架空乘人裝置自轉(zhuǎn)抗繩輪的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

王球龍

（湘煤立達(dá)礦山裝備股份有限公司，湖南株洲 412000）

0 引言

架空乘人裝置作為礦井輔助運(yùn)輸系統(tǒng)的一種運(yùn)輸裝置，因其具有運(yùn)行安全可靠、運(yùn)載效率高、操作簡(jiǎn)單、低能環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于礦山生產(chǎn)中。由于礦山巷道的多樣性，架空乘人裝置在設(shè)計(jì)、安裝時(shí)需要考慮適應(yīng)各種巷道的現(xiàn)場(chǎng)情況，例如絞車與架空乘人裝置同巷安裝、巷道寬度窄、巷道沿線有多點(diǎn)拐彎等，在這類巷道中安裝架空乘人裝置時(shí)，需要配備抗繩（收繩）裝置和拐彎裝置等。

1 自轉(zhuǎn)抗繩輪的技術(shù)研發(fā)背景

架空乘人裝置常使用的抱索器類型一般有固定抱索器、大坡度可摘掛抱索器（卡鉗式抱索器）、活動(dòng)抱索器（瓦片式抱索器）等。

1.1 固定抱索器

固定抱索器配合普通的抗繩輪，通過(guò)抗繩輪收繩，能實(shí)現(xiàn)架空乘人裝置在窄巷道的安裝。運(yùn)行缺點(diǎn)：運(yùn)行中固定抱索器由牽引鋼絲繩帶動(dòng)，以撞擊的方式通過(guò)抗繩輪，長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，會(huì)對(duì)抱索器產(chǎn)生嚴(yán)重的損傷，造成抱索器松動(dòng)，出現(xiàn)抱索器抱不緊的情況，容易發(fā)生乘人器打滑現(xiàn)象，存在安全隱患。

固定抱索器配合普通的托輪組，通過(guò)多組托輪組按照特定的方式安裝，能實(shí)現(xiàn)架空乘人裝置在多點(diǎn)拐彎巷道中的安裝。運(yùn)行缺點(diǎn)：隨著長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)行，拐彎點(diǎn)的多組托輪組的托輪輪襯發(fā)生磨損，牽引鋼絲繩的運(yùn)行軌跡發(fā)生變化，造成牽引鋼絲繩運(yùn)行時(shí)容易發(fā)生掉繩現(xiàn)象，存在安全隱患。

1.2 大坡度可摘掛抱索器

大坡度可摘掛抱索器配合轉(zhuǎn)彎輪組、可旋吊椅，能實(shí)現(xiàn)架空乘人裝置在單向拐彎巷道中的安裝。運(yùn)行缺點(diǎn)：①隨著長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)行，拐彎點(diǎn)轉(zhuǎn)彎輪組的輪襯發(fā)生磨損，牽引鋼絲繩的運(yùn)行軌跡發(fā)生變化，造成牽引鋼絲繩在運(yùn)行時(shí)容易發(fā)生掉繩現(xiàn)象，存在安全隱患；②只能適應(yīng)多點(diǎn)單向拐彎的巷道，對(duì)于多點(diǎn)S 形拐彎巷道無(wú)法安裝。

活動(dòng)抱索器配合單獨(dú)的軌道，能實(shí)現(xiàn)架空乘人裝置在多點(diǎn)S 形拐彎巷道中的安裝。運(yùn)行缺點(diǎn)：①拐彎點(diǎn)只能是在水平位置拐彎；②抱索器靠運(yùn)行慣性在軌道上滑行通過(guò)，無(wú)運(yùn)行動(dòng)力保障；③活動(dòng)抱索器適應(yīng)的最大巷道坡度不能超過(guò)18°。

2 自轉(zhuǎn)抗繩輪的設(shè)計(jì)原理

根據(jù)《煤礦安全規(guī)程》的要求，秉承高效、安全、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單實(shí)用的設(shè)計(jì)原則，設(shè)計(jì)一種自轉(zhuǎn)抗繩輪，使架空乘人裝置能在窄巷道、多點(diǎn)拐彎巷道中安全可靠地安裝、使用（圖1）。

