無(wú)軌膠輪車(chē)失速保護(hù)安全設(shè)施的研究現(xiàn)狀與設(shè)置

牛寶玉

(中煤邯鄲設(shè)計(jì)工程有限責(zé)任公司，河北 邯鄲 056031)

伴隨著安全高效無(wú)軌膠輪車(chē)輔助運(yùn)輸方式的推廣應(yīng)用，無(wú)軌膠輪車(chē)運(yùn)行的斜井井筒長(zhǎng)度也越來(lái)越長(zhǎng)，無(wú)軌膠輪車(chē)運(yùn)輸事故時(shí)有發(fā)生。為提高無(wú)軌膠輪車(chē)運(yùn)輸?shù)陌踩?，新的《煤礦安全規(guī)程》第三百九十二條規(guī)定無(wú)軌膠輪車(chē)在長(zhǎng)坡道巷道內(nèi)運(yùn)輸時(shí)，應(yīng)采取車(chē)輛失速安全措施。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)相關(guān)機(jī)構(gòu)對(duì)無(wú)軌膠輪車(chē)失速保護(hù)安全設(shè)施進(jìn)行了研究，有些研究成果已進(jìn)入實(shí)際應(yīng)用，有些成果尚待實(shí)踐檢驗(yàn)。本文總結(jié)分析了這些研究成果，并基于對(duì)車(chē)輛失速后速度變化的分析研究，提出了安全設(shè)施的設(shè)置方法。

1 車(chē)輛發(fā)生失速的原因

對(duì)于具有煤安標(biāo)志的防爆無(wú)軌膠輪車(chē)，車(chē)輛運(yùn)行過(guò)程中發(fā)生失速的原因有：

1) 車(chē)輛在長(zhǎng)大坡度斜井或斜巷上以正常速度下行行駛過(guò)程中，為了保證一定的安全速度，需要不間斷地使用車(chē)輛制動(dòng)系統(tǒng)剎車(chē)，頻繁的剎車(chē)制動(dòng)將使車(chē)輛的剎車(chē)部件溫度急劇升高，當(dāng)剎車(chē)轂溫度達(dá)到一定值后，剎車(chē)就將失效，隨之車(chē)輛失去速度控制。

2) 車(chē)輛日常檢修、維修保養(yǎng)不及時(shí)、不到位，車(chē)輛制動(dòng)系統(tǒng)存在隱患，車(chē)輛運(yùn)行過(guò)程中制動(dòng)系統(tǒng)失靈、失效失去速度控制。

3) 操作不當(dāng)、操作失誤引起車(chē)輛失去速度控制。

第一種情況可以根據(jù)傾斜巷道的坡度、行駛速度和車(chē)輛載重量，控制連續(xù)行駛的斜巷長(zhǎng)度、設(shè)置緩坡路段、采用濕式制動(dòng)器等，將制動(dòng)剎車(chē)部件的溫度控制在衰退溫度以下予以避免發(fā)生車(chē)輛失速。第二、三種情況，通過(guò)加強(qiáng)車(chē)輛檢修、維修保養(yǎng)制度的建立和嚴(yán)格執(zhí)行，以及對(duì)駕駛員進(jìn)行專(zhuān)業(yè)培訓(xùn)、持證上崗等，來(lái)預(yù)防車(chē)輛發(fā)生失速。受人、車(chē)、環(huán)境的綜合影響，運(yùn)輸車(chē)輛發(fā)生失速的隱患總是存在的，這就要采取車(chē)輛失速保護(hù)安全設(shè)施，對(duì)失速車(chē)輛和司乘人員進(jìn)行保護(hù)。

2 車(chē)輛失速速度

車(chē)輛失速速度是車(chē)輛失速保護(hù)安全設(shè)施設(shè)計(jì)、設(shè)置的重要參數(shù)，因此對(duì)車(chē)輛失速后速度的變化進(jìn)行研究是十分必要的。按照理論速度計(jì)算模型，將車(chē)輛傳動(dòng)阻力和正常路面滾動(dòng)摩擦阻力和巷道風(fēng)流速度均按沒(méi)有進(jìn)行處理，車(chē)輛失速速度可簡(jiǎn)化按下式計(jì)算：

