面向煤礦斜井跑車防護的柔性緩沖動力學(xué)仿真分析與實踐

宋國棟

(應(yīng)急管理部信息研究院，北京 100029)

煤礦跑車現(xiàn)象是斜井運輸中常見的事故類型，跑車防護效果關(guān)系到斜井運輸安全和防護裝置重復(fù)使用效率[1]。目前，國內(nèi)的跑車防護制動裝置多采用鋼絲繩攔網(wǎng)式擋車[2-6]，采用壓板式緩沖器進行高能碰撞吸收，調(diào)節(jié)阻力值需用公斤力板手由專業(yè)經(jīng)驗的人員進行操作，兩側(cè)的阻力值很難調(diào)到一致并且誤差大。壓力小鋼絲繩容易抽出，壓力大鋼絲繩容易斷裂造成礦車堆疊，對礦車、巷道破壞性大，容易造成重大人員傷亡；并且跑車攔截后緩沖器容易變形，不能重復(fù)使用；現(xiàn)有產(chǎn)品的誤動作率高、可靠性差、無法承受高速沖擊，嚴重威脅著煤礦的安全生產(chǎn)。國外技術(shù)發(fā)展呈現(xiàn)2個方向：①英國、美國、澳大利亞等國采用的塞爾達制動器[7-11]，即通過變形吸能器作為緩沖裝置，通過輥輪在平行交錯中鋼帶的變形吸收碰撞能量；②俄羅斯研究的柔性緩沖器防護技術(shù)，即通過柔性緩沖器變形來達到吸收能量的目的[12-14]。具有制動距離短、抗沖擊能力強、裝置重復(fù)利用率高等特點。

綜合國內(nèi)外斜井跑車智能防護技術(shù)的研究情況，柔性緩沖防護及智能識別與預(yù)警技術(shù)裝置具有吸收能量高、識別速度快、誤動作率低等優(yōu)點，代表技術(shù)發(fā)展的最新方向。

1 高能碰撞理論分析

煤礦斜巷一般采用擋車欄作為跑車防護的措施，擋車欄通過吸收撞擊過程中產(chǎn)生的能量進行攔截失控車輛。在攔截過程中期望在較短的緩沖距離內(nèi)吸收更多的緩沖能量。因此，需要對擋車欄采用高能柔性碰撞技術(shù)，利用鋼絲繩與緩沖器之間的摩擦力，吸收礦車碰撞中的能量。為了達到較好的緩沖效果，對緩沖器采用多股鋼絲繩并聯(lián)的方式以加大相互之間的摩擦力；同時為了更有效控制該摩擦力，在鋼絲繩上方設(shè)計調(diào)整螺栓將其壓住，能夠根據(jù)不同應(yīng)用場景靈活調(diào)整摩擦力。

在碰撞初期，由于跑車速度較大，擋車欄作用于跑車的作用力會有一個較大的峰值，隨著撞擊過程的發(fā)展，作用力逐漸減小。通常情況下，撞擊初期作用力造成的加速度是穩(wěn)態(tài)階段的2～4倍。根據(jù)上述碰撞特性，跑車與擋車欄碰撞過程中，跑車的動能被擋車欄的攔截所用所吸收，該吸收過程可以表述：

(1)

式中，e(t)為跑車的動能隨時間的變化函數(shù)，s為時間，m為礦車總質(zhì)量，V1為礦車運行速度，V0為礦車初始速度。

擋車欄攔截礦車的過程中，礦車在緩沖器的作用下產(chǎn)生的加速度為：

a(t)=e(t)/m

(2)

式中，加速度a和動能e均為時間函數(shù)，隨著緩沖過程的時間變化而變化。

在擋車欄緩沖器的作用下，碰撞初期加速度假定保持不變，速度均勻變化，碰撞持續(xù)時間t可以用表示為：

但是也有研究人員顯示，皮下注射0.25 mg/kg的蜂毒，對白鼠CCI術(shù)后引起的痛覺過敏進行治療，發(fā)現(xiàn)單次注射蜂毒，脊髓NRI磷酸化抑制現(xiàn)象發(fā)生，但是僅能對白鼠的熱痛敏進行抑制，機械性痛敏則沒有任何作用[11]。還有研究顯示[12]，敲除白鼠脊髓背角NRI基因，對疼痛模型制作，制作形成以后的24 h內(nèi)并沒有發(fā)現(xiàn)任何異?，F(xiàn)象，但是48 h后卻出現(xiàn)了機械性痛敏，證實有其他因素參與在痛敏形成中。

t=v0/a

(3)

跑車制動距離：

(4)

