架空乘人裝置安全保護(hù)裝置研制與應(yīng)用

趙德超

(鄭煤集團(tuán)公司 大平煤礦， 河南 登封 452473)

0 引言

架空乘人裝置是煤礦井下專(zhuān)用的一種乘人工具，屬于無(wú)極繩運(yùn)輸系統(tǒng)，主要由驅(qū)動(dòng)部分、站點(diǎn)部分、尾輪部分、張緊部分、鋼絲繩、安全保護(hù)裝置及電控系統(tǒng)組成。經(jīng)張緊裝置張緊后，由驅(qū)動(dòng)裝置輸出動(dòng)力帶動(dòng)驅(qū)動(dòng)輪和鋼絲繩運(yùn)行，從而實(shí)現(xiàn)輸送礦工的目的，可縮短通勤時(shí)間，減輕礦工體力消耗。它具有人員運(yùn)送量大、運(yùn)行安全可靠、上下方便、隨到隨行、不需等待、一次性投入低、動(dòng)力消耗小、操作簡(jiǎn)單、便于維護(hù)、操作人員少等特點(diǎn)[1]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前架空乘人裝置在煤礦運(yùn)行中擁有量達(dá)4 000～5 000臺(tái)，每天在同一時(shí)間內(nèi)約有40萬(wàn)～50萬(wàn)名礦工在乘坐架空乘人裝置，相當(dāng)于地面上300多列火車(chē)同時(shí)運(yùn)行。由于架空乘人裝置是運(yùn)人的特殊設(shè)備，與副井提升機(jī)運(yùn)人設(shè)備一樣，其運(yùn)行安全的重要性和監(jiān)管的緊迫性不亞于地面上的汽車(chē)交通。該裝置的安全運(yùn)行不僅關(guān)乎煤礦的安全，更事關(guān)礦工的生命保障與和諧社會(huì)的建設(shè)。所以，架空乘人裝置的安全至關(guān)重要，應(yīng)該盡快將之納入國(guó)家層面高度集中管理。

大平煤礦井下有4部架空乘人裝置，分別安裝于14東翼擴(kuò)大區(qū)皮帶下山、15軌道下山、21軌道下山上、下段，擔(dān)負(fù)著采區(qū)運(yùn)送人員任務(wù)。每部架空乘人裝置均安裝有超速、打滑、全程急停、變坡點(diǎn)防掉繩、張緊力下降、越位等安全保護(hù)[2]，各種保護(hù)動(dòng)作靈敏可靠。沿線(xiàn)托、壓繩輪架和急停吊桿處均安裝了機(jī)械式吊椅防偏擺保護(hù),每部架空乘人裝置驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)均設(shè)置有失效安全型工作制動(dòng)裝置和安全制動(dòng)裝置，制動(dòng)力均滿(mǎn)足要求。但在實(shí)際運(yùn)行中存在鋼絲繩掉槽脫繩，驅(qū)動(dòng)輪主軸受到?jīng)_擊載荷產(chǎn)生裂紋，斜巷施工人員未提前語(yǔ)音告知，架空乘人裝置與軌道提升系統(tǒng)同巷布置時(shí)未設(shè)置電氣閉鎖，乘人平臺(tái)距軌道近，保護(hù)誤動(dòng)作等安全隱患，嚴(yán)重威脅人員和設(shè)備運(yùn)輸安全。隨著架空乘人裝置的廣泛應(yīng)用，系統(tǒng)的安全性能和安全保護(hù)裝置完善越來(lái)越被關(guān)注，近年來(lái)架空乘人裝置在山東、山西使用過(guò)程中發(fā)生過(guò)人員傷亡事故，造成生命財(cái)產(chǎn)損失[3-4]。根據(jù)2016年新版《煤礦安全規(guī)程》及AQ標(biāo)準(zhǔn)要求，結(jié)合實(shí)際運(yùn)行情況及現(xiàn)場(chǎng)出現(xiàn)的問(wèn)題，技術(shù)人員利用煤礦現(xiàn)有元器件研制完善相關(guān)保護(hù)、電氣閉鎖功能，使其更加安全可靠的運(yùn)行，保障乘人安全。

