礦井行車安全防護裝置仿真與試驗

楊征，謝永利，李戰(zhàn)海，丁元，李盟潔，李茂慶

(1.陜西小保當?shù)V業(yè)有限公司， 陜西 榆林 719302；2.陜西陜煤榆北煤業(yè)有限公司，陜西 榆林 719000；3.陜西煤業(yè)化工技術研究院有限責任公司， 西安 710000)

0 引言

防爆無軌膠輪車由于其高效、靈活和便捷的特點，在現(xiàn)代化煤礦斜巷運輸中使用得愈加頻繁[1-3]，但無軌膠輪車一旦發(fā)生跑車失速事故，會造成巨大的經(jīng)濟損失和人員傷亡。2011年9月24日，陜西有色榆林煤業(yè)有限公司杭來灣煤礦作業(yè)人員，乘坐四輪車從副斜井入井200 m后，發(fā)現(xiàn)車輛不能正常換檔、剎車失靈，滑行中撞在左側巷幫上，造成4人死亡的嚴重后果。2013年8月23日，位于鄂爾多斯市準格爾旗境內(nèi)的內(nèi)蒙古西蒙集團電力滿都拉煤礦的一輛運送噴漿材料的防爆膠輪車搭乘施工人員入井時，行至副斜井井底(距副井口440 m，坡度5.5°)拐彎處，車輛失控，迎面撞在巷道上，造成4人死亡，事故直接經(jīng)濟損失約735萬元。2019年2月23日，內(nèi)蒙古礦業(yè)西烏珠穆沁旗銀漫礦業(yè)有限公司通勤車在往井下運送工人時，車輛失控，撞上輔助斜坡巷道，造成重大運輸安全事故，造成21人死亡，29人受傷的嚴重后果。煤礦防爆無軌膠輪車運輸車輛失速事故的頻頻發(fā)生，讓煤礦井下斜巷無軌運輸事故的預防，井下安全防護設施及防護性能的研究及改進日益引起人們的重視[4-5]。《煤礦安全規(guī)程》中也明確規(guī)定：“在傾斜井巷內(nèi)安設能夠?qū)⑦\行中斷繩、脫鉤的車輛阻止住的跑車防護裝置”以及“在變坡點下方略大于一列車長度的地點，設置能夠防止未連掛的車輛繼續(xù)往下跑車的擋車欄”。針對井下斜巷運輸，目前常見保護措施的是設計安裝各種各樣的阻車裝置[6-9]，但主要是針對有軌運輸失速事故預防，針對無軌運輸車輛失速事故防護設施較少，并在實際的無軌運輸中，由于運輸方式靈活，防爆無軌膠輪車車輛失速工況復雜，不確定性較大，一旦車輛碰撞到巷道附屬設施，將會造成巨大的經(jīng)濟損失，同時對井下工作人員和乘員存在極大的安全隱患，因此設計研發(fā)一種適用于礦井斜巷無軌運輸?shù)男熊嚢踩雷o裝置十分必要。

1 結構設計

礦井斜巷安全設施分為防跑車裝置和跑車防護裝置兩大類。本文采用新型納米緩沖吸能材料[10-12]，設計了一套針對煤礦斜巷長坡段安裝在巷道壁上的跑車安全防護裝置，當防爆無軌膠輪車發(fā)生失速事故時，無軌膠輪車與安裝在巷道壁上的行車安全防護裝置進行碰撞耗能，摩擦導向，從而使無軌膠輪車速度減慢直至平穩(wěn)停車，確保無軌膠輪車及乘車人員的安全。關于納米流體吸能材料已有大量的研究，該材料主要由功能流體和納米多孔材料組成，在外力作用(沖擊、碰撞)下，隨著功能流體在臨界壓力值以上進入納米孔，可將外界機械能轉化為固-流體界面能和摩擦熱能，由于納米多孔材料巨大的比表面積，該材料吸能密度可以達到30 J/g以上。納米流體吸能材料需要與封裝材料組合，因此可以根據(jù)不同的適用場景來設計吸能結構。

本文礦井行車安全防護裝置的主要功能是：吸收失速車輛的瞬間碰撞動能，并使失速后的防爆無軌膠輪車速度減慢直至停車。借鑒相關護欄性能評價標準，要求車輛側碰撞到行車安全防護裝置時，車輛能被導回到正常行駛車道，但駛出角度不能大于碰撞角度的60%，避免車輛和人員受到重傷[13]。根據(jù)牛頓第二定律F=ma和沖量定理Ft=Δmv，在碰撞初期，車輛速度如果較快，車頭碰撞力會很大，故車輛的加速度也會增大，因此，礦井行車安全防護裝置的結構設計應符合：前部采用柔性結構和材料吸能，以后循序增強其剛度，并增加其吸能能力等要求。因此在安全防護裝置前部采用聚氨酯彈性體，并在轉珠和耗能箱體中填充納米吸能結構，由于該裝備用于礦井，因此所有材料均符合井下防爆和阻燃抗靜電要求。

