基于AMESim的礦井罐籠常閉式液壓防墜器系統(tǒng)特性研究

邵瑞影，王洪軍，于曉，葛偉偉

(1.青島黃海學(xué)院智能制造學(xué)院，山東青島 266555；2.青島萬(wàn)寶壓縮機(jī)有限公司，山東青島 266510)

0 前言

在煤礦綜采運(yùn)輸生產(chǎn)中，單繩纏繞式提升罐籠是人員升降、材料運(yùn)輸?shù)闹匾O(shè)備。為滿足礦井安全生產(chǎn)，《煤礦安全章程》對(duì)罐籠設(shè)備進(jìn)行嚴(yán)格規(guī)定，煤礦井下通過(guò)單繩罐籠提升工人或工人與物料，必須配備保障安全的防墜器，當(dāng)鋼絲繩斷裂或者連接裝置損壞時(shí)，罐籠可以迅速被制動(dòng)繩夾緊，處于平穩(wěn)狀態(tài)，避免罐籠掉落礦井，造成重大事故(俗稱蹲罐)[1-2]。為進(jìn)一步提高此類設(shè)備的安全可靠性，設(shè)計(jì)一種提升罐籠常閉式液壓防墜器，為煤礦安全生產(chǎn)提供可靠保障，具備重要的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者針對(duì)各式防墜器的設(shè)計(jì)與研究進(jìn)行了大量工作。俄羅斯的巴普洛夫通過(guò)多次設(shè)計(jì)、改進(jìn)和試驗(yàn)，提出了FS型防墜器，其整體特點(diǎn)是動(dòng)作靈敏、抓捕可靠，但抓捕后恢復(fù)困難，錯(cuò)誤動(dòng)作多；撫順煤科研究所設(shè)計(jì)了一款GS型防墜器，具有質(zhì)量輕、復(fù)位簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)，但是其結(jié)構(gòu)上存在需要進(jìn)一步研究和改進(jìn)的問(wèn)題，如叉桿的閘瓦與軸之間的磨損會(huì)導(dǎo)致可靠性降低，需要長(zhǎng)期定時(shí)更換叉桿和閘瓦；而通過(guò)不斷探索與改進(jìn)，設(shè)計(jì)出了工作原理簡(jiǎn)單、結(jié)構(gòu)輕盈、制動(dòng)平穩(wěn)、安全系數(shù)較高、使用周期長(zhǎng)的BF型防墜器，但它占用了罐籠空間，使提升罐籠的有效高度減少，不適合煤礦深井作業(yè)[3]。

本文作者針對(duì)現(xiàn)有防墜器可靠性較差、不適合立井距離長(zhǎng)的問(wèn)題，設(shè)計(jì)一種新型常閉式液壓防墜器，其工作系統(tǒng)原理簡(jiǎn)單、制動(dòng)性能好、抓捕與復(fù)位輕巧、便于井下維修。利用AMESim液壓仿真軟件搭建液壓常閉式防墜器系統(tǒng)模型，進(jìn)行系統(tǒng)特性研究。在性能試驗(yàn)中，液壓常閉式防墜器的設(shè)計(jì)滿足提升罐籠的要求，符合安全與可靠性原則，確保防墜器能夠可靠使用。

1 常閉式液壓防墜器系統(tǒng)工作原理

1.1 常閉式液壓防墜器工作原理

圖1所示為常閉式防墜器控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意，在鋼絲繩和罐籠上分別安裝PLR2300速度傳感器，當(dāng)發(fā)生蹲罐事故時(shí)，兩個(gè)傳感器所得到的速度信號(hào)會(huì)有所不同，將這個(gè)信號(hào)傳入到STM32F103ZET6控制器核心板，從而控制兩位三通電磁換向閥進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)工作，實(shí)現(xiàn)液壓控制。

