一種防跑車吸能器的設(shè)計(jì)與分析

呂斌 ，關(guān)天民

(1.大連交通大學(xué) 大學(xué)生素質(zhì)教育中心，遼寧 大連 116028; 2.大連交通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 大連 116028)*

一種防跑車吸能器的設(shè)計(jì)與分析

呂斌1，關(guān)天民2

(1.大連交通大學(xué) 大學(xué)生素質(zhì)教育中心，遼寧 大連 116028; 2.大連交通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 大連 116028)*

為了防止煤礦礦車巷道內(nèi)跑車事故,提出了一種初始扭矩可調(diào)的摩擦盤式吸能器結(jié)構(gòu)，給出了礦車跑車速度、礦車沖擊能量和吸能器制動(dòng)力矩的計(jì)算過(guò)程，從而確定了吸能器的初始扭矩和彈簧預(yù)壓緊力.隨后對(duì)該吸能器進(jìn)行了整機(jī)有限元分析，計(jì)算得到了在工作狀態(tài)下吸能器各個(gè)關(guān)鍵零部件的應(yīng)力和應(yīng)變狀態(tài)，從而驗(yàn)證了吸能器安全捕車的有效性.

防跑車；吸能器；摩擦盤

0 引言

跑車是指斜井提升礦車時(shí)車輛失去控制，礦車受到重力作用沿軌道方向加速向前運(yùn)動(dòng)的現(xiàn)象.目前我國(guó)煤礦斜巷運(yùn)輸大部分采用串車提升方式，有的主要運(yùn)輸斜巷還兼做行人巷道，一旦發(fā)生斜巷跑車事故就會(huì)給國(guó)家財(cái)產(chǎn)和工人生命安全帶來(lái)極大的威脅[1].對(duì)此《煤礦安全規(guī)程》中規(guī)定變坡點(diǎn)下方需設(shè)置能夠防止未連掛礦車?yán)^續(xù)往下跑車的防護(hù)裝置[2].

目前巷道內(nèi)采用的跑車防護(hù)裝置主要分為擋車欄和捕車器兩種[3- 5]，捕車器由于吸能能力有限，因此僅適合安裝在距離邊坡點(diǎn)較近的位置，而巷道深處則采用擋車欄與吸能器配合的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)跑車防護(hù)，當(dāng)?shù)V井中發(fā)生跑車事故時(shí)，礦車撞擊擋車欄，擋車欄通過(guò)制動(dòng)鋼絲繩與吸能器相連，吸能器將礦車與擋車欄相撞的動(dòng)能轉(zhuǎn)換為熱能,從而達(dá)到阻止礦車下滑目的，因此吸能器是防跑車系統(tǒng)中最為關(guān)鍵的部件之一.

國(guó)內(nèi)很多學(xué)者對(duì)吸能器進(jìn)行了相關(guān)研究，張楠[6]提出了一種渦輪阻尼式防跑車吸能器并對(duì)齊進(jìn)行了動(dòng)態(tài)仿真研究.梁玉[7]提出了一種采用蝶形彈簧的滾筒式吸能器的設(shè)計(jì)方法，解決了吸能器初始攔阻力過(guò)大的問(wèn)題.劉廣[8]則設(shè)計(jì)了一種安裝在礦車上防跑車勾，礦車超速后，勾子伸出勾住軌道枕木來(lái)起到防跑車的目的.由于受結(jié)構(gòu)、成本等因素制約，這些研究多停留在實(shí)驗(yàn)室階段，目前煤礦中采用最為廣泛的是壓板式吸能器，該吸能器利用鋼絲繩在兩個(gè)壓緊的鋼板間滑動(dòng)達(dá)到摩擦吸能的效果[5].壓板式吸能器的攔阻鋼絲繩全部裸露在環(huán)境惡劣的巷道內(nèi)，不僅影響了鋼絲繩的使用壽命，而且給巷道內(nèi)的行人帶來(lái)諸多不便.針對(duì)上述問(wèn)題，本文給出了一種可調(diào)節(jié)初始?jí)毫Φ哪Σ疗轿芷鹘Y(jié)構(gòu)，解決了吸能器在不同應(yīng)用場(chǎng)合下初始力矩變化的問(wèn)題，而且鋼絲繩全部纏繞在轉(zhuǎn)盤上，保證了其使用壽命，文中不僅給出了詳細(xì)的設(shè)計(jì)計(jì)算方法，而且為保證吸能器在阻車過(guò)程中的有效性，本文對(duì)吸能器的強(qiáng)度進(jìn)行了有限元分析.