1 架空乘人裝置安全保護(hù)裝置研制

1.1 防脫繩保護(hù)裝置結(jié)構(gòu)及工作原理

架空乘人裝置在安裝時(shí)，每側(cè)所有托輪、壓輪的輪襯繩槽中心必須在同一條直線(xiàn)上，且與鋼絲繩恰好接觸，如果有偏差，鋼絲繩容易在該處從托輪上脫離出來(lái)，造成掉繩現(xiàn)象。其次，長(zhǎng)期使用后安裝托輪吊架的U型螺栓發(fā)生松動(dòng)，托輪吊架容易在鋼絲繩的牽引和抱索器經(jīng)過(guò)所產(chǎn)生的振動(dòng)下發(fā)生偏移，進(jìn)而發(fā)生掉繩。另外，人員在上、下站點(diǎn)處摘吊椅時(shí)容易掉繩等。鋼絲繩從托輪上脫離之后如果不馬上停車(chē)，一是乘人經(jīng)過(guò)掉繩處時(shí)摔倒地上或蹭底掛道，造成人身傷害；二是鋼絲繩在掉繩之后，掉落在該托繩輪一側(cè)，造成鋼絲繩磨損。

防脫繩保護(hù)裝置結(jié)構(gòu)主要由承接裝置、跑偏傳感器和傳輸線(xiàn)組成。在架空乘人裝置上、下人站點(diǎn)處兩側(cè)托繩輪架的圓心位置各焊接一個(gè)承接裝置，該裝置用長(zhǎng)度為50 mm，直徑為70 mm的圓鋼加工而成，外圓直徑70 mm,內(nèi)圓直徑50 mm，外側(cè)鋼絲繩擋繩位置厚度為10 mm。

架空乘人裝置運(yùn)行時(shí)，當(dāng)牽引鋼絲繩從托繩輪上脫落時(shí)，鋼絲繩觸動(dòng)傳感器，同時(shí)直接掉落在承接裝置上，托繩輪上的承接裝置托住鋼絲繩隨著轉(zhuǎn)動(dòng)，不至于磨損鋼絲繩。同時(shí)架空乘人裝置電控PLC系統(tǒng)采集到信號(hào)時(shí)，架空乘人裝置裝置停止運(yùn)行，如圖1所示。

1-承接裝置； 2-托繩輪； 3-鋼絲繩； 4-跑偏傳感器； 5-電纜。

1.2 斷軸保護(hù)裝置結(jié)構(gòu)及工作原理

架空乘人裝置驅(qū)動(dòng)輪主軸的設(shè)計(jì)一般都有足夠的安全系數(shù)，但是井下環(huán)境比較惡劣，且部分架空乘人裝置運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)，負(fù)載大，驅(qū)動(dòng)輪主軸是承受負(fù)載最大的部件，同時(shí)承受驅(qū)動(dòng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)所需的大扭矩及沿鋼絲繩方向的徑向拉力，還時(shí)常會(huì)受到一些沖擊載荷，這些因素都可能會(huì)縮短主軸的使用壽命，產(chǎn)生裂紋甚至斷裂，存在較大的安全隱患[5]。

根據(jù)21軌道下山上段減速器驅(qū)動(dòng)的架空乘人裝置現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際運(yùn)行情況，計(jì)算彎曲剪切力，利用16 mm鋼板自行加工安裝斷軸保護(hù)裝置。斷軸保護(hù)裝置結(jié)構(gòu)主要由斷軸保護(hù)裝置上托盤(pán)固定螺栓、上托盤(pán)、驅(qū)動(dòng)輪、下托盤(pán)、驅(qū)動(dòng)輪軸、U型卡、壓板、下托盤(pán)固定螺栓、控制回路行程開(kāi)關(guān)等組成，如圖2所示。