圖1 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意

1.2 常閉式液壓防墜器結(jié)構(gòu)原理

圖2所示為液壓常閉式防墜器工作原理，主要由兩部分構(gòu)成：一部分為連接罐籠與鋼絲繩的開(kāi)動(dòng)式液壓缸機(jī)構(gòu)；另一部分為分別固定罐籠兩側(cè)制動(dòng)繩的執(zhí)行液壓缸機(jī)構(gòu)。開(kāi)動(dòng)式液壓缸為豎向布置，在缸的有桿腔設(shè)有活塞拉桿，配有返程彈簧，其兩腔充滿液壓油，鋼絲繩利用楔形繩環(huán)與活塞拉桿連接，液壓缸的缸體與提升罐籠連接。兩個(gè)執(zhí)行式制動(dòng)液壓缸結(jié)構(gòu)相同，兩個(gè)執(zhí)行式制動(dòng)液壓機(jī)構(gòu)布置在同一軸線上，橫向布置，缸體固定在罐籠側(cè)面框架上，執(zhí)行式制動(dòng)液壓缸的有桿腔內(nèi)設(shè)有執(zhí)行活塞桿和返程彈簧，兩腔充滿液壓油，活塞端桿接頭處設(shè)計(jì)了弧形制動(dòng)閘瓦片，弧形制動(dòng)閘瓦片的弧面相對(duì)。將制動(dòng)鋼絲繩包圍，通過(guò)回油管將開(kāi)動(dòng)式液壓缸的有桿腔與兩個(gè)執(zhí)行式制動(dòng)液壓缸的有桿腔接通，并在回油路上設(shè)置調(diào)節(jié)閥；出油管將開(kāi)動(dòng)式液壓缸的無(wú)桿腔與兩個(gè)執(zhí)行式制動(dòng)液壓缸的無(wú)桿腔連接，構(gòu)成液壓控制回路，實(shí)現(xiàn)防墜器功能。

圖2 常閉式液壓防墜器工作原理

為滿足不同載荷能力對(duì)制動(dòng)時(shí)間的要求，在弧式制動(dòng)閘瓦上加入制動(dòng)間隙調(diào)節(jié)器，并與調(diào)節(jié)閥串聯(lián)，用來(lái)調(diào)節(jié)開(kāi)動(dòng)式制動(dòng)液壓缸的動(dòng)作時(shí)間和有效工作容積。

1.3 常閉式液壓防墜器液壓回路系統(tǒng)

圖3所示為常閉式液壓防墜器的液壓回路系統(tǒng)原理。在工作過(guò)程中，開(kāi)動(dòng)式液壓缸借助載荷提升的重力，對(duì)液壓缸有桿腔產(chǎn)生油壓，該油壓使執(zhí)行式制動(dòng)液壓缸的活塞桿回縮，弧式制動(dòng)閘瓦片松開(kāi)，并與鋼絲繩存在一定間隙，保證罐籠可以正常工作。當(dāng)罐籠發(fā)生蹲罐事故時(shí)，開(kāi)動(dòng)式液壓缸失去提升載荷能力，在盤式彈簧作用下活塞拉桿返程，對(duì)無(wú)桿腔內(nèi)的油液產(chǎn)生壓力，推動(dòng)弧式制動(dòng)閘瓦夾緊制動(dòng)鋼絲繩，迅速夾緊下落的罐籠。

圖3 常閉式液壓防墜器液壓回路原理

2 常閉式液壓防墜器主要參數(shù)設(shè)計(jì)

2.1 防墜器制動(dòng)控制力設(shè)計(jì)

防墜器工作過(guò)程屬于能量轉(zhuǎn)換過(guò)程，即蹲罐產(chǎn)生的動(dòng)能與制動(dòng)做功相等?！睹旱V防墜器技術(shù)設(shè)計(jì)》MT365—2006中規(guī)定在空載下防墜器制動(dòng)過(guò)程中，罐籠的減加速度小于50 m/s2，在重載荷下，罐籠的減加速度大于10 m/s2[4-7]。制動(dòng)力與制動(dòng)減加速度的關(guān)系為