1 吸能器結(jié)構(gòu)原理

吸能器結(jié)構(gòu)如圖1所示.鋼絲繩轉(zhuǎn)盤上纏繞有阻攔車輛的鋼絲繩，動(dòng)摩擦片和靜摩擦片交替疊放在中心軸上，靜摩擦片鑲嵌在吸能器外部的止動(dòng)塊上，動(dòng)摩擦片則套在中心軸的方軸部分，動(dòng)靜摩擦片依靠壓緊彈簧來(lái)提供摩擦力，初始摩擦力的大小可以通過(guò)壓力調(diào)節(jié)座進(jìn)行調(diào)整.當(dāng)?shù)V井中發(fā)生跑車事故時(shí)，制動(dòng)鋼絲繩牽動(dòng)吸能器的鋼絲繩轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)，從而帶動(dòng)中心軸轉(zhuǎn)動(dòng)，動(dòng)靜摩擦片之間相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)而產(chǎn)生摩擦，通過(guò)克服摩擦阻力做功把礦車撞擊擋車欄的動(dòng)能逐漸吸收，最終在摩擦阻力的作用下鋼絲繩轉(zhuǎn)盤停止轉(zhuǎn)動(dòng)，礦車停止行駛.摩擦盤之間的壓緊力和配合面數(shù)量決定了吸能能量和防跑車距離的不同.

圖1 吸能器結(jié)構(gòu)圖

2 理論計(jì)算

2.1 礦車速度的計(jì)算

礦車發(fā)生跑車后，在重力的作用下沿斜井加速運(yùn)動(dòng)，到達(dá)擋車欄處的速度V1和所需時(shí)間t1理論上同礦車串車數(shù)量無(wú)關(guān)，可以簡(jiǎn)化為物體沿斜面下滑的方法進(jìn)行計(jì)算，其計(jì)算方法分別如下：

(1)

(2)

式中,L礦車從跑車點(diǎn)至捕車器觸發(fā)裝置的距離m；l0為礦車前、后兩軸之間的軸距；α為斜井的傾角；μ1為鋼軌與礦井車輪之間的滾動(dòng)摩擦系數(shù)，一般取0.05；g為重力加速度，g=9.8m/s2；V0為跑車時(shí)礦車的初速度.

2.2 礦車沖擊能量的估計(jì)

跑車沖擊能量是吸能器的設(shè)計(jì)主要依據(jù)，礦車與捕車器相撞，可以先按1輛礦車的沖擊能量為計(jì)算依據(jù)，對(duì)于多輛礦車，則可以對(duì)一輛礦車的沖擊能量進(jìn)行修正[9].按一輛礦車發(fā)生跑車計(jì)算，礦車到達(dá)擋車欄時(shí)的動(dòng)能為：

(3)

按多輛礦車發(fā)生跑車計(jì)算，當(dāng)多輛礦車發(fā)生跑車時(shí)，計(jì)算每輛礦車的能量時(shí)都應(yīng)增加一個(gè)小于1的疊加系數(shù)ε[9]，則

(4)

式中,E′為跑車撞擊擋車欄的總能量；εi為每輛礦車的疊加系數(shù)，對(duì)于第i輛車有εi=1.1-1.2i(2≤i≤5).

2.3 動(dòng)靜摩擦片之間的制動(dòng)力矩計(jì)算

當(dāng)跑車撞到擋車欄時(shí)，吸能器吸收礦車動(dòng)能，不計(jì)礦車作用于擋車欄上的能量損失，鋼絲繩應(yīng)提供的止動(dòng)力為：

(5)

式中,s為緩沖制動(dòng)距離.

由于壓縮彈簧的作用，動(dòng)靜摩擦片接觸擠壓，并且同時(shí)相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生制動(dòng)力矩，實(shí)現(xiàn)摩擦吸能.下面以一組動(dòng)靜摩擦片為例進(jìn)行建模計(jì)算分析.假設(shè)彈簧擠壓時(shí)產(chǎn)生的壓力為FN且均布，相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)角速度為ω，動(dòng)摩擦片與靜摩擦片接觸面的內(nèi)徑為R1，外徑為R2，摩擦系數(shù)為μ.摩擦片模型如圖2所示.