(1)

式中：V為車(chē)輛失速后的瞬時(shí)速度，m/s；V0為車(chē)輛失速時(shí)的速度，m/s；L為車(chē)輛失速下行的距離，m；g為重力加速度，取9.81 m/s2；α為巷道傾角，(°)。

表1為巷道傾角6°時(shí)，失速車(chē)輛速度與失速下行距離的關(guān)系。

由表1可以看出：

表1 失速車(chē)輛速度與下行距離(巷道傾角6°)

1) 車(chē)輛失速速度隨下行距離增加而快速提高，失速下行約400 m時(shí)，車(chē)輛速度即可達(dá)到100 km/h；

2) 同一失速下行距離，車(chē)輛失速時(shí)的初速度對(duì)失速速度幾乎沒(méi)有影響。

3 失速保護(hù)安全設(shè)施研究現(xiàn)狀

無(wú)軌膠輪車(chē)失速保護(hù)安全設(shè)施的研究，主要在對(duì)失速車(chē)輛進(jìn)行阻攔和避險(xiǎn)兩個(gè)方面開(kāi)展，并且兩個(gè)方面的車(chē)輛失速安全保護(hù)設(shè)施在一些礦井進(jìn)行了推廣使用或試驗(yàn)。

3.1 阻攔系統(tǒng)

國(guó)內(nèi)傾斜井巷串車(chē)提升運(yùn)輸系統(tǒng)中，廣泛采用在車(chē)場(chǎng)、變坡點(diǎn)等處設(shè)置阻車(chē)器預(yù)防發(fā)生串車(chē)跑車(chē)；在變坡點(diǎn)下方、巷道中間間隔一定距離設(shè)置阻攔裝置對(duì)發(fā)生跑車(chē)的車(chē)輛進(jìn)行阻攔，避免跑車(chē)事故進(jìn)一步擴(kuò)大，這方面的技術(shù)和裝備已經(jīng)比較成熟，實(shí)際使用中也取得了良好的效果。

無(wú)軌膠輪車(chē)運(yùn)輸與軌道串車(chē)提升不同，無(wú)軌膠輪車(chē)是有人駕駛或有司乘人員的車(chē)輛，因此要求阻攔系統(tǒng)裝置一定要具有柔性，以最大程度保護(hù)司乘人員的安全。雖然軌道提升運(yùn)輸?shù)姆琅苘?chē)阻攔裝置種類(lèi)較多，但因都屬于剛性碰撞類(lèi)型，因而不適用于無(wú)軌膠輪車(chē)失速安全保護(hù)。

目前國(guó)內(nèi)無(wú)軌膠輪車(chē)失速保護(hù)阻欄方面的研究分為柔性阻車(chē)器和阻攔系統(tǒng)。

1) 柔性阻車(chē)器系統(tǒng)[1-2]。該系統(tǒng)主要由阻車(chē)器、車(chē)速監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、車(chē)載遙控、控制系統(tǒng)組成。設(shè)置在巷道內(nèi)的測(cè)速雷達(dá)監(jiān)測(cè)巷道內(nèi)運(yùn)行無(wú)軌膠輪車(chē)的速度，一旦發(fā)現(xiàn)車(chē)輛失速，失速的相關(guān)信息傳遞到車(chē)輛上的接受裝置，車(chē)載的遙控系統(tǒng)發(fā)出控制信號(hào)，安裝在斜巷(斜井)內(nèi)倒車(chē)硐室或巷道幫部的執(zhí)行機(jī)構(gòu)推動(dòng)阻車(chē)器至巷道內(nèi)，失速車(chē)輛車(chē)輪首先與阻車(chē)泡沫發(fā)生彈性碰撞，繼而失速車(chē)輛碾壓住阻車(chē)泡沫后與地面產(chǎn)生摩擦阻力，起到剎車(chē)作用，迫使車(chē)輛減速停車(chē)。阻車(chē)器采用梯形的聚氨酯泡沫材料和支撐材料制成。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)模擬試驗(yàn)，阻車(chē)泡沫動(dòng)作到位時(shí)間為3.5～4 s，車(chē)輛阻停距離在10～12 m，試驗(yàn)表明阻車(chē)系統(tǒng)能夠起到緩沖和阻停事故車(chē)輛的效果。

