架空乘人斷繩抓捕裝置研究

王 祿

（華陽新材料科技集團(tuán)有限公司裝備管理部，山西 陽泉 045000）

引言

煤礦生產(chǎn)運(yùn)輸分為主運(yùn)輸和輔助運(yùn)輸兩種形式。其中，主運(yùn)輸系統(tǒng)主要包括帶式輸送機(jī)、刮板輸送機(jī)、提升機(jī)等大型機(jī)電系統(tǒng)；而輔助運(yùn)輸主要包括絞車、架空乘人裝置等。隨著煤礦生產(chǎn)的不斷深入以及綜采工作面相對(duì)惡劣的環(huán)境等對(duì)人員的運(yùn)輸任務(wù)提出了更高的要求。針對(duì)斜井，傳統(tǒng)采用導(dǎo)軌人車的方式運(yùn)輸存在安全性低、投資成本高以及維護(hù)煩瑣的問題。架空乘人裝置具有離地面近、鋼絲繩速度小以及運(yùn)輸效率高等特點(diǎn)[1]。為進(jìn)一步保證人員運(yùn)輸?shù)陌踩裕乐瓜到y(tǒng)斷繩所帶來的安全隱患，本文將針對(duì)性地完成架空乘人裝置斷繩抓捕系統(tǒng)的研究。

1 架空乘人斷繩抓捕裝置的整體設(shè)計(jì)

架空乘人裝置作為煤礦生產(chǎn)運(yùn)輸人員的主要設(shè)備，由于其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)輸效率高、安全維護(hù)簡(jiǎn)單且成本低等優(yōu)勢(shì)被廣泛應(yīng)用。架空乘人裝置已經(jīng)具備基礎(chǔ)的保護(hù)功能，包括越位保護(hù)、掉繩保護(hù)以及防飛車保護(hù)等。但是，當(dāng)架空乘人裝置瞬間速度較快時(shí)，極易引發(fā)事故，導(dǎo)致乘坐人員受到傷害；此外，惡劣的使用環(huán)境導(dǎo)致架空乘人裝置鋼絲繩出現(xiàn)銹蝕、波動(dòng)性載荷沖擊等問題，使其安全系數(shù)降低，可能出現(xiàn)最常見的斷繩事故[2]。本小節(jié)將重點(diǎn)完成架空乘人斷繩抓捕裝置的設(shè)計(jì)。

1.1 斷繩抓捕裝置設(shè)計(jì)依據(jù)

為保證架空乘人裝置高效、安全，發(fā)揮其運(yùn)輸工作人員的功能，要求其斷繩抓捕裝置滿足如下要求：

1）架空乘人裝置正常運(yùn)行時(shí)，斷繩抓捕裝置不得影響其穩(wěn)定運(yùn)行；且當(dāng)架空乘人裝置出現(xiàn)飛車或者斷繩事故時(shí)，要求斷繩抓捕裝置及時(shí)發(fā)揮保護(hù)功能，并保證動(dòng)作的準(zhǔn)確率。

2）鑒于架空乘人裝置運(yùn)行期間會(huì)受到不規(guī)律的載荷沖擊，要求斷繩抓捕裝置具備承受不規(guī)律載荷的功能。

3）鑒于煤礦工作面空間狹小，要求斷繩抓捕裝置體積小巧并方便在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行安裝實(shí)施[3]。

本文所設(shè)計(jì)的斷繩抓捕裝置所應(yīng)用架空乘人裝置的關(guān)鍵參數(shù)如表1 所示。

表1 架空乘人裝置關(guān)鍵參數(shù)

1.2 斷繩抓捕裝置的整體設(shè)計(jì)

架空乘人裝置的運(yùn)輸量越大，對(duì)應(yīng)發(fā)生斷繩事故后裝置出現(xiàn)下滑的情況就越嚴(yán)重。以架空乘人裝置滿載工況且在驅(qū)動(dòng)輪附近發(fā)生斷繩事故為例，在上述最為嚴(yán)苛的工況下發(fā)生斷繩事故時(shí)要求斷繩抓捕裝置制動(dòng)力大于23 273 N，才能夠保證對(duì)架空乘人裝置的有效抓捕。

結(jié)合斷繩抓捕裝置的實(shí)際功能，要求其具備對(duì)鋼絲繩速度檢測(cè)、信號(hào)接收、信號(hào)處理、信號(hào)發(fā)送、機(jī)械液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)揮抓捕的功能，所設(shè)計(jì)的斷繩裝置如下頁圖1 所示。所設(shè)計(jì)的架空乘人斷繩抓捕系統(tǒng)主要包括有鋼絲繩速度檢測(cè)系統(tǒng)、數(shù)據(jù)分析處理系統(tǒng)、液壓及機(jī)械執(zhí)行機(jī)構(gòu)等。具體工作原理為：由檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)架空乘人鋼絲繩的實(shí)時(shí)速度進(jìn)行檢測(cè)，一旦檢測(cè)到鋼絲繩的瞬間速度增加時(shí)，斷繩抓捕裝置電氣控制系統(tǒng)發(fā)出相關(guān)控制指令，對(duì)機(jī)械和液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行控制，以實(shí)現(xiàn)對(duì)鋼絲繩的抓捕功能[4]。