重載：

(1)

空載：

(2)

式中：jz為重載罐籠制動(dòng)減加速度，m/s2；jk為空載罐籠制動(dòng)減加速度，m/s2；Qmax為最大終端載質(zhì)量，kg；Qk為罐籠質(zhì)量，kg。

防墜器在進(jìn)行緩沖器調(diào)整時(shí)按2Qmax≤F≤6Qmin計(jì)算，重載抓捕罐籠時(shí)的最小減加速度jz=10 m/s2；罐籠僅乘坐1人(空罐)時(shí)，最大減加速度jk≤50 m/s2。最大載質(zhì)量Qmax計(jì)算為

Qmax=Q1+n(Q2+Q3)

(3)

式中：Q1為罐籠質(zhì)量，kg；Q2為礦車質(zhì)量，kg；Q3為礦石質(zhì)量，kg。

2.2 防墜器工作過(guò)程中下降距離設(shè)計(jì)

工作制動(dòng)距離是由防墜器產(chǎn)生與罐籠運(yùn)動(dòng)相反方向的作用力，并利用制動(dòng)鋼絲繩與閘瓦之間的摩擦力完成制動(dòng)時(shí)，因存在制動(dòng)時(shí)間間隙而產(chǎn)生的距離。防止蹲罐，是防墜器性能試驗(yàn)的重要評(píng)估指標(biāo)。因此，防墜器制動(dòng)力主要取決于弧式閘瓦與制動(dòng)鋼絲繩的摩擦力，其具體要求：弧式閘瓦空動(dòng)時(shí)間小于0.4 s；徑向工作時(shí)間小于0.6 s；防墜器產(chǎn)生的工作力矩與實(shí)際重載力矩比值應(yīng)大于3.5。主要參數(shù)如表1所示。

表1 主要參數(shù)

弧式閘瓦的摩擦力由執(zhí)行制動(dòng)液壓缸液壓力與盤式彈簧力共同產(chǎn)生?？蛰d下罐籠降落距離：

(4)

式中：m為總載質(zhì)量；v為蹲罐時(shí)的速度。

3 常閉式液壓防墜器系統(tǒng)仿真研究

3.1 常閉式液壓防墜器模型搭建

根據(jù)如圖3所示的液壓系統(tǒng)，在AMESim中搭建常閉式液壓防墜器的主體模型，選擇AMESim元件庫(kù)中子元件建立系統(tǒng)子元件模型[8-12]，圖4所示為常閉式液壓防墜器系統(tǒng)仿真模型。采用液壓油為液壓系統(tǒng)內(nèi)液體，仿真時(shí)間設(shè)置為10 s、液壓系統(tǒng)運(yùn)行步長(zhǎng)設(shè)置為1.0×10-6s，利用混合誤差模式，許用誤差為1.0×10-8s，采用標(biāo)準(zhǔn)積分器模式，根據(jù)上述參數(shù)劃定具體系數(shù)。

圖4 常閉式防墜器主體模型

依照表2對(duì)常閉式液壓防墜器液壓系統(tǒng)主要元件進(jìn)行參數(shù)設(shè)置。

表2 常閉式液壓防墜器液壓系統(tǒng)主要元件參數(shù)設(shè)置

圖5所示為兩位三通換向閥輸入信號(hào)，根據(jù)仿真時(shí)間將輸入信號(hào)的時(shí)間設(shè)置為0～10 s，兩位三通換向閥5的信號(hào)一直處于通電狀態(tài)；兩位三通換向閥8的信號(hào)，在前5 s處于通電狀態(tài)，后5 s處于斷電狀態(tài)。

圖5 兩位三通換向閥輸入信號(hào)