2) 阻攔系統(tǒng)。①阻攔網(wǎng)阻攔系統(tǒng)[3]：該系統(tǒng)由液壓吸能裝置、機(jī)械傳動(dòng)裝置、柔性阻攔網(wǎng)、張網(wǎng)系統(tǒng)、地錨系統(tǒng)和控制系統(tǒng)等組成。當(dāng)車(chē)輛發(fā)生失速進(jìn)入測(cè)速區(qū)域，電氣系統(tǒng)給張網(wǎng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)出信號(hào)，阻攔網(wǎng)迅速?gòu)椘穑佘?chē)輛運(yùn)動(dòng)到柔性阻攔網(wǎng)設(shè)置位置時(shí)，車(chē)頭部分被阻攔網(wǎng)包絡(luò)，并下行一段距離。下行過(guò)程中，在阻攔系統(tǒng)的鋼絲繩和吸能器提供的阻攔力作用下，失速車(chē)輛被阻欄減速停車(chē)。柔性阻攔網(wǎng)選用迪尼瑪(Dyneema)材料制作，迪尼瑪是一種超強(qiáng)聚乙烯纖維織帶，具有很高的強(qiáng)度。②阻攔索系統(tǒng)[4-6]：系統(tǒng)包括車(chē)載設(shè)備和巷道內(nèi)設(shè)備兩部分。車(chē)載設(shè)備包括車(chē)輛尾鉤釋放裝置、尾鉤、車(chē)載傳感器、車(chē)載無(wú)線基站和本安電源；巷道內(nèi)設(shè)備包括阻攔索-吸能器系統(tǒng)、控制裝置、本安型無(wú)線基站和報(bào)警顯示屏。膠輪車(chē)正常速度行駛時(shí)，阻攔索在巷道底板以下，不影響車(chē)輛正常通行，當(dāng)車(chē)輛發(fā)生失速后，車(chē)輛上的速度監(jiān)測(cè)裝置向巷道內(nèi)的無(wú)線基站發(fā)出信號(hào)，阻攔裝置接收到信號(hào)后，阻攔索升起，當(dāng)車(chē)輛行駛到阻攔裝置時(shí)，車(chē)輛尾鉤勾住阻攔索，在阻攔索吸能器的作用下，車(chē)輛減速下行一段距離后，失速車(chē)輛被平穩(wěn)的欄停。

3.2 避險(xiǎn)系統(tǒng)[7-11]

避險(xiǎn)系統(tǒng)是通過(guò)設(shè)置成上坡的車(chē)道和較大阻力系數(shù)制動(dòng)床，依靠勢(shì)能和摩擦阻力做功來(lái)消去失速車(chē)輛動(dòng)能達(dá)到減速停車(chē)的目的。避險(xiǎn)車(chē)道由引道和強(qiáng)制減速段(制動(dòng)床)構(gòu)成，其中引道主要功能是引導(dǎo)失控車(chē)輛安全駛?cè)霃?qiáng)制減速段的車(chē)道，從避免失速車(chē)輛側(cè)翻和圍巖條件等考慮，引道與主道的夾角建議取10～12°。引道長(zhǎng)度一般根據(jù)布置確定；強(qiáng)制減速段采用上坡布置，鋪設(shè)一定厚度散粒集料，目的是使失控車(chē)輛盡快停車(chē)，車(chē)輛減速停車(chē)后不倒溜。避險(xiǎn)車(chē)道傾角建議取8～12°；避險(xiǎn)車(chē)道的結(jié)構(gòu)參照《公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》。

避險(xiǎn)車(chē)道強(qiáng)制減速段長(zhǎng)度按下式計(jì)算確定：

(2)