圖2 摩擦片模型

(6)

則摩擦總力矩為

(7)

假設(shè)吸能器有z個(gè)摩擦接觸面，則產(chǎn)生的制動(dòng)力矩為：

(8)

算例：山西某斜井礦車的型號(hào)MGC1.1.1-6，礦車自身重量為610kg，載重1 000kg，串車數(shù)量為6，礦車下滑的摩擦阻力系數(shù)μ1=0.01，斜巷坡度α=14°，擋車欄之間的間距為50m，最大緩沖制動(dòng)距離為10m，用1對(duì)吸能器進(jìn)行攔阻，則可計(jì)算單個(gè)吸能器的吸能能力應(yīng)為0.49MJ，鋼絲繩應(yīng)提供的制動(dòng)力為F=49kN，鋼絲繩轉(zhuǎn)盤中徑為350mm，則吸能器的制動(dòng)力矩為T總=8 575N·m，采用的摩擦片接觸面的外徑R2=125mm，R1=72.5mm，配合面數(shù)量z=24，動(dòng)靜摩擦片之間的摩擦系數(shù)為μ=0.2，則可以確定吸能器壓緊彈簧的初始?jí)毫N=23KN.利用該計(jì)算結(jié)果可以對(duì)吸能器的壓力調(diào)節(jié)座進(jìn)行調(diào)整，從而達(dá)到控制初始扭矩的目的.

3 吸能器有限元分析

3.1 模型建立

在Pro/E中建立三維模型后以iges格式導(dǎo)入HyperMesh中，得到在HyperMesh中的吸能器裝配的幾何模型，如圖3所示.對(duì)吸能器各結(jié)構(gòu)賦予材料屬性，動(dòng)靜摩擦片的材料采用65Mn，其物理參數(shù)為：彈性模量E1=206GPa，泊松比v1=0.3，質(zhì)量密度為ρ1=7.85×103kg/m3；其余零件的材料選用45#鋼，其物理參數(shù)為：彈性模量E2=206GPa，泊松比v2=0.3，質(zhì)量密度為ρ2=7.85×103kg/m3.3.2 劃分網(wǎng)格

導(dǎo)入模型后，先在geom菜單下進(jìn)行幾何清理，主要包括刪除曲面倒角、合并自由邊以及刪除重合曲面等，然后對(duì)各個(gè)零件進(jìn)行面網(wǎng)格的劃分，畫好后對(duì)其質(zhì)量進(jìn)行檢查并進(jìn)行改善，然后在3D菜單下選擇drag拉伸成體網(wǎng)格，最后對(duì)體網(wǎng)格進(jìn)行質(zhì)量檢查并加以改善.其中吸能器外罩結(jié)構(gòu)復(fù)雜而且受力較小，因此采用了四面體網(wǎng)格，其余零件受力較大，所以采用的是高精度的六面體網(wǎng)格.各零件之間的接觸可在Utility菜單下選擇ContactManager設(shè)置成接觸對(duì).最終畫好的吸能器網(wǎng)格模型如圖4所示.

3.3 邊界條件

對(duì)吸能器添加約束和外力，對(duì)其外罩的x、y、z方向的平動(dòng)這3個(gè)自由度施加約束；把實(shí)體中安裝螺釘、螺栓及銷軸的地方用rigid連接，以傳遞力；由于吸能器正常工作時(shí)，彈簧處于壓縮狀態(tài)，壓力為23kN，所以分別給彈簧座和外罩底板施加23kN大小的載荷；再根據(jù)吸能器的工作原理，在鋼絲繩轉(zhuǎn)盤上施加一個(gè)切向力，大小為102 863.5N，吸能器在摩擦片的摩擦阻力下達(dá)到平衡.

圖3 吸能器的幾何模型 圖4 吸能器的網(wǎng)格模型 圖5 吸能器的應(yīng)變?cè)茍D

3.4 求解計(jì)算

通過(guò)ANSYS軟件計(jì)算出吸能器在工作狀態(tài)下各個(gè)零件的應(yīng)力和應(yīng)變.把位移收斂設(shè)為0.05.經(jīng)過(guò)計(jì)算可得吸能器總體應(yīng)變?cè)茍D如圖5所示，其各零部件的應(yīng)力云圖如圖6.

