猴車驅動輪軸變形斷軸保護安全技術研究

孫巖，武成栓，賀永平，常有，李美梅

（山西汾西礦業（集團）有限責任公司曙光煤礦，山西孝義032300）

引言

根據《煤礦安全規程》第383條規定，在猴車主驅動旋轉輪軸中心的正下方必須安裝斷軸保護裝置，為了進一步規范猴車運行管理制度，保障猴車安全運行，在猴車已裝有機頭機尾越位保護、欠速過速保護、重錘下限位保護、全線緊急停車保護、乘人間距控制保護、上變坡點吊繩捕繩停車保護、吊椅防過擺保護、系統防靜電保護、頭尾輪入省口安全防護裝置、減速機油溫保護、制動器動作失效保護、機頭機尾信號中斷保護、驅動裝置二級制動保護等13項保護的情況下，結合猴車技術發展的最新動態，主驅動輪軸斷軸保護裝置必須得以安裝，并且要求結構簡單，安全牢固，加工安裝方便、設計科學合理、使用安全穩定等性能。

1 猴車驅動輪軸的運轉特性

根據巷道的設計特性，在巷道入口處把猴車機頭安裝點的上方固定槽鋼、橫向穩定連接好，然后把猴車驅動裝置總成安裝在已裝好、固定牢靠的槽鋼上，這樣既能架空猴車總成，保證猴車座椅的高度，又能落地安裝各種適用的保護裝置[1]。安裝好抱索器總成，并且G型抱索器可以繞驅動輪和尾輪運行。

2 力矩的分布規律設計計算

2.1 巷道參數

巷道總長L=3 250 m；最大坡度α1=28°；平均坡度α2=24.5°。

2.2 主要參數的確定

1）驅動輪直徑D=1.6 m。

2）選減速機速比i=63；鋼絲繩運行速度υ=K（π D/60）N/i=0.96 m/s。其中：K為鋼絲繩運行時蠕動系數，取K=0.98，N為電動機轉速，740 r/min。

3）設定乘坐間距λ1=10 m，則運輸效率Qr=32 500υ/λ1=3120人次/h。

4）預選鋼絲繩直徑Φ=26 mm，每米質量q0=2.49 kg/m，抗拉強度為1 670 MPa，鋼絲繩鋼絲破斷拉力總和為452 kN。

5）驅動輪繩槽與牽引鋼絲繩的摩擦系數μ=0.25；鋼絲繩與托輪間阻力系數ω，動力運行時取ω=0.02，制動運行時取ω=0.012。

6）牽引繩在驅動輪上的圍包角α=180°。

2.3 牽引鋼絲繩張力的計算

2.3.1 最小點張力

式中：C為鋼絲繩的抗撓度系數，取值范圍為650～1 000；g為重力加速度，g=9.8 m/s2。

將數據代入式（1）計算得Fmin=24 402 N。

2.3.2 各特征點張力的計算

2.3.2.1 動力運行狀態

當下放側無人乘座而上升側滿員時（動力運行狀態）：

線路運行阻力

各特征點張力

式中：F1為驅動輪進繩側鋼絲繩張力；F2為驅動輪出繩側鋼絲繩張力；F3為迂回輪進繩側鋼絲繩張力；F4為迂回輪出繩側鋼絲繩張力，F4=1.01F3；Q1為人和物總重量,取95 kg（AQ規定，人重75 kg、物重20 kg）；Q2為吊椅重量，取15 kg；L為巷道總長。

將數據代入式（2）（3）（4）（5），計算得：f上=37199N，f下=-10 077 N；F3=24 402 N，F1=61 845 N。

2.3.2.2制動運行狀態

當下放側滿員乘坐而上升側無人乘坐時（制動運行狀態）：

線路運行阻力

各點張力

3 行人巷道的布局特點

專用行人巷道埋藏深度為497～597 m，地面標高為＋980～+1 030 m。地面全部為紅、黃土覆蓋，地勢為南高北低，東高西低。專用行人巷在山西組中下部2號煤層中掘進，2號煤層走向大致為南北走向，傾角一般0°～10°，局部傾角可能增大[2]。2號煤層平均厚度為2.5 m。本井田為低瓦斯礦井，但須按高瓦斯礦井管理。掘進時應做好通風、降溫、滅塵工作。行人巷道設計施工要求見表1[3]。

