無軌運(yùn)輸車氣動(dòng)落鉤柔性攔阻裝置的設(shè)計(jì)

金建成　程建勝

（華亭煤業(yè)集團(tuán)馬蹄溝煤礦，甘肅平?jīng)觥?44103）

無軌運(yùn)輸車氣動(dòng)落鉤柔性攔阻裝置的設(shè)計(jì)

金建成程建勝

（華亭煤業(yè)集團(tuán)馬蹄溝煤礦，甘肅平?jīng)?44103）

針對(duì)井下無軌運(yùn)輸車斜巷下坡運(yùn)行的安全問題，運(yùn)用運(yùn)動(dòng)學(xué)理論對(duì)無軌運(yùn)輸車斜巷跑車進(jìn)行了力學(xué)分析，通過參照航母艦載機(jī)降落時(shí)減速攔阻裝置的攔阻索原理，設(shè)計(jì)了一種保障無軌運(yùn)輸車安全運(yùn)行的氣動(dòng)落鉤柔性攔阻裝置。該裝置可以根據(jù)無軌運(yùn)輸車輛的載重、行車巷道條件、運(yùn)行模式等不同條件進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試，能有效消除無軌運(yùn)輸車輛大坡度、高濕高滑長(zhǎng)斜巷下坡行駛的不安全隱患，保證斜巷運(yùn)輸安全。

無軌運(yùn)輸車斜巷跑車柔性制動(dòng)安全防護(hù)裝置攔阻索

無軌運(yùn)輸系統(tǒng)是相對(duì)于礦井有軌運(yùn)輸系統(tǒng)的一種新型礦井生產(chǎn)輔助運(yùn)輸系統(tǒng)，在國(guó)內(nèi)各大煤礦得到了廣泛的應(yīng)用。但是，由于國(guó)內(nèi)防爆動(dòng)力設(shè)備生產(chǎn)能力相對(duì)落后，車輛的生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)多參照國(guó)外行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，致使車輛性能、防爆特性、尾氣處理、生產(chǎn)環(huán)節(jié)等方面滯后進(jìn)口車輛。而且，受礦井生產(chǎn)環(huán)境、巷道傾斜條件、頂?shù)装宓刭|(zhì)穩(wěn)定狀況、井巷水文地質(zhì)等現(xiàn)場(chǎng)因素的影響，致使無軌運(yùn)輸系統(tǒng)的制動(dòng)裝置負(fù)荷過大，在斜巷下坡運(yùn)行時(shí)容易發(fā)生跑車事故。

無軌運(yùn)輸車氣動(dòng)落鉤柔性攔阻裝置是參照航母艦載飛機(jī)降落時(shí)減速攔阻裝置的攔阻索原理為依據(jù)，結(jié)合礦上無軌運(yùn)輸車安全運(yùn)行管理經(jīng)驗(yàn)和保障無軌運(yùn)輸車安全運(yùn)行的實(shí)際需要設(shè)計(jì)的一種后備式安全保護(hù)裝置。該裝置在無軌運(yùn)輸車下坡運(yùn)行制動(dòng)系統(tǒng)故障發(fā)生跑車事故時(shí)，可以對(duì)車輛進(jìn)行柔性制動(dòng)，能有效避免跑車車輛事故擴(kuò)大，多重保障乘員的人身安全。

1　無軌運(yùn)輸車斜巷跑車運(yùn)動(dòng)學(xué)原理分析

假設(shè)無軌運(yùn)輸車載人后在斜巷下坡時(shí)發(fā)生跑車事故，則在忽略車身剩余動(dòng)力阻力僅在車身自重作用下的力學(xué)關(guān)系為：

車體重力： F=Mg

車體平行斜巷向下的分力： F1=Mgsin θ

車體與斜巷底板的摩擦力： F2=μMgcosθ

式中：M——無軌運(yùn)輸車載人后的車身整重，Kg；

g——重力加速度，取g=9.8m/s2；

θ——無軌運(yùn)輸車行車巷道傾角；

μ——井巷底板與車體的摩察系數(shù)；

當(dāng)F1>F2時(shí)，即無軌車輛在自重作用下斜巷運(yùn)行時(shí)具有平行斜巷向下的合力，所以當(dāng)無軌車輛斜巷運(yùn)行發(fā)生制動(dòng)系統(tǒng)故障時(shí)在忽略車身剩余動(dòng)力/阻力的情況下，無軌運(yùn)輸車輛就會(huì)發(fā)生跑車事故。