因此，行車安全防護裝置主要由前端柔性緩沖吸能層、耗能箱體、轉珠、立柱及錨固組件等部分組成，錨固組件用于與礦井斜巷道壁連接固定，如圖1所示。

1-柔性緩沖層；2-轉珠；3-立柱；4-耗能箱體；5-聚氨酯彈簧。

車輛碰撞到安全防護設施后，首先前端的柔性緩沖層變形耗散能量，用具有一定剛度的耗能箱體(內(nèi)部填充納米吸能結構)和立柱來實現(xiàn)對車輛沖擊力的抵抗，導向輪采用柔性材料，用來實現(xiàn)對車輛的引導和柔性緩沖，同時延長碰撞時間，使失速車輛減速平穩(wěn)停車。其中，采用這種組裝可導向的行車安全防護裝置，不但安裝比較方便，在更換破壞的構件方面也比較簡單。由于煤礦井下環(huán)境特殊，因此所有材料均符合阻燃抗靜電等煤礦井下安全使用要求。

2 防撞性能仿真分析

失速車輛與阻車防護設施發(fā)生碰撞時產(chǎn)生的加速度及能否讓失速車輛平穩(wěn)停車是判定防護設施安全性能的基本標準，因此要求在特定速度下，防護設施能降低車輛的加速度，同時降低車輛行駛速度直至平穩(wěn)停車，加速度由持續(xù)時間和作用力方向影響，因此延長持續(xù)時間或者減小撞擊力可以減小加速度。本節(jié)建立了防爆無軌膠輪車與行車安全防護裝置的有限元碰撞仿真模型，為了減小計算量，小車質(zhì)量為1.4 t。

為了降低網(wǎng)格數(shù)量對計算結果的影響和減少計算時間，仿真模型中對車輛模型某些結構細節(jié)進行了合理的簡化，例如將車輛部分錨固螺栓和車身采用rigid-link和梁單元模擬等。無軌膠輪車仿真碰撞模型的車身結構以四邊形殼單元為主，各構件主要采用點焊連接，無軌膠輪車與礦井行車安全防護裝置之間采用自動單面接觸。

礦井行車安全防護裝置主要由前端柔性緩沖層、耗能箱體、轉珠、立柱等部分組成，柔性緩沖層和轉珠采用彈性聚氨酯材料，利用泡沫材料本構關系，立柱和耗能箱體采用鋼構件，材質(zhì)為Q235，采用金屬彈塑性本構關系，耗能箱體內(nèi)填充納米吸能結構，防護裝置通過固定邊界條件與剛性墻連接。車輛與防護裝置碰撞仿真模型如圖2(a)所示，圖2(b)為安全防護裝置，圖2(c)為無軌膠輪車仿真模型。

(c) 車輛碰撞角度示意圖(d) 車輛碰撞角度示意圖

圖2 碰撞仿真示意圖

由于在礦井行車事故中側碰事故概率較高，因此選擇碰撞方式選擇側碰，碰撞角度為20°，《煤礦井下安全規(guī)程》規(guī)定井下車輛行駛限速為25 km/h，為了提高安全系數(shù)和減小計算量，仿真設置碰撞速度為30 km/h。失速車輛碰撞軌跡如圖3(a)所示，可以看到礦井行車安全防護裝置符合設計預想的緩沖耗能導向機理，當車輛碰撞到行車安全防護裝置后，表面的柔性緩沖層首先發(fā)生變形，耗能箱體和立柱來實現(xiàn)對車輛沖擊力的抵抗，聚氨酯導向輪將車輛引導到正常行駛方向，車輛碰撞前后形態(tài)如圖3(b)所示，可以看到車輛碰撞后保持正常姿態(tài)，沒有翻車，沿著安全防護裝置轉珠導向至正常方向后平穩(wěn)停車，碰撞側車頭凹進變形，行車安全緩沖裝置構件及其脫離件沒有侵入車輛乘員艙。

(a) 安全防護裝置布置圖(b) 安全防護裝置布置圖

(b) 車輛撞擊力時程變化曲線

(a) 車輛行駛速度時程變化曲線

圖3 車輛碰撞過程及前后對比

同時，本文還對比安裝了行車安全防護裝置和未布置防護裝置碰撞墻體兩種工況下，車輛行駛速度和碰撞力的時程變化情況，結果如圖4所示，可以看到，安裝防護裝置后，車輛失速時有明顯的減速緩沖過程，且車輛碰撞力減小。

無軌膠輪車與行車安全防護裝置碰撞時產(chǎn)生的力及其相互作用的特點取決于碰撞條件，其中最重要的是碰撞速度、碰撞角度和車輛質(zhì)量。本節(jié)還研究了在碰撞角度和車輛質(zhì)量一定情況下車輛的碰撞速度對車頭撞擊力的影響，分別對碰撞速度為30 km/h、40 km/h、50 km/h、60 km/h和70 km/h時，車頭撞擊力的變化趨勢進行了總結，撞擊力計算結果如圖5所示，結果表明車頭撞擊力隨著碰撞速度的增大而增大，因此實行嚴格的限速措施管理對煤礦井下運輸安全具有重要的指導意義。