圖1 架空乘人斷繩抓捕系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)方案

2 架空乘人斷繩抓捕裝置的詳細(xì)設(shè)計(jì)

本節(jié)重點(diǎn)完成架空乘人斷繩抓捕裝置的機(jī)械結(jié)構(gòu)和相關(guān)液壓控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

2.1 機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

當(dāng)架空乘人裝置發(fā)生鋼絲繩斷裂的事故時(shí)，在鋼絲繩自重和乘坐人員重力的作用下，人員及裝置會(huì)沿著鋼絲繩發(fā)生快速下滑。本斷繩抓捕系統(tǒng)將采用自鎖原理的楔形自鎖結(jié)構(gòu)對(duì)鋼絲繩實(shí)施抓捕功能，機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 斷繩抓捕裝置機(jī)械執(zhí)行機(jī)構(gòu)示意圖

2.2 液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

液壓系統(tǒng)主要為斷繩抓捕裝置的機(jī)械結(jié)構(gòu)提供動(dòng)力，并為其配置蓄能器裝置提升整個(gè)系統(tǒng)的效率，降低動(dòng)力消耗；同時(shí)，為系統(tǒng)配置多種壓力傳感器和液壓閥，實(shí)現(xiàn)對(duì)其壓力的監(jiān)測(cè)和控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)液壓系統(tǒng)元器件的保護(hù)。

液壓系統(tǒng)原理如圖3 所示，斷繩抓捕裝置在基礎(chǔ)液壓控制功能上為其配置了差動(dòng)式結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)的實(shí)施極大增加了液壓油缸活塞桿的運(yùn)動(dòng)速度，保證液壓系統(tǒng)在得到指令后快速動(dòng)作，達(dá)到快速抓捕功能。

圖3 斷繩抓捕裝置液壓系統(tǒng)原理圖

3 斷繩抓捕系統(tǒng)性能仿真分析

對(duì)于斷繩抓捕系統(tǒng)而言，能夠正常發(fā)揮斷繩抓捕功能且不影響架空乘人裝置的正常運(yùn)行，其關(guān)鍵指標(biāo)為能否在事故發(fā)生的很短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)對(duì)鋼絲繩的抓捕，以避免事故的進(jìn)一步擴(kuò)大。因此，本節(jié)將基于AMESim 軟件對(duì)上述所設(shè)計(jì)的斷繩抓捕系統(tǒng)液壓系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間進(jìn)行仿真分析。

參照?qǐng)D3 所示的液壓系統(tǒng)原理和AMESim 軟件中的模型庫建立仿真模型，并根據(jù)表1 中架空乘人裝置的關(guān)鍵參數(shù)完成模型參數(shù)的設(shè)置。仿真時(shí)長(zhǎng)設(shè)定為100 s。蓄能器為實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)抓捕功能提供動(dòng)力。因此，考慮到成本和抓捕響應(yīng)時(shí)間，需合理設(shè)定蓄能器的充氣壓力。因此，本節(jié)對(duì)蓄能器充氣壓力為3 MPa、4 MPa、5 MPa 三種情況下系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)進(jìn)行仿真分析，仿真結(jié)果如表2 所示。

表2 蓄能器不同充氣壓力系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能

由表2 可看出，隨著蓄能器充氣壓力的增加，對(duì)應(yīng)系統(tǒng)的響應(yīng)速度明顯增加，活塞桿完全伸出的速度極大地縮短了抓捕時(shí)間。因此，在合理范圍之內(nèi)應(yīng)采用較大的蓄能器充氣壓力，以保證系統(tǒng)在最短的時(shí)間內(nèi)完成抓捕功能。

4 結(jié)論

架空乘人裝置為煤礦生產(chǎn)的輔助運(yùn)輸裝置，具有效率高、安全性較高的優(yōu)勢(shì)。為了解決架空乘人裝置由于斷繩事故所引發(fā)的一系列事故，本文針對(duì)性地完成架空乘人斷繩抓捕系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，并對(duì)系統(tǒng)的抓捕時(shí)間進(jìn)行驗(yàn)證，總結(jié)如下：

1）本系統(tǒng)的機(jī)械執(zhí)行機(jī)構(gòu)基于自鎖原理的楔形自鎖結(jié)構(gòu)對(duì)鋼絲繩實(shí)施抓捕功能；

2）本系統(tǒng)液壓系統(tǒng)在基礎(chǔ)液壓功能的基礎(chǔ)上配置了差動(dòng)式結(jié)構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)鋼絲繩的快速抓捕功能；

3）經(jīng)仿真分析，在合理范圍之內(nèi)提高液壓系統(tǒng)蓄能器充氣壓力可加大縮短抓捕時(shí)間，進(jìn)一步提升了系統(tǒng)的可靠性和安全性。