式中：Lb為避險(xiǎn)車(chē)道長(zhǎng)度，m；V為駛?cè)胨俣?失速車(chē)輛駛?cè)氡茈U(xiǎn)車(chē)道的速度)，m/s；β為避險(xiǎn)車(chē)道傾角，(°)；fz為避險(xiǎn)車(chē)道散粒材料的阻尼系數(shù)，對(duì)2.36～4.75 cm粒徑的豆礫石取0.25[12]；g為重力加速度，m/s2。

表2為正常運(yùn)行速度20 m/h時(shí)，駛?cè)胨俣扰c避險(xiǎn)車(chē)道強(qiáng)制減速段長(zhǎng)度的關(guān)系。由表2可知，其長(zhǎng)度一般要大于井下自然擴(kuò)散通風(fēng)允許的6 m距離，需要設(shè)立專(zhuān)用的通風(fēng)巷道或鉆孔通風(fēng)。

表2 駛?cè)胨俣扰c避險(xiǎn)車(chē)道強(qiáng)制減速段長(zhǎng)度關(guān)系

4 失速安全保護(hù)系統(tǒng)比較分析

從上述幾種車(chē)輛失速保護(hù)裝置的工作原理看，阻車(chē)器系統(tǒng)的阻車(chē)時(shí)間短，動(dòng)能釋放快，對(duì)車(chē)輛和人員的沖擊比較大。如果阻攔的失速速度高，需要阻車(chē)泡沫的體積就越大，故適用于較低失速速度車(chē)輛的保護(hù)。由于車(chē)輛發(fā)生失速的時(shí)間、地點(diǎn)的不確定，故相同長(zhǎng)度的巷道內(nèi)需要布置的個(gè)數(shù)較多；另外阻車(chē)泡沫材料是一次性的，不能重復(fù)使用。

阻攔網(wǎng)阻攔系統(tǒng)和阻攔索系統(tǒng)均為失速車(chē)輛提供了緩?fù)r(shí)間，即失速車(chē)輛在阻攔系統(tǒng)發(fā)生作用后，阻攔裝置的吸能器通過(guò)鋼絲繩或阻攔索對(duì)失速車(chē)輛持續(xù)提供了一個(gè)反向作用力，失速車(chē)輛有一個(gè)減速停車(chē)的過(guò)程，減速度也可進(jìn)行調(diào)節(jié)，因此可以最大程度保護(hù)車(chē)輛和人員安全，可以對(duì)較大失速速度的車(chē)輛進(jìn)行有效的阻攔，巷道設(shè)置道數(shù)可以減少，并且可以重復(fù)使用。

阻車(chē)器系統(tǒng)和阻攔網(wǎng)系統(tǒng)均獨(dú)立于運(yùn)輸車(chē)輛，不需對(duì)運(yùn)輸車(chē)輛進(jìn)行改造，而阻攔索系統(tǒng)則需要對(duì)現(xiàn)有運(yùn)輸車(chē)輛進(jìn)行改造或選用帶有阻攔尾鉤的車(chē)輛。

根據(jù)地面道路避險(xiǎn)車(chē)道的實(shí)際使用情況，避險(xiǎn)車(chē)道能夠到對(duì)失速車(chē)輛起到安全保護(hù)作用，避免了失速車(chē)輛發(fā)生車(chē)輛損毀和人員傷亡的重大事故，可以為失速車(chē)輛提供有效的避險(xiǎn)場(chǎng)所，并且可以重復(fù)使用。但避險(xiǎn)車(chē)道的工程較大，投資較高。在煤礦設(shè)置避險(xiǎn)車(chē)道時(shí)，其長(zhǎng)度一般要超過(guò)6 m，不能擴(kuò)散通風(fēng)，還需要另外布置通風(fēng)聯(lián)絡(luò)巷。

5 失速安全保護(hù)設(shè)施的設(shè)置

5.1 設(shè)置位置

車(chē)輛失速保護(hù)是針對(duì)車(chē)輛在運(yùn)行過(guò)程中發(fā)生的隨機(jī)性、偶然性失速，因此車(chē)輛發(fā)生失速的時(shí)間和地點(diǎn)都是不確定的、難以預(yù)測(cè)的，因此只能根據(jù)失速保護(hù)設(shè)置的性能或預(yù)設(shè)的失速保護(hù)速度等在巷道內(nèi)分段設(shè)置失速保護(hù)安全設(shè)施。阻攔系統(tǒng)一般設(shè)置在巷道的直線段，避險(xiǎn)系統(tǒng)要在巷道的拐彎處和直線段分段設(shè)置避險(xiǎn)車(chē)道。

