架空乘人楔形鋼絲繩斷繩抓捕裝置的設(shè)計(jì)與仿真分析

樊嘉楠

（陽(yáng)泉煤業(yè)（集團(tuán)）平定東升興裕煤業(yè)有限公司， 山西 陽(yáng)泉 045000）

0 引言

架空乘人裝置俗稱為“猴車”，作為煤礦生產(chǎn)的輔助運(yùn)輸裝置，其主要是完成工作人員的運(yùn)輸任務(wù)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，一般煤礦采用架空乘人裝置運(yùn)輸人員的比例高達(dá)33%～50%。架空乘人裝置在煤礦生產(chǎn)中的應(yīng)用，極大地縮短了工作人員的升降時(shí)間，減少了工作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，間接提升了煤礦的生產(chǎn)效率。架空乘人裝置在實(shí)際運(yùn)行中會(huì)出現(xiàn)托繩輪、驅(qū)動(dòng)輪、鋼絲繩等故障；此外，鋼絲繩瞬間加速存在失控的現(xiàn)象，對(duì)架空趁人裝置的安全運(yùn)行帶來(lái)隱患[1-5]。本文將設(shè)計(jì)斷繩抓捕裝置，以實(shí)現(xiàn)對(duì)架空乘人裝置加速失控的保護(hù)。

1 斷繩抓捕裝置的總體設(shè)計(jì)

架空乘人裝置由于其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)輸效率高及安全系數(shù)高等優(yōu)勢(shì)被廣泛應(yīng)用于煤礦對(duì)人員的運(yùn)輸任務(wù)中。在多年的發(fā)展中，架空乘人裝置已經(jīng)具備了較為全面的保護(hù)功能，可實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的越位保護(hù)、欠速保護(hù)、防飛車保護(hù)等功能。本文重點(diǎn)對(duì)架空乘人裝置由于各種問(wèn)題造成鋼絲繩在瞬間加速過(guò)快而導(dǎo)致失控的問(wèn)題，設(shè)計(jì)一款高可靠性的斷繩抓捕裝置。為了后續(xù)支撐架空乘人裝置斷繩抓捕裝置的設(shè)計(jì)，列出對(duì)計(jì)算涉及的架空乘人裝置的關(guān)鍵參數(shù)如表1 所示。

表1 架空乘人裝置關(guān)鍵參數(shù)

1.1 設(shè)計(jì)原則

斷繩抓捕裝置作為架空乘人裝置的輔助設(shè)備，所設(shè)計(jì)的架空乘人裝置需遵循如下原則：

1）斷繩抓捕裝置不能影響架空乘人裝置的正常運(yùn)行，即鋼絲繩可順利通過(guò)抱索器；當(dāng)出現(xiàn)故障時(shí)，斷繩抓捕裝置可及時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)鋼絲繩的抓捕功能。

2）鑒于鋼絲繩在失控的瞬間會(huì)產(chǎn)生非常大的沖擊力，要求斷繩抓捕裝置具備抵抗沖擊力的能力。

3）鑒于煤礦井下空間有效，斷繩抓捕裝置應(yīng)具有體積小、便于安裝維護(hù)的特點(diǎn)。

1.2 斷繩抓捕裝置的整體設(shè)計(jì)

結(jié)合架空乘人裝置的實(shí)際使用工況，對(duì)其正常生產(chǎn)工況下鋼絲繩加速過(guò)快而失控的沖擊力進(jìn)行計(jì)算可知，所設(shè)計(jì)的斷繩抓捕裝置的制動(dòng)力應(yīng)大于23 273 N。

架空乘人裝置斷繩抓捕裝置動(dòng)作的主要依據(jù)為對(duì)鋼絲繩速度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。當(dāng)監(jiān)測(cè)到鋼絲繩速度超限時(shí)，斷繩抓捕裝置液壓系統(tǒng)會(huì)驅(qū)動(dòng)機(jī)械系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)鋼絲繩的抓捕。基于上述原理，設(shè)計(jì)如圖1 所示的斷繩抓捕裝置。

圖1 斷繩抓捕裝置整體結(jié)構(gòu)

由圖1 可知，斷繩抓捕裝置可分為電控分系統(tǒng)、機(jī)械分系統(tǒng)和液壓分系統(tǒng)，機(jī)械分系統(tǒng)為裝置的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，液壓分系統(tǒng)為機(jī)械分系統(tǒng)的抓捕力提供動(dòng)力。

2 斷繩抓捕裝置的詳細(xì)設(shè)計(jì)

本節(jié)重點(diǎn)對(duì)斷繩抓捕裝置的機(jī)械分系統(tǒng)和液壓分系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2.1 斷繩抓捕裝置機(jī)械分系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