表1 行人巷道設計施工要求

4 行人巷道猴車機械運動產生的力模擬（見圖1）

圖1 行人巷道猴車機械運動產生的力模擬

5 猴車主驅動輪軸變形斷軸保護裝置的特性

驅動輪在斷軸后向下移動500 mm，中心坐落在三級橫擋系統的O型旋轉盤內，在盤式軸承支撐力的作用下，能夠繼續正常旋轉，起到緩慢停止的作用；當驅動輪在軸斷裂下移時，在鋼絲繩張力作用下向前移動，三級橫擋系統總成能夠及時防止驅動輪前移，同時斷軸保護裝置的電子報警系統開始工作，并能在第一時間切斷電源[4]。

5.1 上壓防倒系統

上壓防倒系統主要包括U型固定卡、連接螺栓、調整安裝蹄及防火星摩擦片，它是在驅動軸斷裂后，驅動輪在鋼絲繩張力的作用下，乘坐人員和物的重量向前拉力的作用下，迫使驅動輪翻翹前移，容易造成惡性事故。為了防止此類事故的發生，上壓防倒系統顯得更為重要。

5.2 驅動軸變形斷裂電子報警系統

此系統驅動軸在疲勞變形時，能夠第一時間發出警報，告訴猴車司機，軸已變形，驅動輪運轉已經不平穩，需要及時更換。若不更換就會出現斷軸，產生嚴重后果。

5.3 中央支撐三級橫擋系統

中央支撐是在猴車驅動軸的正下方用挖坑、混凝土澆筑錨桿來固定，它是通過固定底板、可調行伸縮管架、組合式穩定裝置組成，主要是支撐猴車斷軸保護器的全部重量，保證猴車驅動軸斷裂后能夠承受各種力矩，確保乘坐人員不受傷害，機械設備不受損壞[5]。

6 斷軸后覆滅性試驗

6.1 安裝位置概況

猴車斷軸保護裝置安裝在猴車機頭位置，猴車總驅動由四根工字鋼橫梁支撐，橫梁離地面的距離為2.5 m，猴車機頭寬度為4 m。專用行人巷道的永久支護采用“錨、網、索、噴”聯合支護。所有錨桿全部使用300 mm的“一字”鋼帶，“一字”鋼帶全部順巷道方向安裝，要求緊貼網面與巷道輪廓面，巷道斷面為半圓拱形永久支護。

6.2 設備的布置

猴車斷軸保護裝置安裝在行人巷道最南端50 m處，猴車總成安裝在固定橫梁的上方，驅動軸垂直向下方，驅動軸末端安裝有驅動輪，驅動輪帶動鋼絲繩和猴車座椅運行，為了防止驅動軸扭曲、變形、斷裂造成傷人事故和機械設備的損壞，必須在驅動軸的正下方安裝斷軸保護[6]。

6.3 試驗效果

猴車斷軸保護裝置在模擬主驅動盤軸斷裂后，產生的各種力在100 000 N的沖擊下，猴車斷軸保護裝置固定支撐調整系統沒有損壞和變形。三級橫擋系統的支撐連接鐵板沒有變形和斷裂，其他各種保護系統能夠在第一時間內起到作用，保護乘坐人員不受傷害，機械設備和機電設備不受損壞[7]。從根本上消滅了猴車運轉時斷軸的安全隱患，從實際上夯實了安全基礎。

7 結語

針對礦用猴車驅動軸發生突然斷軸的一項保護裝置，實現了猴車在運行過程中驅動軸發生斷軸時，對乘坐猴車的人以及機械設備起到保護作用，也是一個更加科學、安全的保護裝置。猴車斷軸保護裝置的運用更大程度地降低了機械設備的損壞，防止惡性事故的發生。

[1]朱龍根.簡明機械零件設計手冊[M].北京：機械工業出版社，2011.

[2]國家安全生產監督管理總局.煤礦安全規程[M].北京：煤炭工業出版社，2001.

[3]紀名剛.礦井輔助運輸的計算和設備選擇[M].北京：煤炭工業出版社，2011.

[4]哈爾濱工業大學理論力學研究室.理論力學[M].北京：高等教育出版社，2002.

[5]孫恒，陳作模.機械原理[M].北京：高等教育出版社；2010.

[6]程居山.礦山機械[M].徐州：中國礦業大學出版社，2003.

[7]中國紡織大學工程圖學教研室.畫法幾何及工程制圖[M].上海：上海科學技術出版社，1997.