲率半径为4 m。
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(3) 机车牵引单轨吊车具有机动灵活的特点，1台机车可实现有多条分支巷道的物料、设备和人员的运输，可以不经过转载，不受运程限制。绳牵引单轨吊车在弯道上需装设大量绳轮，而且不能进分支岔道，运距一般为 1～2 km，最大不超过 3 km。因为运距过长，列车运行阻力、牵引绳的阻力、轨道和支架的承载能力等都要增加，单轨的支承、导向钢丝绳及钢丝绳的拉紧都将趋于复杂化。
(4) 柴油机单轨吊车排放的气体有少量污染和异味，因此，使用巷道要有足够的风量以稀释有害气体，使其达到无损健康的程度。
(5) 蓄电池单轨吊车的最大优点是没有空气污染，但受蓄电池蓄电能力的限制，蓄电池单轨吊车的功率偏小，自重较大，适用于所需牵引力较小、通风较差的掘进巷道运送材料和人员。而锂电池单轨吊则大大的减少了蓄电池单轨吊的缺点。
1.2 矿用单轨吊在国内外发展情况
1.2.1国外防爆锂电蓄电池单轨吊的发展状况
原西德是世界采矿发达国家之一, 五十年代就开始研制单轨吊车, 到1967 年研制出柴油机单轨吊, 1979 年研制出蓄电池单轨吊,之后,法国、捷克、苏联、英国等国家也相继引进或研制出单轨吊,并在这些国家普遍应用。
单轨吊机车在德国已有两家公司生产（DBT、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Becorit公司也生产燃油动力柴油机车。
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先进产煤国家的辅助运输采用单轨吊、卡轨车、齿轨车和无轨胶轮车
等高效运输装备,矿井运输基本实现了从井底车场甚至从地面(平峒或斜井
开拓时) 至采区工作面的不经转载的直达运输。这些装备体积小、机动灵活、通过巷道断面小、转弯半径小、无需转载和停顿、运输效率高,可实
现远距离连续运输;牵引力大,可实现重型物料如重型支架的整体搬运,运
行速度快;有比较完备的配套设备和运输车辆,基本实现了装卸作业的机械化。
原捷克斯洛伐克的大部分煤矿煤层属缓倾斜煤层，巷道坡度不一，而
且底坡较多，因此其辅助运输设备是清一色的单轨吊车；1979年年底西德
沙尔夫公司研制出第一台2×14KW蓄电池单轨吊车，次年投入使用；1980
年西德鲁尔塔勒公司又研制出38KW样机；1982年原苏联卡拉干达煤矿设计
院研制出6KW蓄电池单轨吊车。世界各主要采煤国近年来尤其加强了大容
量高效率蓄电池的研究，这主要是因为铅酸蓄电池和内燃机相比，具有噪
音低、运转热量小、维修简单、无空气污染等优点。
1.2.2国内防爆锂电蓄电池单轨吊的发展状况
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。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167支架或其他货载沿长1438m坡度6° (最大10°)的斜井直接运到工作面，使辅
助运输系统大为减化。
单轨吊作为煤矿辅助运输的一种新型装备,20世纪90 年代初引进国内,至今使用已10年多,目前单轨吊运输在煤矿辅助运输中得到了广泛的应用。
由于是吊挂式运输,与巷道底板状况无关,巷道空间可以得到充分利用。除
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日常的运人、运料和运设备以外,还可实现液压支架的整体搬运。单轨吊
为煤矿辅助运输现代化矿井的建设发挥了积极的作用。
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15台均为进口英国贝克瑞特公司生产的NFC-D916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。该机型进口配件需要单独安排生产，不仅费用髙，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20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10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10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。
1985 年，我国成功研制出了第一台 FND-40 型防爆柴油机单轨吊车，填补了国内空白。其后，国内相继研制出各种型号不同的单轨吊车，单轨
吊在我国煤矿井下也逐步得到了推广和应用。目前我国已经使用的较先进
的单轨吊车有防爆柴油机单轨吊车和防爆蓄电池单轨吊车。防爆蓄电池单
轨吊车是继防爆柴油机单轨吊车之后的又一种高效煤矿井下辅助运输设备，与防爆柴油机单轨吊车相比，它具有排气无污染、运转热量小、噪音低、
维护工作量小和易实现自动控制等优势，在矿山具有更广阔的推广应用前景。
我国以防爆特殊性蓄电池为动力的机车目前只生产地轨机车，机型分
别为2.5t、3t、5t、8t、12t几种。因受爬坡能力的限制而主要应用于大
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巷运输。1992年8月，国家级单轨吊车性能检测中心站对国产25KW蓄电池单轨吊车首次进行了检测，在汾西矿务局水峪矿作井下进行了检测，半年多的运转因其实用而深受煤矿工人欢迎。1993年3月中旬通过了中煤总公司组织的专家鉴定。