針對(duì)鋼絲繩的抓捕需求，本裝置采用楔形自鎖結(jié)構(gòu)的形式實(shí)現(xiàn)對(duì)鋼絲繩的抓捕功能。楔形自鎖機(jī)構(gòu)的簡(jiǎn)圖如圖2 所示。

圖2 楔形自鎖結(jié)構(gòu)

由圖2 可知，為了保證楔形滑塊能夠準(zhǔn)確及時(shí)地實(shí)現(xiàn)對(duì)鋼絲繩的抓捕功能，重點(diǎn)需要根據(jù)“斷繩抓捕裝置的制動(dòng)力應(yīng)大于23 273 N”這一要求，確定楔形滑塊的傾角。已知：鋼絲繩與楔形滑塊之間的滑動(dòng)摩擦系數(shù)為0.35；楔形滑塊與機(jī)架之間的滑動(dòng)摩擦系數(shù)為0.1。對(duì)應(yīng)的楔形滑塊傾角θ 計(jì)算如式（1）所示。

式中：μ1為鋼絲繩與楔形滑塊之間的滑動(dòng)摩擦系數(shù)；μ2為楔形滑塊與機(jī)架之間的滑動(dòng)摩擦系數(shù)。

將上述參數(shù)代入式（1）中，得出楔形滑塊的傾角應(yīng)小于13.6°。

2.2 斷繩抓捕裝置液壓分系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

為了保證架空乘人裝置在鋼絲繩失控后斷繩抓捕裝置能夠快速響應(yīng)，并完成迅速制動(dòng)的功能，本裝置采用機(jī)電液聯(lián)合控制，并采用液壓系統(tǒng)為機(jī)械楔形機(jī)構(gòu)提供動(dòng)力。對(duì)于液壓系統(tǒng)而言，不僅要保證其能夠提供足夠的動(dòng)力，更重要的是其能夠?qū)ψゲ秳?dòng)作快速響應(yīng)。因此，在液壓分系統(tǒng)中采用差動(dòng)式的結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)能夠提供液壓系統(tǒng)中活塞桿的移動(dòng)速度，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)鋼絲繩的快速抓捕。斷繩抓捕裝置液壓分系統(tǒng)原理如圖3 所示。

圖3 斷繩抓捕裝置液壓系統(tǒng)原理

3 斷繩抓捕裝置抓捕性能仿真分析

根據(jù)所設(shè)計(jì)的斷繩抓捕裝置結(jié)構(gòu)，基于ADAMS軟件建立數(shù)值模擬仿真時(shí)間，重點(diǎn)對(duì)該裝置在鋼絲繩出現(xiàn)超速情況下對(duì)其的抓捕響應(yīng)時(shí)間進(jìn)行仿真分析。在模型中，尤其注意鋼絲繩與楔形滑塊之間滑動(dòng)摩擦系數(shù)、楔形滑塊與機(jī)架之間滑動(dòng)摩擦系數(shù)的設(shè)置。仿真條件設(shè)置：設(shè)定鋼絲繩的初始速度為1.5 m/s，模擬架空乘人裝置遇到故障出現(xiàn)鋼絲繩速度超限的工況，并對(duì)其抓捕性能進(jìn)行仿真分析，對(duì)應(yīng)的鋼絲繩的速度變化仿真結(jié)果如圖4 所示。

圖4 鋼絲繩速度變化仿真結(jié)果

由圖4 可知，架空乘人裝置在實(shí)際運(yùn)行中由于某種原因?qū)е缕渌俣仍诙虝r(shí)間內(nèi)超出其限值，并達(dá)到3.1 m/s。在此情況下，斷繩抓捕裝置迅速動(dòng)作，并在速度達(dá)到最高值0.08 s 后將鋼絲繩的速度降為0，達(dá)到對(duì)鋼絲繩及時(shí)抓捕的效果。

4 結(jié)語(yǔ)

架空乘人裝置為煤礦生產(chǎn)中對(duì)人員進(jìn)行運(yùn)輸?shù)年P(guān)鍵設(shè)備，其間接提升了煤礦綜采工作面的生產(chǎn)效率。在多年發(fā)展中，架空乘人裝置的保護(hù)功能已經(jīng)逐漸全面，其安全性也較高；但是，缺乏對(duì)鋼絲繩的斷繩抓捕功能，即對(duì)鋼絲繩超速的現(xiàn)象無(wú)法保護(hù)。為此，本文以楔形機(jī)械結(jié)構(gòu)和差動(dòng)式液壓系統(tǒng)為核心設(shè)計(jì)了能夠快速響應(yīng)、抗強(qiáng)沖擊力的斷繩抓捕裝置。經(jīng)仿真分析表明，所設(shè)計(jì)的斷繩抓捕裝置能夠在鋼絲繩速度超限至最高值后0.08 s 內(nèi)實(shí)現(xiàn)對(duì)鋼絲繩的制動(dòng)，即完成對(duì)鋼絲繩的抓捕功能。