2 柔性緩沖器仿真

2.1 柔性緩沖器建模

實際應(yīng)用中，擋車欄為整個柔性緩沖系統(tǒng)受到撞擊力最大的部件，所以為擋車欄進行動力學(xué)仿真十分必要。為了建立礦車柔性緩沖器的實體模型和動力學(xué)仿真，利用SolidWorks2014建立斜井跑車高能碰撞柔性緩沖器擋車欄的三維模型[15]，將模型導(dǎo)入SolidWorks Motion中，添加運動副，施加載荷和約束條件以及求解，分析顯示動力學(xué)模擬仿真檢驗礦車柔性緩沖器設(shè)計合理性。利用SolidWorks Motion進行動力學(xué)仿真分析步驟如圖1所示。

圖1 動力學(xué)仿真分析步驟

按照實際尺寸在SolidWorks分別建立柔性緩沖器擋車欄零件模型，零件模型建立完成之后通過條件約束進行總體裝配。碰撞瞬間的裝配圖如圖2所示。

圖2 柔性緩沖器擋車欄裝配示意

2.2 動力學(xué)仿真分析

2.2.1 模型簡化

一般礦車2～8臺，其總體質(zhì)量不大于16 t，這里將模型簡化，將小車建立成一個模型，但是總體質(zhì)量達到最大值。針對整個滑車和制動系統(tǒng)，模型系統(tǒng)與水平方向保持夾角30°。

2.2.2 分析模型前處理

建立動力學(xué)仿真模型：①滑車與鐵軌是滾動摩擦，摩擦系數(shù)為0.05；②滑車與制動器間為碰撞接觸；③制動器運動方向阻尼初設(shè)為40 N·S/mm；④箕斗滿載條件下總質(zhì)量16 t；⑤最大制動力919.789 kN，最小的制動力為64.822 kN，選取均值78.400 kN作為制動力；⑥礦車鐵軌與水平方向的角度為30°，礦車垂直方向的下落距離為3 m。

2.2.3 動力學(xué)仿真

設(shè)置仿真時間為5 s，通過簡化后的模型進行動力學(xué)仿真前后的狀態(tài)得出碰撞瞬間的制動距離約為3.6 m，碰撞力為287 kN。受力方向如圖3所示，瞬間撞擊力曲線如圖4所示。

圖3 受力方向示意

圖4 瞬間碰撞作用力曲線

2.2.4 SolidWorks Simulation有限元分析

通過之前的力學(xué)模型可知，在碰撞的瞬間擋車欄受到的沖擊力是巨大的，把礦車視為剛體，提取擋車欄的模型進行力學(xué)的有限元分析，通過力學(xué)分析查看擋車欄是否能在巨大的沖擊力下實現(xiàn)多次循環(huán)使用。

首先將抽取的擋車欄模型導(dǎo)入SolidWorks Simulation，定義擋車欄的材料，這里將其設(shè)置為鋼材料，下一步進入SolidWorks Simulation界面對擋車欄進行接觸設(shè)置、劃分網(wǎng)格、施加約束以及求解等。上述步驟如相關(guān)參數(shù)設(shè)置如圖5所示，施加載荷如圖6所示。

圖5 擋車材料參數(shù)設(shè)置

圖6 施加載荷仿真

完成材料，載荷等條件的設(shè)定后，便可進行擋車的靜應(yīng)力分析。得到的結(jié)果如圖7所示。

圖7 擋車靜應(yīng)力分析結(jié)果

通過之前力學(xué)模型，可以得出進行動力學(xué)和有限元分析的數(shù)據(jù)。當小車為滿載時，沿著軌道向下運動，其撞擊擋車欄瞬間為最大撞擊力，用之前動力學(xué)分析出的最大撞擊力，對擋車欄進行了有限元分析，得出擋車欄在撞擊的一瞬間的形變?yōu)?.2 mm。金屬一般會產(chǎn)生回彈，對擋車欄后續(xù)工作的影響不大，可以反復(fù)多次使用以便減少成本。

3 結(jié)論

煤礦斜井軌道運輸?shù)倪^程中，以2～8節(jié)礦車的運輸方式最為常見，本文針對斜井車輛失控時撞擊能量大、巷道環(huán)境復(fù)雜的情況，設(shè)計了跑車防護柔性緩沖器，建立了煤礦斜井跑車碰撞的數(shù)學(xué)模型，分析了斜井跑車高能碰撞柔性緩沖器在礦車失控時的受力狀態(tài)，得出進行動力學(xué)和有限元分析的數(shù)據(jù)。

利用SolidWorks Motion對柔性緩沖器擋車機構(gòu)進行了動力學(xué)仿真，根據(jù)實際應(yīng)用場景，通過參數(shù)給定，結(jié)合用動力學(xué)分析出的最大撞擊力，對擋車欄進行了有限元分析，得出擋車欄在撞擊的一瞬間的形變?yōu)?.4 mm，變形率為0.12%，金屬一般會產(chǎn)生回彈，對擋車欄后續(xù)工作的影響不大，因此可以反復(fù)多次使用。實驗證明，本文采用的柔性緩沖器擋車機構(gòu)對煤礦跑車能夠有效攔截，并具備多次重復(fù)使用的特點，對于提升煤礦斜井安全水平和減少跑車防護設(shè)施維護強度具有重要意義。