圖5 不同碰撞速度下車頭碰撞力隨著時間的變化關系

3 實車碰撞試驗分析

3.1 碰撞試驗條件

根據(jù)礦井事故調(diào)研資料統(tǒng)計分析，載人無軌膠輪車和小型貨車由于運行速度較快且總質(zhì)量較小，因此發(fā)生失速事故頻率較高且危害較大。結合上節(jié)中有限元計算分析結果，礦井行車安全防護裝置需要滿足對失速車輛進行阻擋、緩沖和導向等防護功能。為了進一步驗證安全防護設置性能，按照設計要求，對礦井安全防護裝置進行了實車足尺碰撞試驗。

考慮煤礦井下常用運輸車輛，實車碰撞試驗中車輛采用7 t中型載人客車。由于無軌膠輪車在煤礦井下斜巷運輸時，側碰概率較大，因此設置車輛碰撞角度為20°。礦井斜巷運輸限速為25 km/h，為了提高安全防護系數(shù)同時考慮經(jīng)濟性，本次實車試驗碰撞速度設置為40 km/h，并在駕駛室及車輛重心布置加速度傳感器，安全防護裝置及車輛試驗場布置如圖6所示。

3.2 碰撞試驗結果

駕駛室的加速度變化值影響乘員的安全性，本次試驗評價標準根據(jù)《公路護欄安全性能評價標準》中的要求，礦井行車安全防護裝置的安全性能需要滿足阻擋功能、導向功能和緩沖功能。根據(jù)高速攝像機記錄的碰撞過程，車輛碰撞行駛軌跡如圖7所示，可以看到失速車輛碰撞到防護裝置后，保持正常姿態(tài)，沒有翻車，車輛與防護裝置刮擦26.5 m，并沿著轉珠導向至正常行駛方向，駛出速度為13.4 km/h，車輛駛離防護裝置后平穩(wěn)停車，與仿真計算車輛行駛軌跡相同。

圖7 失速車輛碰撞行駛軌跡

安全防護裝置和失速車輛變形結果如圖8所示，可以看到車輛碰撞后，安全防護裝置起始端起，第10～13節(jié)段、第21～25節(jié)安全防護裝置破損，表面柔性緩沖層脫落。車輛車頭左側部分凹進，防撞墊構件及其脫離件沒有侵入車輛乘員艙，實車碰撞試驗后車門可打開，沒有影響乘員生存空間。車輛駕駛室和車輛重心位置加速度測量值均滿足規(guī)定要求。

(a)(b)

本次試驗參考《公路護欄安全性能評價標準》，其中，阻擋功能、導向功能和緩沖功能測試項目結果如表1所示，礦井行車安全防護裝置滿足各項要求，駕駛室乘員加速度符合要求，成功通過實車碰撞測試，并獲得礦井行車安全防護裝置碰撞測試報告。

表1 實車碰撞測試結果

4 結論

本文首次針對煤礦副斜井運輸巷道行車安全防護現(xiàn)狀，設計出一種新型安全防護裝置，該裝置主要由前端柔性吸能緩沖層、耗能箱體、轉珠、立柱和錨固組件等部分組成。當防爆無軌膠輪車失速碰撞到行車安全防護裝置后，前端柔性緩沖層吸收車輛大部分動能，耗能箱體和立柱來實現(xiàn)對車輛沖擊力的抵抗，導向輪用來實現(xiàn)對車輛行駛方向的引導，延緩碰撞時間，從而使失速車輛減速至平穩(wěn)停車。通過有限元分析軟件HYPERMESH/LS-DYNA，建立車輛質(zhì)量為1.4 t，碰撞速度為30 km/h,碰撞角度為20°工況下的碰撞仿真模型，仿真計算結果表明，本文設計的礦井用行車安全防護裝置，能夠使得失速車輛平穩(wěn)停車，滿足設計功能，相比未加防護的剛性墻防護，該防護設施降低駕駛艙加速度20%以上，同時研究了車輛失速速度對車頭撞擊力的影響，結果表明車輛初始碰撞速度越大，車頭撞擊力越大，因此針對井下安全行車，實行嚴格限速措施是提高行車安全性的必然要求。

在此基礎上，針對礦井行車安全防護裝置，進行了實車足尺碰撞試驗，試驗結果表明，該防護裝置能夠?qū)崿F(xiàn)對失速車輛的阻擋、導向和緩沖功能，且車輛駕駛室乘員加速度滿足各項指標，成功通過實車碰撞測試。目前該防護裝置已經(jīng)在陜北榆神礦區(qū)小保當?shù)V井示范安裝使用，該礦井行車安全防護裝置的設計與應用為井下行車安全防護設施的設計及煤礦運輸安全管理提供參考，對進一步提高煤礦安全具有重要的指導意義。