1-上托盤(pán)固定螺栓； 2-上托盤(pán)； 3-驅(qū)動(dòng)輪； 4-下托盤(pán)；5-驅(qū)動(dòng)輪軸； 6-U型卡； 7-控制回路行程開(kāi)關(guān)。

在驅(qū)動(dòng)輪裝置平臺(tái)下方利用減速器4條直徑為M30螺栓安裝兩塊對(duì)稱(chēng)半圓的上托盤(pán)，同時(shí)在驅(qū)動(dòng)輪輪副上方用12條直徑為M16型U型卡固定兩塊對(duì)稱(chēng)半圓的下托盤(pán)。當(dāng)驅(qū)動(dòng)輪正常運(yùn)行時(shí)，上托盤(pán)與下托盤(pán)之間存在16 mm間隙，上托盤(pán)圓盤(pán)與下托盤(pán)圓盤(pán)之間存在14 mm間隙，不會(huì)影響驅(qū)動(dòng)輪正常運(yùn)轉(zhuǎn)。為監(jiān)測(cè)主軸彎曲量，防止斷軸事故發(fā)生，在驅(qū)動(dòng)輪前安裝行程開(kāi)關(guān)，行程開(kāi)關(guān)和輪沿間距為4 mm，并接入電控PLC主控制回路。當(dāng)主軸斷裂導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)輪掉落時(shí)，下托盤(pán)隨著驅(qū)動(dòng)輪掉落到上托盤(pán)上，阻止其繼續(xù)下落。此時(shí)，驅(qū)動(dòng)輪觸碰行程開(kāi)關(guān)動(dòng)作，架空乘人裝置電控PLC系統(tǒng)采集不到信號(hào)時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)停車(chē)并報(bào)警。

1.3 延時(shí)啟動(dòng)聲光預(yù)警信號(hào)結(jié)構(gòu)及工作原理

當(dāng)人員在斜巷施工或行走時(shí)，由于未提前語(yǔ)音告知，可能會(huì)導(dǎo)致其他異常情況發(fā)生或人員蹭傷。

延時(shí)啟動(dòng)聲光預(yù)警信號(hào)由電源模塊(輸入AC 127 V、輸出DC 12 V)、YU04型4路隔離語(yǔ)音控制器、2個(gè)繼電器(24 V)、8臺(tái)KXH-127礦用隔爆兼本質(zhì)安全型語(yǔ)音聲光信號(hào)器(語(yǔ)音箱)、4臺(tái)KXH-127礦用隔爆兼本質(zhì)安全型語(yǔ)音聲光器(紅綠燈)、電纜等部分組成。

在架空乘人裝置平臺(tái)處礦用隔爆兼本質(zhì)安全型語(yǔ)音聲光信號(hào)器(語(yǔ)音箱)內(nèi)安裝2個(gè)繼電器J1、J2(36 V)、YU04型4路隔離語(yǔ)音控制器(提前錄制語(yǔ)音或下載語(yǔ)音,音頻輸入語(yǔ)音控制器)；由原來(lái)PLC控制箱內(nèi)引出DC 24 V電源接在繼電器J2線(xiàn)圈上，從礦用隔爆型信號(hào)照明綜保上引出127 V電源接在電源模塊輸入端，輸出DC 12 V供紅綠燈電源。由J2控制原音響與新錄制聲音轉(zhuǎn)換，同時(shí)J2控制繼電器J1，J1控制紅綠燈。

利用原來(lái)PLC控制箱內(nèi)開(kāi)車(chē)預(yù)警按鈕，在語(yǔ)音箱內(nèi)加裝J2繼電器，在4個(gè)車(chē)場(chǎng)口加裝紅綠燈，紅綠燈電源從PLC控制箱取AC 127 V變?yōu)镈C 12 V電源，紅綠燈裝置內(nèi)部自帶有紅燈、綠燈、語(yǔ)音模塊。