當(dāng)無軌運(yùn)輸車輛斜巷運(yùn)行發(fā)生跑車事故時(shí)，在忽略車身剩余動(dòng)力/阻力的情況運(yùn)動(dòng)學(xué)原理為：

車輛加速度為： a-（F1-μF2）/M

車輛跑車速度： V1-V0+aT

車輛跑車距離： L-V0T+0.5aT2

式中：V0——斜巷下坡時(shí)正常速度，m/s；

T——斜巷跑車下行時(shí)間，s；

圖1　無軌運(yùn)輸車氣動(dòng)落鉤柔性攔阻裝置實(shí)物圖

所以當(dāng)無軌運(yùn)輸車輛跑車時(shí)間T足夠大時(shí)，已跑車輛具有很大的中車速度和跑車距離，對(duì)應(yīng)的跑車動(dòng)能也非常大，當(dāng)已跑車輛具有很大的動(dòng)能時(shí)與巷道側(cè)壁或彎道巷道相撞時(shí)就會(huì)有很大的沖量，最后就可能造成很大的安全生產(chǎn)事故。

2　無軌運(yùn)輸車氣動(dòng)落鉤柔性攔阻裝置構(gòu)造及動(dòng)作原理

無軌運(yùn)輸車氣動(dòng)落鉤柔性攔阻裝置主要由無軌運(yùn)輸車輛車尾安裝固定的拉伸受力件和巷道底板間隔布置的具有緩沖吸能器的攔阻索兩部分組成（如圖1所示），通過手動(dòng)或自動(dòng)的方式控制裝置拉伸受力件升降，當(dāng)拉伸受力件降下并與巷道底板間隔布置的具有緩沖吸能器的攔阻索作用時(shí)就可使已跑車輛柔性制動(dòng)。

無軌運(yùn)輸車氣動(dòng)落鉤柔性攔阻裝置的拉伸受力件為一鋼性拉伸體，尾部為一“U型”鉤，頭部為固定在車體尾部橫梁上、呈三級(jí)受力的裝置，中部偏尾方向有一氣動(dòng)伸縮桿，通過導(dǎo)氣管、通斷閥門與車載氣壓（也可以是液壓/電動(dòng)）裝置（該裝置在車輛正常運(yùn)行時(shí)壓力要達(dá)到2MP以上，在車輛制動(dòng)系統(tǒng)失靈時(shí)壓力有效，且外接使用對(duì)車輛整體安全性無影響）相連，駕駛員操作（或自動(dòng)操作）通斷閥門開關(guān)時(shí)可實(shí)現(xiàn)控制該拉伸受力件升降。拉伸受力件受力點(diǎn)主要有尾鉤與攔阻索鉤點(diǎn)處和拉伸受力件與車體固定處，所有強(qiáng)力受力點(diǎn)處均進(jìn)行倒角處理，以減小受力接觸面的剪切效應(yīng)。車體固定處受力點(diǎn)采用三級(jí)受力機(jī)制，一級(jí)受力為拉伸受力件與車體固定裝置，用于固定氣動(dòng)落鉤柔性攔阻裝置；二級(jí)受力為拉伸受力件與車后輪車軸連接鋼絲繩，為車輛跑車時(shí)的主要受力機(jī)構(gòu)；三級(jí)受力為車體固定裝置與車后輪車軸連接鋼絲繩，為車輛跑車時(shí)的輔助受力機(jī)構(gòu)，也具有車輛跑車急停時(shí)穩(wěn)定車身的作用。