3.2 常閉式液壓防墜器系統(tǒng)仿真結(jié)果分析

常閉式防墜器執(zhí)行制動(dòng)液壓缸速度、位移特性分別如圖6、圖7所示。常閉式防墜器系統(tǒng)流量特性如圖8所示。根據(jù)圖5和圖8可知：在0～5 s內(nèi)，兩個(gè)兩位三通換向閥處于通電狀態(tài)，其左位進(jìn)油工作，此時(shí)執(zhí)行制動(dòng)液壓缸的無(wú)桿腔進(jìn)油，緊急制動(dòng)時(shí)間為0.2 s，活塞桿伸出弧式閘瓦夾緊鋼絲繩，實(shí)現(xiàn)緊急工作制動(dòng)；當(dāng)t=5 s時(shí)，兩位三通換向閥5繼續(xù)通電，而換向閥8處于斷電狀態(tài)，在彈簧力作用下閥8右位工作，閥11開(kāi)啟，執(zhí)行制動(dòng)液壓缸有桿腔內(nèi)的油液流經(jīng)閥11后直接流入油箱，弧式制動(dòng)閘瓦壓緊鋼絲繩，液壓缸的速度立即降為0。由圖8看出：緊急制動(dòng)時(shí)間為0.3 s，符合《煤炭工業(yè)礦井設(shè)計(jì)規(guī)范》中的0.7 s；當(dāng)t為5.2～10 s時(shí)，液壓缸速度為0，處于完全制動(dòng)狀態(tài)。由圖7、圖8可知：流量與速度呈正比關(guān)系，當(dāng)t=5 s時(shí)，系統(tǒng)處于緊急制動(dòng)狀態(tài)，流量降為0，符合制動(dòng)工作原理。

圖6 常閉式防墜器執(zhí)行制動(dòng)液壓缸速度特性 圖7 常閉式防墜器執(zhí)行制動(dòng)液壓缸位移特性

圖8 常閉式防墜器系統(tǒng)流量特性

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

針對(duì)防墜器樣機(jī)，分別在重載和空載下進(jìn)行脫鉤測(cè)試[14]，罐籠在載重的情況下，試驗(yàn)測(cè)量不少于30次，利用試驗(yàn)對(duì)防墜器整體系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，直到滿足各種標(biāo)椎要求，進(jìn)行生產(chǎn)。制動(dòng)缸是該防墜器系統(tǒng)的主要執(zhí)行元件，關(guān)系到系統(tǒng)能否正常運(yùn)轉(zhuǎn)。因此應(yīng)綜合檢測(cè)制動(dòng)缸的壓力、泄漏等是否符合要求；同時(shí)，應(yīng)檢測(cè)鋼絲繩有無(wú)損壞跡象，以保證設(shè)備能夠正常工作。在罐籠處于重載時(shí)，鋼絲繩與制動(dòng)器負(fù)荷達(dá)到最大計(jì)算制動(dòng)力，測(cè)量鋼絲繩與制動(dòng)缸之間的相對(duì)位移以及鋼絲繩、制動(dòng)缸有無(wú)損壞痕跡。

表3所示為罐籠在空載和重載情況下的脫鉤試驗(yàn)結(jié)果。分別得出了空行程距離、罐籠和鋼絲繩的相對(duì)距離、鋼絲繩拉出距離、罐籠總體降落高度，結(jié)果表明各種結(jié)果符合設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

表3 脫鉤試驗(yàn)結(jié)果 單位：mm

5 結(jié)論

基于《煤炭安全規(guī)程》的規(guī)定，對(duì)常閉式液壓防墜器系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)與參數(shù)計(jì)算，并選取合理元件。搭建了常閉式液壓防墜器AMESim模型，進(jìn)行了仿真分析，結(jié)果表明該液壓系統(tǒng)安全可靠。在工廠，利用該防墜器液壓系統(tǒng)進(jìn)行了試驗(yàn)，驗(yàn)證了該設(shè)備能夠可靠運(yùn)轉(zhuǎn)。