停止?fàn)顟B(tài)下各車(chē)場(chǎng)的紅綠燈裝置顯示為綠燈，啟動(dòng)時(shí)，首先按下開(kāi)車(chē)預(yù)警按鈕，繼電器J2(24 V)通電，YU04型4路隔離語(yǔ)音控制器會(huì)發(fā)出語(yǔ)音“猴車(chē)正在啟動(dòng)，請(qǐng)注意安全”，提醒乘坐人員，架空乘人裝置準(zhǔn)備啟動(dòng)，常開(kāi)點(diǎn)吸合，紅燈開(kāi)關(guān)閉合，綠燈變?yōu)榧t燈。延時(shí)5 s后J1點(diǎn)自動(dòng)閉合，紅燈開(kāi)關(guān)打開(kāi)，紅燈變綠燈，如圖3所示。

圖3 延時(shí)啟動(dòng)聲光預(yù)警信號(hào)原理

1.4 電氣閉鎖結(jié)構(gòu)及工作原理

大平煤礦主斜巷安裝了架空乘人裝置和礦用運(yùn)輸絞車(chē)各一部，用于運(yùn)送人員和提升物料，混合作業(yè)。絞車(chē)運(yùn)行時(shí)，架空乘人裝置操作臺(tái)因誤操作啟動(dòng)運(yùn)行架空乘人裝置，從而造成斜巷運(yùn)輸事故發(fā)生。為避免事故發(fā)生，在現(xiàn)用架空乘人裝置的控制開(kāi)關(guān)(礦用隔爆型真空電磁起動(dòng)器)控制回路和絞車(chē)控制開(kāi)關(guān)(礦用隔爆型真空可逆電磁起動(dòng)器)控制回路加裝電氣閉鎖線(xiàn)路，實(shí)現(xiàn)絞車(chē)和架空乘人裝置閉鎖。

電氣閉鎖結(jié)構(gòu)由兩檔按鈕、電源模塊(輸入AC127 V、輸出DC 12 V)、繼電器J1、中間繼電器J2、40 A接線(xiàn)盒，KXH-127礦用隔爆兼本質(zhì)安全型語(yǔ)音聲光器(紅綠燈)、電纜等部分組成。

將紅綠燈、中間繼電器ZJ、控制紅綠燈的雙擋按鈕(QA控制紅燈、TA控制綠燈)接在BZX-2.5型信號(hào)照明綜合保護(hù)回路中，并將中間繼電器J2的一個(gè)常開(kāi)觸點(diǎn)(CM1或CM2)串在絞車(chē)電控回路中，架空乘人裝置一個(gè)常閉觸點(diǎn)CM3并在絞車(chē)紅綠燈常閉點(diǎn)上，并按電氣閉鎖原理圖進(jìn)行連接。

當(dāng)絞車(chē)未啟動(dòng)時(shí)，從信號(hào)綜保引出的三相127 V交流電中，只有A、B兩相有電，公用線(xiàn)無(wú)電，中間繼電器J2不動(dòng)作。此時(shí)綠燈亮，紅燈H不亮，喇叭無(wú)聲，綠燈L亮，架空乘人裝置常閉觸點(diǎn)CM3閉合，形成閉合控制回路，架空乘人裝置運(yùn)行，此時(shí)絞車(chē)不能啟動(dòng)運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)了電氣閉鎖控制。當(dāng)絞車(chē)啟動(dòng)提升時(shí)，按下啟動(dòng)按鈕QA，J2吸合，公用線(xiàn)與B相接通，繼電器J1吸合，常閉點(diǎn)J1斷開(kāi)，架空乘人裝置常閉觸點(diǎn)CM3斷開(kāi)，此時(shí)架空乘人裝置控制開(kāi)關(guān)斷電，無(wú)法構(gòu)成合閘控制回路，即合不上閘，綠燈L熄滅，繼電器常開(kāi)接點(diǎn)接通紅燈電路和音響電路，喇叭發(fā)出“正在行車(chē)，嚴(yán)禁行人”的語(yǔ)言提示，同時(shí)紅燈按一定頻率閃爍。絞車(chē)啟動(dòng)時(shí)斷開(kāi)了架空乘人裝置的控制線(xiàn)CM3，實(shí)現(xiàn)了絞車(chē)運(yùn)行而架空乘人裝置不能啟動(dòng)的閉鎖控制，電氣閉鎖工作原理如圖4所示。