5.2 設(shè)置間距

1) 阻欄系統(tǒng)。盡管阻車(chē)器、阻攔系統(tǒng)阻止失速車(chē)輛運(yùn)動(dòng)的方式不同，但都是通過(guò)采用吸能裝置吸納失速車(chē)輛的動(dòng)能，達(dá)到阻止失速車(chē)輛繼續(xù)下行的目的，故可以根據(jù)阻攔裝置阻攔能量(吸能量)按下式計(jì)算確定設(shè)置的間距。

(3)

(4)

式中：L為設(shè)置的間距(最大的失速下行距離)，m；E為安全保護(hù)裝置的吸能量，J；E0為車(chē)輛失速時(shí)的動(dòng)能，J；V0為車(chē)輛正常行駛速度，m/s；m為車(chē)輛質(zhì)量，kg；g為重力加速度，取9.81 m/s2；α為巷道傾角，(°)；f為路面阻力系數(shù)。

為了提高阻攔的可靠性，在每個(gè)阻攔地點(diǎn)應(yīng)布置兩道阻攔裝置，間隔50 m，保證第一道阻攔失敗后，第二道能夠發(fā)揮作用。

2) 避險(xiǎn)系統(tǒng)。避險(xiǎn)車(chē)道的設(shè)置間距應(yīng)根據(jù)巷道傾角、駛?cè)胨俣?失速車(chē)輛駛?cè)氡茈U(xiǎn)車(chē)道速度)的設(shè)定值和避險(xiǎn)車(chē)道總工程量等合理確定。結(jié)合地面運(yùn)輸中失速車(chē)輛安全駛?cè)氡茈U(xiǎn)車(chē)道速度的統(tǒng)計(jì)資料，從失速車(chē)輛能夠安全進(jìn)入避險(xiǎn)車(chē)道避險(xiǎn)、司乘人員的心理狀態(tài)以及避險(xiǎn)車(chē)道總工程量等考慮，失速車(chē)輛駛?cè)氡茈U(xiǎn)車(chē)道的速度建議不超過(guò)120 m/h，按此速度依公式(3)計(jì)算的設(shè)置間距約在500 m。

6 其他輔助安全設(shè)施

1) 失速保護(hù)安全設(shè)施位置標(biāo)識(shí)。在失速保護(hù)安全設(shè)施位置的前方分段設(shè)置距離安全設(shè)施距離的醒目標(biāo)識(shí)，一方面可以最大程度地穩(wěn)定駕駛員心理情緒，另一方面可以提醒和引導(dǎo)駕駛員駕駛失速車(chē)輛安全進(jìn)入安全設(shè)施。

2) 通訊、信號(hào)裝置。無(wú)軌膠輪車(chē)上設(shè)置通訊、失速報(bào)警信號(hào)裝置；彎道前后設(shè)置警示信號(hào)設(shè)備；巷道內(nèi)設(shè)置車(chē)輛失速報(bào)警信號(hào)裝置等。

3) 防撞緩沖裝置。在巷道的交叉點(diǎn)、拐彎處、避險(xiǎn)車(chē)道入口處的巷壁設(shè)置防撞緩沖裝置。

7 結(jié) 語(yǔ)

目前，具備條件的大型礦井使用無(wú)軌膠輪車(chē)運(yùn)輸越來(lái)越多，無(wú)軌膠輪車(chē)失速故障也在所難免。在實(shí)際應(yīng)用中，只有科學(xué)地設(shè)置失速保護(hù)安全設(shè)施，才能使車(chē)輛失速保護(hù)安全設(shè)施為礦井無(wú)軌膠輪車(chē)運(yùn)輸車(chē)輛和司乘人員提供可靠的失速保護(hù)。