圖1 自轉(zhuǎn)抗繩輪結(jié)構(gòu)組成

自轉(zhuǎn)抗繩輪主要由步進(jìn)電機(jī)、減速機(jī)、主軸、單向軸承、安裝支架、旋轉(zhuǎn)支架、6 個(gè)均勻分布的滾輪組成。步進(jìn)電機(jī)通過(guò)鍵連接與主軸連接帶動(dòng)主軸，通過(guò)單向軸承帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)支架自轉(zhuǎn)，自轉(zhuǎn)的同時(shí)，滾輪與架空乘人裝置的牽引鋼絲繩之間通過(guò)滾動(dòng)實(shí)現(xiàn)滾輪交替改變牽引鋼絲繩的運(yùn)行軌跡，自轉(zhuǎn)抗繩輪通過(guò)安裝支架整體安裝在預(yù)埋橫梁上。

3 自轉(zhuǎn)抗繩輪在拐彎巷道中的應(yīng)用

3.1 架空乘人裝置的安裝與運(yùn)行軌跡

在S 形巷道中，架空乘人裝置由驅(qū)動(dòng)裝置、從動(dòng)裝置、牽引鋼絲繩及中間部分、內(nèi)側(cè)抗繩輪、自轉(zhuǎn)抗繩輪、乘人器等部分組成（圖2）。乘人器在架空乘人裝置上按照設(shè)計(jì)負(fù)載要求，以一定的數(shù)量均勻分布在牽引鋼絲繩上，隨著牽引鋼絲繩一起運(yùn)行。架空乘人裝置運(yùn)行時(shí)，牽引鋼絲繩按圖2 箭頭所示方向運(yùn)行，乘車人員通過(guò)乘人器，由牽引鋼絲繩帶動(dòng)，從驅(qū)動(dòng)裝置依次經(jīng)過(guò)內(nèi)側(cè)抗繩輪、自轉(zhuǎn)抗繩輪，達(dá)到從動(dòng)裝置，將乘車人員從S 形巷道的高水平點(diǎn)送到低水平點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)礦山巷道內(nèi)的運(yùn)人目的。

圖2 架空乘人裝置安裝示意

3.2 自轉(zhuǎn)抗繩輪運(yùn)行原理

乘人器經(jīng)過(guò)自轉(zhuǎn)抗繩輪時(shí)的運(yùn)行過(guò)程如圖3～圖6 所示。

圖3 局部主視圖

圖4 乘人器達(dá)到自轉(zhuǎn)抗繩輪前

圖5 乘人器經(jīng)過(guò)自轉(zhuǎn)抗繩輪（2 號(hào)、3 號(hào)滾輪接觸鋼絲繩）

圖6 乘人器通過(guò)自轉(zhuǎn)抗繩輪（3 號(hào)、4 號(hào)滾輪接觸鋼絲繩）

圖3 中乘人器由固定抱索器、乘人吊椅組成，乘人器通過(guò)固定抱索器固定在牽引鋼絲繩上，在架空乘人裝置運(yùn)行的過(guò)程中，乘人器隨著牽引鋼絲繩一起往前運(yùn)行。

圖4 狀態(tài)下，乘人器在自轉(zhuǎn)抗繩輪的2 號(hào)滾輪與3 號(hào)滾輪中間的空白區(qū)域，空白區(qū)域內(nèi)裝有檢測(cè)乘人器有無(wú)的信號(hào)觸發(fā)器，圖中由1 號(hào)、2 號(hào)滾輪與牽引鋼絲繩接觸，牽引鋼絲繩受1號(hào)、2 號(hào)滾輪抗繩作用，牽引鋼絲繩的運(yùn)行軌跡發(fā)生平滑的角度轉(zhuǎn)變，當(dāng)乘人器到達(dá)自轉(zhuǎn)抗繩輪前的信號(hào)檢測(cè)點(diǎn)時(shí)觸發(fā)信號(hào)，通過(guò)控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，以匹配牽引鋼絲繩運(yùn)行的速度帶動(dòng)自轉(zhuǎn)抗繩輪旋轉(zhuǎn)支架轉(zhuǎn)動(dòng)，自轉(zhuǎn)抗繩輪旋轉(zhuǎn)支架轉(zhuǎn)動(dòng)的同時(shí)，1 號(hào)、2 號(hào)滾輪在牽引鋼絲繩上發(fā)生相對(duì)位移的同時(shí)自身也在牽引鋼絲繩上滾動(dòng)。