1.3本课题的研究目的及意义
单轨吊车运输系统的核心部分就是单轨吊机车（简称单轨吊）。根据动力源不同，单轨吊可以分为防爆柴油机单轨吊与防爆蓄电池单轨吊。国内极少数煤矿企业采用了单轨吊的，绝大多数都是几十年前进口的柴油机动力型产品，油耗大，成本高，使用柴油对井下安全生产环境构成威胁，并且产生尾气污染和噪音污染，影响矿井生产环境。由于电动单吊使用电能，动力源持续稳定，运行距离远，安全性能佳，且节能环保无污染，所以现在成为一种主流的发展趋势。传统的电动单轨吊的动力源主要以铅酸电池为主，这种单节电池电压仅为左右，另外它存在体积大、重量重，污染重、不环保，设备自重大、工作效率低，可靠性差、报废率高，维护繁琐、占场地大等一系列缺点。锂离子单节电池电压可达到左右，具有稳定性能好，环保，可以大电流充放电等优点，基本克服了铅酸电池的诸多缺点，电池的充电系统是电池使用过程中的一个必要环节，本文主要以动力锂电池在单轨吊上的使用情况，针对动力锂电池的充电环节进行了研究。
目前，单轨吊系统技术在我国还处于发展阶段，单轨吊行走在悬挂于巷道顶部的轨道上，靠行走驱动轮与工字钢间的摩擦力来驱动机车行走。本文研制的单轨吊的行走、制动与起吊、装载重物等功能均由液压系统来实现，因此液压系统起着至关重要的作用。液压系统依据现有的单轨吊液压系统的功能和原理，根据在生产中出现的实际问题，应用现代设计理论
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和方法和近代液压传动系统理论，设计了单轨吊液压系统，特别是介绍了
液压元件的选型和液压性能分析，为实现单轨吊液压系统的国产化做好准备。本文对单轨吊液压系统进行设计及其性能分析，以降低成本，提高产
品质量，从而设计出更安全可靠的液压系统，为今后单轨机车液压系统的
调整及国产化奠定一定的理论基础，为以后排查液压系统的故障做了保障，预计国产化后的液压系统，基本能够实现单轨吊的各种功能，能够达到其
性能指标，还能在整体上改善人机接口，以便于维护和使用。
本课题主要研究的就是锂电池单轨吊的液压控制系统，电气控制系统，制动阀块以及紧急制动装置以及基于人体工程学的人车等各个方面的设计，经过此次设计能给我国煤矿辅助运输设备带来重大革新！
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1.4 DXP40防爆锂电蓄电池单轨吊机车参数
表1.1 单轨吊机车参数
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1.5 DXP40防爆锂电蓄电池单轨吊组成部分
1.5.1驾驶室
图 1.1驾驶室
尤洛卡防爆锂电蓄电池单轨吊机车驾驶室造型图，用于控制机车的前进后退，制动与行走！
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图 1.2驾驶室
含座椅、减震、制动、控制柜设计、射灯（前白光、后为红光），挡板（保证驾驶员安全）！驾驶室分为主驾驶和副驾驶室，安有转换开关具备操作优先性，不能同时进行操作！
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1.5.2驱动部
图 1.3驱动部
包含制动闸，导向轮，驱动轮，制动油缸减速机，驱动电机，夹紧油缸，承载轮，弯架，制动弹簧等。主要用来进行驱动是整个机车的驱动部件！
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1.5.3主机室
图1.4主机室
含电控箱，液压站，电机，手摇泵，制动阀块等主要液压控制设备！驾驶室信号通过主机室来控制电机以及制动部件！
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1.5.4锂电池箱
图1.5防爆锂电箱
防爆蓄电池箱，内涵锂电蓄电池。蓄电池提供的电能，通过行走电机逆变器和油泵电机逆变器，将直流电逆变成三相交流电，供给行走电机和液压站油泵电机；同时，在机车下坡时，行走电机逆变器将单轨吊机车动能（或势能）转变成电能，向蓄电池组反充电。
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1.5.5十座人车
图1.6十座人车
用于井下搭载工人,挂载于副驾驶室后面，一般以十人座十二人座为主，本次设计主要设计十人座小车。十座人车座椅采用栓木制作座椅轻便安全，结实并且容易保养制作。
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第二章 单轨吊的设计计算
2.1连杆装置的设计计算
2.1.1连杆结构设计
单轨吊的驾驶室、驱动单元、起吊梁、人车等件必须有可靠地连接，如图10所示。在设计连接件时要考虑如下内容：
图1连接件
1-螺栓；2-六角螺母；3-开口销；4-联轴节；5-连杆
轨道梁与承载梁的连接应传力直接，避免偏心，防止松动并安装方便。一般可直接或通过垫件 、吊杆等以普通防松螺栓销轴相连接，螺栓直径不宜小于16mm ，所需螺栓数量按计算决定，并每侧不少于2个。计算时荷载与支吊反力均按作用在连接件的一侧考虑 ，并乘以 2
的增大系数。对