面向煤礦斜井跑車防護的柔性緩沖動力學仿真分析與實踐

宋國棟

(應急管理部信息研究院，北京 100029)

煤礦跑車現象是斜井運輸中常見的事故類型，跑車防護效果關系到斜井運輸安全和防護裝置重復使用效率[1]。目前，國內的跑車防護制動裝置多采用鋼絲繩攔網式擋車[2-6]，采用壓板式緩沖器進行高能碰撞吸收，調節阻力值需用公斤力板手由專業經驗的人員進行操作，兩側的阻力值很難調到一致并且誤差大。壓力小鋼絲繩容易抽出，壓力大鋼絲繩容易斷裂造成礦車堆疊，對礦車、巷道破壞性大，容易造成重大人員傷亡；并且跑車攔截后緩沖器容易變形，不能重復使用；現有產品的誤動作率高、可靠性差、無法承受高速沖擊，嚴重威脅著煤礦的安全生產。國外技術發展呈現2個方向：①英國、美國、澳大利亞等國采用的塞爾達制動器[7-11]，即通過變形吸能器作為緩沖裝置，通過輥輪在平行交錯中鋼帶的變形吸收碰撞能量；②俄羅斯研究的柔性緩沖器防護技術，即通過柔性緩沖器變形來達到吸收能量的目的[12-14]。具有制動距離短、抗沖擊能力強、裝置重復利用率高等特點。

綜合國內外斜井跑車智能防護技術的研究情況，柔性緩沖防護及智能識別與預警技術裝置具有吸收能量高、識別速度快、誤動作率低等優點，代表技術發展的最新方向。

1 高能碰撞理論分析

煤礦斜巷一般采用擋車欄作為跑車防護的措施，擋車欄通過吸收撞擊過程中產生的能量進行攔截失控車輛。在攔截過程中期望在較短的緩沖距離內吸收更多的緩沖能量。因此，需要對擋車欄采用高能柔性碰撞技術，利用鋼絲繩與緩沖器之間的摩擦力，吸收礦車碰撞中的能量。為了達到較好的緩沖效果，對緩沖器采用多股鋼絲繩并聯的方式以加大相互之間的摩擦力；同時為了更有效控制該摩擦力，在鋼絲繩上方設計調整螺栓將其壓住，能夠根據不同應用場景靈活調整摩擦力。

在碰撞初期，由于跑車速度較大，擋車欄作用于跑車的作用力會有一個較大的峰值，隨著撞擊過程的發展，作用力逐漸減小。通常情況下，撞擊初期作用力造成的加速度是穩態階段的2～4倍。根據上述碰撞特性，跑車與擋車欄碰撞過程中，跑車的動能被擋車欄的攔截所用所吸收，該吸收過程可以表述：

(1)

式中，e(t)為跑車的動能隨時間的變化函數，s為時間，m為礦車總質量，V1為礦車運行速度，V0為礦車初始速度。

擋車欄攔截礦車的過程中，礦車在緩沖器的作用下產生的加速度為：

a(t)=e(t)/m

(2)

式中，加速度a和動能e均為時間函數，隨著緩沖過程的時間變化而變化。

在擋車欄緩沖器的作用下，碰撞初期加速度假定保持不變，速度均勻變化，碰撞持續時間t可以用表示為：

但是也有研究人員顯示，皮下注射0.25 mg/kg的蜂毒，對白鼠CCI術后引起的痛覺過敏進行治療，發現單次注射蜂毒，脊髓NRI磷酸化抑制現象發生，但是僅能對白鼠的熱痛敏進行抑制，機械性痛敏則沒有任何作用[11]。還有研究顯示[12]，敲除白鼠脊髓背角NRI基因，對疼痛模型制作，制作形成以后的24 h內并沒有發現任何異常現象，但是48 h后卻出現了機械性痛敏，證實有其他因素參與在痛敏形成中。

t=v0/a

(3)

跑車制動距離：

(4)