乘人器由圖4 的位置隨著牽引鋼絲繩運(yùn)行到圖5 的位置，該狀態(tài)下，與牽引鋼絲繩接觸的自轉(zhuǎn)抗繩輪滾輪由1 號(hào)、2 號(hào)滾輪變成2 號(hào)、3 號(hào)滾輪，牽引鋼絲繩由架空乘人裝置的驅(qū)動(dòng)裝置驅(qū)動(dòng)繼續(xù)往前運(yùn)行，自轉(zhuǎn)抗繩輪由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)。

乘人器由圖5 所示的位置隨著牽引鋼絲繩運(yùn)行到圖6 所示的位置，該狀態(tài)下，與牽引鋼絲繩接觸的自轉(zhuǎn)抗繩輪滾輪由2 號(hào)、3 號(hào)滾輪變成3 號(hào)、4 號(hào)滾輪，此時(shí)，乘人器已完全通過(guò)自轉(zhuǎn)抗繩輪，隨著牽引鋼絲繩在驅(qū)動(dòng)裝置的驅(qū)動(dòng)下繼續(xù)沿牽引鋼絲繩運(yùn)行軌跡往前運(yùn)行。當(dāng)乘人器完全通過(guò)自轉(zhuǎn)抗繩輪之后，自轉(zhuǎn)抗繩輪步進(jìn)電機(jī)停止工作，自轉(zhuǎn)抗繩輪停止轉(zhuǎn)動(dòng)，完成一個(gè)運(yùn)行周期，自轉(zhuǎn)抗繩輪轉(zhuǎn)動(dòng)120°，完成乘人器在牽引鋼絲繩上的拐彎運(yùn)輸。

當(dāng)下一個(gè)乘人器隨著牽引鋼絲繩達(dá)到圖4 所示位置時(shí)，觸發(fā)自轉(zhuǎn)抗繩附近的信號(hào)觸發(fā)器，自轉(zhuǎn)抗繩輪、乘人器、牽引鋼絲繩重復(fù)圖4～圖6 的動(dòng)作，周而復(fù)始，完成架空乘人裝置上多個(gè)乘人器在牽引鋼絲繩上的拐彎運(yùn)輸。

乘人器逐步通過(guò)自轉(zhuǎn)抗繩輪完成拐彎運(yùn)輸，在乘人器隨著牽引鋼絲繩整體通過(guò)自轉(zhuǎn)抗繩輪的整個(gè)過(guò)程中，乘人器不與自轉(zhuǎn)抗繩輪接觸，沒(méi)有撞擊現(xiàn)象，整個(gè)運(yùn)行過(guò)程平穩(wěn)、安全，對(duì)固定抱索器沒(méi)有撞擊損傷，保證了固定抱索器的使用安全，從而提高架空乘人裝置的安全使用性能。

圖4～圖6 所示為乘人器通過(guò)一套自轉(zhuǎn)抗繩輪的整體過(guò)程，在實(shí)際應(yīng)用中，由于自轉(zhuǎn)抗繩輪滾輪輪襯的受力磨損情況，考慮自轉(zhuǎn)抗繩輪滾輪輪襯使用壽命需要達(dá)到6～12 個(gè)月，因此在設(shè)計(jì)自轉(zhuǎn)抗繩輪時(shí)，一般一套自轉(zhuǎn)抗繩輪設(shè)計(jì)成能實(shí)現(xiàn)牽引鋼絲繩10°的轉(zhuǎn)向，當(dāng)架空乘人裝置的安裝巷道存在大角度拐彎時(shí)，可沿牽引鋼絲繩運(yùn)行方向，在巷道大角度拐彎處多點(diǎn)緊密排列布置多組自轉(zhuǎn)抗繩輪，實(shí)現(xiàn)大角度巷道中牽引鋼絲繩轉(zhuǎn)向運(yùn)行的目的。

4 自轉(zhuǎn)抗繩輪控制原理

如圖7 所示，當(dāng)乘人器達(dá)到信號(hào)觸發(fā)點(diǎn)觸發(fā)信號(hào)，將信號(hào)反饋給架空乘人裝置的PLC 控制箱，PLC控制箱發(fā)出控制信號(hào)控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。

圖7 自轉(zhuǎn)抗繩輪控制邏輯

（1）步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速計(jì)算。步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速：