無軌運(yùn)輸車氣動(dòng)落鉤柔性攔阻裝置的攔阻索是由斜巷間隔成對(duì)安裝的緩沖吸能器和纏繞吸能器內(nèi)的高強(qiáng)度鋼絲繩組成。攔阻索作用鉤點(diǎn)處采用主、輔繩制動(dòng)安裝方式，主繩作為車輛柔性制動(dòng)的主要攔阻索，輔繩作為車輛柔性制動(dòng)的備用攔阻索或當(dāng)主繩失效后的二級(jí)攔阻索。主繩中間套兩個(gè)橡膠圈、輔繩在巷道側(cè)壁用強(qiáng)力彈簧張緊，使攔阻索與地面保持50mm以上的間距，確保膠輪車跑車時(shí)尾鉤能鉤住攔阻索。膠輪車將經(jīng)過攔阻索時(shí)，當(dāng)無軌運(yùn)輸車氣動(dòng)落鉤柔性攔阻裝置的拉伸受力件處于升起狀態(tài)時(shí)，車輛正常通過；當(dāng)無軌運(yùn)輸車氣動(dòng)落鉤柔性攔阻裝置的拉伸受力件處于降下狀態(tài)時(shí)，拉伸受力件尾鉤將鉤住攔阻索使車輛柔性制動(dòng)。

圖2　無軌運(yùn)輸車氣動(dòng)落鉤柔性攔阻裝置攔阻索斜巷、拉伸受力件示意圖

3　無軌運(yùn)輸車氣動(dòng)落鉤柔性攔阻裝置設(shè)計(jì)及計(jì)算

假設(shè)（圖2）無軌運(yùn)輸車斜巷行車時(shí)發(fā)生跑車事故，駕駛員能夠沉著應(yīng)對(duì)、及時(shí)啟動(dòng)（或車載測(cè)速裝置能可靠自動(dòng)啟動(dòng)）無軌運(yùn)輸車氣動(dòng)落鉤柔性攔阻裝置的拉伸受力件下降并鉤住底板間隔布置的攔阻索發(fā)生柔性沖擊，當(dāng)無軌運(yùn)輸車跑車沖擊作用時(shí)，服從以下條件：

（1）拉伸受力件為剛體，沖擊變形忽略不計(jì)；

（2）被沖擊攔阻索可以看成是一個(gè)彈簧，它的質(zhì)量相對(duì)無軌運(yùn)輸車很小，可忽略不計(jì)；

（3）沖擊中拉伸受力件與攔阻索接觸，就相互附著成為一個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)；

（4）沖擊載荷不是過分的大，保證被沖擊構(gòu)件受力后仍服從胡克定律；

（5）忽略不計(jì)沖擊過程中能量損失。則沖擊作用時(shí)的動(dòng)、靜載荷比為：

即：

式中：jΔ——靜變形量，m；

Δd——?jiǎng)幼冃瘟浚琺；

Pd——沖擊載荷，N；

當(dāng)無軌運(yùn)輸車以速度V與攔阻索沖擊作用時(shí)，根據(jù)能量守恒有：

即：

則有：

取：

則無軌運(yùn)輸車氣動(dòng)落鉤柔性攔阻裝置尾鉤與攔阻索沖擊作用時(shí)的動(dòng)荷系數(shù)為：

所以，無軌運(yùn)輸車氣動(dòng)落鉤柔性攔阻裝置拉伸受力件與攔阻索作用時(shí)的沖擊力為：

又因?yàn)椋?dāng)無軌車輛跑車時(shí)，在忽略無軌運(yùn)輸車氣動(dòng)落鉤柔性攔阻裝置拉伸受力件與攔阻索作用時(shí)沖擊能量損失時(shí)，跑車動(dòng)能全被吸能器吸收，則有：

即：

式中：E0——吸能器的額定吸能量，J；

所以，當(dāng)跑車車輛具有最大跑車距離時(shí)，有最大跑車速度和跑車動(dòng)能，同時(shí)具有最大沖擊力，即當(dāng) MV2-4E0時(shí)，F(xiàn)C有最大值：

又因?yàn)楫?dāng)攔阻索彈簧模型具有最大形變量時(shí)（忽略鋼絲繩張力變形）具有最大彈性勢(shì)能，即吸能器吸能量全轉(zhuǎn)化為彈性勢(shì)能有：

式中：K——彈簧模型彈性系數(shù)；

S——彈簧模型形變量；

則有：

又因?yàn)楫?dāng)無軌運(yùn)輸車斜巷自重下滑作用于攔阻索靜變彈力由胡克定律有：

即：

又由材料力學(xué)知當(dāng)無軌運(yùn)輸車氣動(dòng)落鉤柔性攔阻裝置的拉伸受力件正常動(dòng)作受力時(shí)，整個(gè)拉伸體的最大拉伸應(yīng)力為具有最小截面的集中應(yīng)力區(qū)，所以拉伸受力件的最大受力點(diǎn)為尾鉤與拉伸受力件主體的連接處。則對(duì)拉伸受力件的拉伸強(qiáng)度校驗(yàn)如下：