圖6 吸能器各部零件的應(yīng)力云圖

圖6所示的吸能器各零部件的應(yīng)力云圖是按所受應(yīng)力從大到小排列的，各零部件所受的最大應(yīng)力值如表1所示.

表1 吸能器各零部件最大應(yīng)力值

由分析結(jié)果可知，應(yīng)變?cè)趚、y、z方向的分量最大值分別為17.732、13.085、25.088μm，合成后的總體最大應(yīng)變值為55.37μm.由于吸能器的摩擦片罩固定，幾乎沒(méi)有變形，故變形主要發(fā)生在吸能器內(nèi)部有接觸的位置，且最大值發(fā)生在靜摩擦片與擋塊接觸附近.根據(jù)吸能器的應(yīng)用環(huán)境和精度要求，本文的計(jì)算結(jié)果可以接受且滿足條件.應(yīng)力最大值發(fā)生在靜摩擦片與擋塊接觸附近，應(yīng)力最大值為175.193MPa.而靜摩擦片和擋塊材料的極限應(yīng)力值為300MPa，此計(jì)算結(jié)果仍在吸能器材料的極限應(yīng)力范圍內(nèi)，所以該吸能器的結(jié)構(gòu)和所用材料滿足要求，能夠安全工作.

4 結(jié)論

吸能器是防跑車系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，本文結(jié)合煤礦企業(yè)現(xiàn)在使用的吸能器的不足提出了一種新型立式吸能器結(jié)構(gòu)，該吸能器動(dòng)摩擦片和靜摩擦片交替疊放在中心軸上，靜摩擦片鑲嵌在吸能器外部的止動(dòng)塊上，動(dòng)摩擦片則套在中心軸的方軸部分，動(dòng)靜摩擦片依靠壓緊彈簧來(lái)提供摩擦力，初始摩擦力的大小可以通過(guò)壓力調(diào)節(jié)座進(jìn)行調(diào)整，成果解決了吸能器初始拉力調(diào)節(jié)的問(wèn)題.

給出了吸能器的設(shè)計(jì)計(jì)算方法，結(jié)合一個(gè)實(shí)際應(yīng)用算例，計(jì)算得到了吸能器壓緊彈簧的初始?jí)毫?利用該計(jì)算結(jié)果對(duì)吸能器的壓力調(diào)節(jié)座進(jìn)行調(diào)整，達(dá)到了控制初始扭矩的目的.

針對(duì)上述具體應(yīng)用，利用有限元分析軟件對(duì)吸能器的關(guān)鍵零部件進(jìn)行了分析，分析結(jié)果表明吸能器應(yīng)力最大值發(fā)生在靜摩擦片與擋塊接觸附近，應(yīng)力最大值為175.193MPa，吸能器總體最大應(yīng)變值為55.37μm，均滿足使用要求，能夠安全工作.

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[4]杜磊．一種高可靠常閉型斜井防跑車裝置[J]．煤礦安全，2005,36(6):31- 33.

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[8]劉廣.新型機(jī)械式礦車防跑裝置設(shè)計(jì)及動(dòng)力學(xué)建模仿真[D].長(zhǎng)沙：中南大學(xué),2009.

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Design and Analysis of Tramcar Anti-Falling Energy Absorber

LV Bin1,GUAN Tianmin2

(1.Innovation Education Center for College Students,Dalian Jiaotong University,Dalian 116028,China; 2.School of Mechanical Engineering,Dalian Jiaotong University,Dalian 116028,Chna)

The free falling of tramcar during deviated well conveying will pose a great threat to safety,and energy absorber is a main component of tramcar anti-falling system and plays a very important role in the tramcar free falling accidents.A new type of torque adjustable friction disc energy absorber is proposed,and the calculation process of tramcar speed,impact energy and brake torque is listed.The initial torque and preloading force of the spring are determined,and a finite element model is established for the machine in Ansys software.The obtained stress and strain state of the key components to verify the effectiveness of the energy absorber to catch the free falling tramcar.

anti-falling;energy absorber;friction disk

1673- 9590(2017)03- 0055- 04

2016- 09- 05

呂斌(1983-),男，講師，博士，主要從事仿生機(jī)器人、運(yùn)動(dòng)與康復(fù)器械的研究E-mail:lvbin@djtu.edu.cn.

A