式中 n——步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速，r/s

V——牽引鋼絲繩運(yùn)行速度（架空乘人裝置設(shè)計(jì)運(yùn)行速度），m/s

R——自轉(zhuǎn)抗繩輪滾輪外切圓半徑，m

i——減速機(jī)速比，架空乘人裝置選型設(shè)計(jì)值

按照式（1），根據(jù)架空乘人裝置的運(yùn)行速度、特定的減速比，計(jì)算出與牽引鋼絲繩同步的轉(zhuǎn)速值，使乘人器通過(guò)自轉(zhuǎn)抗繩輪時(shí)，自轉(zhuǎn)抗繩輪與牽引鋼絲繩同步運(yùn)行。

（2）步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行時(shí)間計(jì)算。一個(gè)乘人器完全通過(guò)自轉(zhuǎn)抗繩輪，步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行時(shí)間計(jì)算：

式中 n——步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速，r/s

α——單個(gè)乘人器完全通過(guò)自轉(zhuǎn)抗繩輪，自轉(zhuǎn)抗繩輪轉(zhuǎn)動(dòng)的角度，取120°

ω——自轉(zhuǎn)抗繩輪運(yùn)轉(zhuǎn)角速度，rad/s

i——減速機(jī)速比，架空乘人裝置選型設(shè)計(jì)值

由式（4）計(jì)算出單個(gè)乘人器完全通過(guò)自轉(zhuǎn)抗繩輪所需要的時(shí)間，即步進(jìn)電機(jī)單次運(yùn)行的時(shí)間。自轉(zhuǎn)抗繩輪自接受信號(hào)發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)開始，經(jīng)過(guò)t 時(shí)長(zhǎng)運(yùn)行后停止運(yùn)行，完成單次運(yùn)行動(dòng)作，等待下一個(gè)乘人器的到來(lái)，重復(fù)運(yùn)作。

5 自轉(zhuǎn)抗繩輪應(yīng)用效果

（1）不受拐彎點(diǎn)在架空乘人裝置安裝巷道中的位置限制。大坡度可摘掛抱索器、活動(dòng)抱索器架空乘人裝置只使用于拐彎點(diǎn)位于巷道水平位置時(shí)的拐彎，固定抱索器配合自轉(zhuǎn)抗繩輪，當(dāng)巷道拐彎點(diǎn)位于水平巷、斜巷時(shí)均適用。

（2）固定抱索器配合自轉(zhuǎn)抗繩輪實(shí)現(xiàn)拐彎的架空乘人裝置，能適應(yīng)多點(diǎn)S 形巷道中的安裝，并經(jīng)過(guò)拐彎點(diǎn)時(shí)，固定抱索器由牽引鋼絲繩帶動(dòng)，運(yùn)行過(guò)程中無(wú)撞擊，無(wú)由于輪襯磨損而造成的牽引鋼絲繩掉繩現(xiàn)象，運(yùn)行更加安全；大坡度可摘掛抱索器配合可旋吊椅的架空乘人裝置只能適應(yīng)單向拐彎巷道的安裝，且長(zhǎng)期運(yùn)行后，會(huì)出現(xiàn)由于輪襯磨損而造成的牽引鋼絲繩掉繩現(xiàn)象，存在使用安全隱患；活動(dòng)抱索器配合軌道的架空乘人裝置，在通過(guò)拐彎位置時(shí)，抱索器的運(yùn)行是靠其自身的運(yùn)動(dòng)慣性通過(guò)軌道，運(yùn)行速度不可控；

（3）《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定，架空乘人裝置中，活動(dòng)抱索器類型的最大使用角度為18°，可摘掛抱索器類型的最大使用角度為25°，固定抱索器類型的最大使用角度為28°。

綜上所述，自轉(zhuǎn)抗繩輪配合固定抱索器，使得架空乘人裝置在窄巷道、沿線有多點(diǎn)拐彎巷道中的安裝使用具有更高的適應(yīng)性、耐用性和安全性。

6 結(jié)語(yǔ)

自轉(zhuǎn)抗繩輪的設(shè)計(jì)，改變了以往架空乘人裝置在窄巷道、沿線有多點(diǎn)拐彎等復(fù)雜巷道中的安裝方式，解決了以往拐彎架空乘人裝置在長(zhǎng)期使用中的掉繩、抱索器打滑等缺點(diǎn)，不受拐彎點(diǎn)位置及拐彎方向的限制，適應(yīng)坡度大、適應(yīng)巷道情況廣。提高了架空乘人裝置對(duì)礦山巷道的適應(yīng)性，減少乘坐人員的受傷因素，保證架空乘人裝置的使用安全性能，具有一定的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)效益。