1.5 電控可移動(dòng)乘人平臺(tái)結(jié)構(gòu)及工作原理

架空乘人裝置乘人平臺(tái)如果距軌道太近，影響車(chē)輛運(yùn)輸；如果距吊椅太遠(yuǎn)，不方便職工乘坐。為確保乘人和軌道運(yùn)輸安全，設(shè)計(jì)并安裝電控可移動(dòng)乘人平臺(tái)。

圖4 電氣閉鎖工作原理

電控可移動(dòng)乘人平臺(tái)由電源塊(輸入AC 127 V、輸出DC 12 V)、繼電器(36 V)、隔爆兼本安型控制箱、電磁閥(DC 12 V)、電纜、手轉(zhuǎn)閥門(mén)、氣缸以及乘人平臺(tái)等部分組成。

提前設(shè)計(jì)乘人平臺(tái)以及滑道，安裝氣缸。然后在架空乘人裝置隔爆兼本安型控制箱內(nèi)安裝電源模塊和繼電器(36 V)，由架空乘人裝置控制開(kāi)關(guān)內(nèi)引出36 V電源接在繼電器線(xiàn)圈上，由礦用隔爆型信號(hào)照明綜合保護(hù)器上引出127 V電源接在電源模塊輸入端，電源塊輸出端12 V接在繼電器的一組常開(kāi)點(diǎn)上，電磁閥電源接在繼電器常開(kāi)點(diǎn)上。架空乘人裝置啟動(dòng)后，繼電器(36 V)通電，常開(kāi)點(diǎn)吸合，導(dǎo)通電磁閥12 V電源，電磁閥打開(kāi)，風(fēng)源導(dǎo)通，氣缸推動(dòng)乘人平臺(tái)動(dòng)作；反之架空乘人裝置不啟動(dòng)，繼電器(36 V)無(wú)電，常開(kāi)點(diǎn)斷開(kāi)，電磁閥關(guān)閉，氣缸風(fēng)源斷開(kāi)，乘人平臺(tái)不動(dòng)作，不影響軌道運(yùn)輸，如圖5所示。

圖5 電控可移動(dòng)乘人平臺(tái)工作原理

1.6 鋼絲繩順利導(dǎo)入裝置結(jié)構(gòu)及工作原理

架空乘人裝置運(yùn)行時(shí)，在機(jī)頭驅(qū)動(dòng)輪、機(jī)尾迂回輪牽引鋼絲繩入繩口處，由于機(jī)頭、機(jī)尾越位保護(hù)不到位，人員乘坐吊椅或異物通過(guò)機(jī)頭驅(qū)動(dòng)輪、機(jī)尾迂回輪時(shí)，容易造成掉繩或人員摔傷事故。

鋼絲繩順利導(dǎo)入裝置結(jié)構(gòu)主要由安全防護(hù)裝置、傳感器、磁鋼和傳輸線(xiàn)組成。機(jī)頭驅(qū)動(dòng)輪或機(jī)尾迂回輪入繩口安全防護(hù)裝置如圖6所示，安裝在驅(qū)動(dòng)裝置機(jī)架入繩側(cè)的安裝板上，用螺栓與安裝板連接，在合適位置擰緊，使抱索器過(guò)牽引鋼絲繩能從槽口中間通過(guò)且抱索器通過(guò)時(shí)不會(huì)碰到防護(hù)裝置。