所以：

式中：σ——容許拉正應(yīng)力；

A——集中應(yīng)力區(qū)的截面面積，m2；

即當(dāng)無軌運(yùn)輸車氣動(dòng)落鉤柔性攔阻裝置的拉抻受力件的集中應(yīng)力區(qū)的截面大于應(yīng)力集中區(qū)的最大作用力Fmax與容許拉正應(yīng)力σ的比值，便能滿足無軌車輛跑車柔性制動(dòng)的強(qiáng)度要求。

當(dāng)按吸能器吸能量和最大防跑距離進(jìn)行校驗(yàn)時(shí)有：

式中：LM——無軌運(yùn)輸車跑車距離，m；

則有：

當(dāng)按鋼絲繩的破斷拉力進(jìn)行校驗(yàn)時(shí)有：

式中：FN——鋼絲繩最小破斷拉力，N；

D——吸能器的安裝間寬，m；

當(dāng)按拉伸受力件尾鉤與攔阻索作用點(diǎn)處鉚釘?shù)募羟袕?qiáng)度進(jìn)行校驗(yàn)時(shí)有：危險(xiǎn)截面鉚釘剪切面的最大剪力 FQ-Fmax，則對(duì)應(yīng)的正應(yīng)力σMPa，容許正應(yīng)力MPa（n為安全因數(shù)，對(duì)于靜載荷塑性材料一般取值為1.5～2.0，這里取2.0），所以鉚釘?shù)娜菰S切應(yīng)力（0.5為安全系數(shù)，一般取0.0～0.8，這里取0.5），則鉚釘?shù)募羟忻娼孛娣e：

式中：FQ——危險(xiǎn)剪切面的最大剪力，N；

τ——危險(xiǎn)剪切面的容許切應(yīng)力；

d——鋼絲繩的截面直徑，m；

AQ——危險(xiǎn)剪切面截面面積，m2；

通過式（1）、式（2）、式（3）、式（4）和式（5）的計(jì)算，便可得到無軌運(yùn)輸車氣動(dòng)落鉤柔性攔阻裝置拉伸愛力件及攔阻索的材質(zhì)選型和相關(guān)尺寸的定型了。

4　結(jié)語

無軌運(yùn)輸車氣動(dòng)落鉤柔性攔阻裝置的設(shè)計(jì)主要是基于無軌膠輪車斜巷跑車時(shí)的運(yùn)動(dòng)學(xué)原理進(jìn)行力學(xué)分析，通過對(duì)拉伸受力件的拉伸強(qiáng)度、剪切強(qiáng)度及攔阻索的破斷拉伸強(qiáng)度進(jìn)行安全性分析、校驗(yàn)，根據(jù)無軌運(yùn)輸車輛的載重、行車巷道條件、運(yùn)行模式等不同條件進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)適應(yīng)，可以有效應(yīng)對(duì)無軌運(yùn)輸車輛大坡度、長(zhǎng)斜巷、高濕高滑巷道行車的不安全隱患。

［1］劉星.礦井防爆無軌膠輪車輔助運(yùn)輸系統(tǒng)的應(yīng)用［J］.科技情報(bào)開發(fā)與經(jīng)濟(jì)，2012，22（17）.

［2］和嫣梅.斜井防跑車裝置的設(shè)計(jì)計(jì)算［J］.煤礦機(jī)械，2003（10）.

［3］錢濟(jì)成，徐道遠(yuǎn)，劉麗麗，符曉陵.材料力學(xué)［M］.南京：河海大學(xué)出版社，1993.

［4］范欽珊，王波，殷雅俊.材料力學(xué)［M］.北京：高等教育出版社，2000.

［5］孫訓(xùn)方，胡增強(qiáng).材料力學(xué)（第四版）［M］.北京：高等教育出版社，2002.

金建成（1973—），男，碩士研究生，華亭煤業(yè)集團(tuán)馬蹄溝煤礦礦長(zhǎng)，工程師。