2 柔性緩沖器仿真

2.1 柔性緩沖器建模

實際應用中，擋車欄為整個柔性緩沖系統受到撞擊力最大的部件，所以為擋車欄進行動力學仿真十分必要。為了建立礦車柔性緩沖器的實體模型和動力學仿真，利用SolidWorks2014建立斜井跑車高能碰撞柔性緩沖器擋車欄的三維模型[15]，將模型導入SolidWorks Motion中，添加運動副，施加載荷和約束條件以及求解，分析顯示動力學模擬仿真檢驗礦車柔性緩沖器設計合理性。利用SolidWorks Motion進行動力學仿真分析步驟如圖1所示。

圖1 動力學仿真分析步驟

按照實際尺寸在SolidWorks分別建立柔性緩沖器擋車欄零件模型，零件模型建立完成之后通過條件約束進行總體裝配。碰撞瞬間的裝配圖如圖2所示。

圖2 柔性緩沖器擋車欄裝配示意

2.2 動力學仿真分析

2.2.1 模型簡化

一般礦車2～8臺，其總體質量不大于16 t，這里將模型簡化，將小車建立成一個模型，但是總體質量達到最大值。針對整個滑車和制動系統，模型系統與水平方向保持夾角30°。

2.2.2 分析模型前處理

建立動力學仿真模型：①滑車與鐵軌是滾動摩擦，摩擦系數為0.05；②滑車與制動器間為碰撞接觸；③制動器運動方向阻尼初設為40 N·S/mm；④箕斗滿載條件下總質量16 t；⑤最大制動力919.789 kN，最小的制動力為64.822 kN，選取均值78.400 kN作為制動力；⑥礦車鐵軌與水平方向的角度為30°，礦車垂直方向的下落距離為3 m。

2.2.3 動力學仿真

設置仿真時間為5 s，通過簡化后的模型進行動力學仿真前后的狀態得出碰撞瞬間的制動距離約為3.6 m，碰撞力為287 kN。受力方向如圖3所示，瞬間撞擊力曲線如圖4所示。

圖3 受力方向示意

圖4 瞬間碰撞作用力曲線

2.2.4 SolidWorks Simulation有限元分析

通過之前的力學模型可知，在碰撞的瞬間擋車欄受到的沖擊力是巨大的，把礦車視為剛體，提取擋車欄的模型進行力學的有限元分析，通過力學分析查看擋車欄是否能在巨大的沖擊力下實現多次循環使用。

首先將抽取的擋車欄模型導入SolidWorks Simulation，定義擋車欄的材料，這里將其設置為鋼材料，下一步進入SolidWorks Simulation界面對擋車欄進行接觸設置、劃分網格、施加約束以及求解等。上述步驟如相關參數設置如圖5所示，施加載荷如圖6所示。

圖5 擋車材料參數設置

圖6 施加載荷仿真

完成材料，載荷等條件的設定后，便可進行擋車的靜應力分析。得到的結果如圖7所示。

圖7 擋車靜應力分析結果

通過之前力學模型，可以得出進行動力學和有限元分析的數據。當小車為滿載時，沿著軌道向下運動，其撞擊擋車欄瞬間為最大撞擊力，用之前動力學分析出的最大撞擊力，對擋車欄進行了有限元分析，得出擋車欄在撞擊的一瞬間的形變為0.2 mm。金屬一般會產生回彈，對擋車欄后續工作的影響不大，可以反復多次使用以便減少成本。

3 結論

煤礦斜井軌道運輸的過程中，以2～8節礦車的運輸方式最為常見，本文針對斜井車輛失控時撞擊能量大、巷道環境復雜的情況，設計了跑車防護柔性緩沖器，建立了煤礦斜井跑車碰撞的數學模型，分析了斜井跑車高能碰撞柔性緩沖器在礦車失控時的受力狀態，得出進行動力學和有限元分析的數據。

利用SolidWorks Motion對柔性緩沖器擋車機構進行了動力學仿真，根據實際應用場景，通過參數給定，結合用動力學分析出的最大撞擊力，對擋車欄進行了有限元分析，得出擋車欄在撞擊的一瞬間的形變為1.4 mm，變形率為0.12%，金屬一般會產生回彈，對擋車欄后續工作的影響不大，因此可以反復多次使用。實驗證明，本文采用的柔性緩沖器擋車機構對煤礦跑車能夠有效攔截，并具備多次重復使用的特點，對于提升煤礦斜井安全水平和減少跑車防護設施維護強度具有重要意義。