架空乘人裝置正常運(yùn)行時(shí)，無(wú)異物或其他異常情況時(shí)，安全防護(hù)裝置前鋼板上磁鋼脫離傳感器感應(yīng)范圍，不輸出信號(hào)。當(dāng)有異物在牽引鋼絲繩上運(yùn)行，經(jīng)機(jī)頭驅(qū)動(dòng)輪、機(jī)尾迂回輪牽引鋼絲繩入繩口處鋼板，鋼板上一側(cè)磁鋼發(fā)生位移，另一側(cè)傳感器感應(yīng)磁鋼并輸出信號(hào)，將其傳到PLC控制箱，同時(shí)通過(guò)入繩口安全防護(hù)裝置阻擋而將異物帶入驅(qū)動(dòng)輪或迂回輪，系統(tǒng)自動(dòng)保護(hù)停車(chē)，從而避免發(fā)生因異物順利通過(guò)機(jī)頭驅(qū)動(dòng)輪或機(jī)尾迂回輪造成掉繩或傷亡人員事故。

圖6 鋼絲繩順利導(dǎo)入裝置結(jié)構(gòu)

2 應(yīng)用效果及效益分析

2.1 應(yīng)用效果

各項(xiàng)安全保護(hù)裝置在大平煤礦架空乘人裝置應(yīng)用后，效果明顯，達(dá)到設(shè)計(jì)目的。具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，實(shí)用性強(qiáng)，安裝方便，安全可靠，維修量小的特點(diǎn)，所用元器件均為煤礦企業(yè)常用器件，取材方便，可產(chǎn)生一定經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

2.2 效益分析

大平煤礦組織技術(shù)人員對(duì)安全保護(hù)裝置進(jìn)行設(shè)計(jì)改造，共花費(fèi)3.76萬(wàn)元，與對(duì)外采購(gòu)保護(hù)裝置花費(fèi)45萬(wàn)元相比，可節(jié)省費(fèi)用41.24萬(wàn)。通過(guò)完善4部架空乘人裝置各類(lèi)保護(hù)，延長(zhǎng)了設(shè)備的使用壽命。原人員配置為絞車(chē)兼架空乘人裝置司機(jī)1人，上下把鉤工2人，改造后只需1名工作人員，按每人每年3.6萬(wàn)工資計(jì)算，全年可節(jié)省人工費(fèi)用21.6萬(wàn)元。每年可減少抱索器投入84件(每件275元)、輪襯投入320件(每件185元)，減少維修材料費(fèi)用8.23萬(wàn)元。全年可節(jié)約人工和材料配件費(fèi)用71.07萬(wàn)元。

各項(xiàng)保護(hù)的完善能顯著提高架空乘人裝置安全運(yùn)行水平，降低設(shè)備維護(hù)維修費(fèi)用，確保乘坐人員人身安全，有效提高架空乘人裝置在斜巷提升的安全系數(shù)，可防止惡性事故的發(fā)生，為斜巷運(yùn)人設(shè)備消除安全隱患，符合新版《煤礦安全規(guī)程》對(duì)架空乘人裝置的要求。

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)架空乘人裝置防脫繩保護(hù)、驅(qū)動(dòng)輪斷軸保護(hù)裝置、延時(shí)啟動(dòng)聲光預(yù)警信號(hào)、電氣閉鎖、電控可移動(dòng)乘人平臺(tái)和鋼絲繩順利導(dǎo)入裝置研制并應(yīng)用，完善了架空乘人裝置的安全保護(hù)裝置，降低了架空乘人裝置在運(yùn)行中的安全隱患，確保了乘坐人員的人身安全，在安全保護(hù)方面提供了可借鑒的經(jīng)驗(yàn)，經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益顯著，具有一定的推廣應(yīng)用價(jià)值[6]。