煤礦無(wú)軌膠輪車失速摩擦板設(shè)計(jì)仿真與試驗(yàn)研究

李盟潔，黨文龍，衛(wèi)琛浩，馬 嘯，李茂慶

陜西煤業(yè)化工技術(shù)研究院有限責(zé)任公司 陜西西安 710100

運(yùn) 輸安全是我國(guó)煤礦生產(chǎn)運(yùn)輸過(guò)程中一個(gè)非常重要的環(huán)節(jié)，尤其是斜巷輔助運(yùn)輸，它擔(dān)負(fù)著礦井生產(chǎn)的人員、物料及設(shè)備運(yùn)輸?shù)闹匾蝿?wù)。礦井斜巷輔助運(yùn)輸分為有軌運(yùn)輸和無(wú)軌運(yùn)輸，近年來(lái)無(wú)軌運(yùn)輸設(shè)備及技術(shù)發(fā)展迅速，在現(xiàn)代化大型礦井中的應(yīng)用愈加廣泛[1-2]。其中，防爆無(wú)軌膠輪車因其靈活方便、高效的優(yōu)勢(shì)，在礦井斜巷無(wú)軌運(yùn)輸中發(fā)揮著重要作用[3-4]；與此同時(shí)，無(wú)軌膠輪車跑車失速事故呈上升趨勢(shì)，對(duì)礦井的安全生產(chǎn)和工作人員的生命安全造成了極大的威脅。隨著安全問(wèn)題越來(lái)越受到重視，針對(duì)防爆無(wú)軌膠輪車跑車失速事故，安全防護(hù)技術(shù)和設(shè)備的研究受到越來(lái)越多的關(guān)注[5-7]。當(dāng)前在煤礦井下使用的防跑車系統(tǒng)主要是針對(duì)有軌運(yùn)輸，包括各種擋車器和阻車器[8-9]，而針對(duì)無(wú)軌運(yùn)輸中防爆無(wú)軌膠輪車及巷道附屬設(shè)施的安全防護(hù)裝置研究則較少。在實(shí)際礦井生產(chǎn)中，無(wú)軌輔助運(yùn)輸方式比較靈活，跑車失速事故原因多樣，不確定性較大。為了降低由于跑車失速事故引起的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡，針對(duì)無(wú)軌膠輪車在井下斜巷長(zhǎng)坡運(yùn)行時(shí)的失速現(xiàn)象，設(shè)計(jì)了一種新型緩沖裝置——納米吸能摩擦板。

1 納米吸能摩擦板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

目前針對(duì)斜巷有軌運(yùn)輸跑車事故的預(yù)防，主要采用各種跑車防護(hù)裝置對(duì)車輛進(jìn)行攔截，從而保護(hù)斜巷附屬設(shè)施及乘員的安全。根據(jù)防護(hù)原理的不同，跑車防護(hù)裝置主要分為撞擊式、雷達(dá)式和電動(dòng)式，但針對(duì)斜巷無(wú)軌運(yùn)輸?shù)难芯枯^少。鑒于煤礦井下斜巷無(wú)軌運(yùn)輸安全防護(hù)設(shè)施的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)還未完善，筆者采用新型納米緩沖吸能材料，針對(duì)煤礦斜巷設(shè)計(jì)了一種安裝在長(zhǎng)坡斜巷壁上的納米吸能摩擦板。該摩擦板使用的納米吸能材料具有優(yōu)異的緩沖吸能性能，行業(yè)內(nèi)對(duì)納米流體吸能材料已有大量的研究[10]。該材料主要由功能流體和納米多孔材料組成，在外力 (沖擊、碰撞)作用下，隨著功能流體在臨界壓力值以上進(jìn)入納米孔，可將外界機(jī)械能轉(zhuǎn)化為固-流體界面能和摩擦熱能。納米多孔材料因其巨大的比表面積，吸能密度可以達(dá)到 30 J/g 以上。

當(dāng)無(wú)軌膠輪車發(fā)生跑車失速事故時(shí)，車輛與安裝在巷道壁上的納米吸能摩擦板進(jìn)行碰撞，摩擦板吸收失速車輛的瞬間碰撞動(dòng)能，使得無(wú)軌膠輪車速度減慢直至停車，以減小對(duì)附屬設(shè)施的破壞以及對(duì)作業(yè)人員的傷害。根據(jù)牛頓第二定律F=ma和沖量定理Ft=Δmv，在碰撞初期車輛速度較快，短時(shí)間內(nèi)車頭碰撞力會(huì)很大，故車輛的加速度也會(huì)增大；因此，設(shè)計(jì)納米吸能摩擦板時(shí)前部采用柔性結(jié)構(gòu)和材料吸能，中間填充納米吸能結(jié)構(gòu)，并在四周加裝鋼板以增強(qiáng)其剛度，整體形成循序漸進(jìn)的緩沖吸能方式。納米吸能摩擦板主要由柔性緩沖層、鋼板、納米吸能結(jié)構(gòu)和錨固組件等組成，結(jié)構(gòu)如圖1 所示。車輛碰撞到吸能摩擦板后，填充納米吸能結(jié)構(gòu)的柔性緩沖層延緩碰撞時(shí)間，使失速車輛減速直至平穩(wěn)停車。該納米吸能摩擦板具有安裝方便、能耗少、價(jià)格低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單以及維修更換方便的特點(diǎn)，具有較好的推廣價(jià)值和市場(chǎng)潛力。鑒于煤礦井下環(huán)境的特殊性，所有材料均符合阻燃抗靜電等安全使用要求。

圖1 納米吸能摩擦板結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of nanometer energy-absorbing friction plate

2 有限元仿真

2.1 仿真模型的建立

納米吸能摩擦板通過(guò)錨固組件固定連接在巷道壁上。利用 ANSYS/LS-DYNA 軟件建立摩擦板與無(wú)軌膠輪車碰撞的仿真模型，如圖2 所示。

圖2 碰撞仿真模型Fig.2 Collision simulation model

為了簡(jiǎn)化計(jì)算，模型中對(duì)某些細(xì)節(jié)進(jìn)行了簡(jiǎn)化，錨固組件與巷道壁的連接采用面-面接觸方式，無(wú)軌膠輪車模型以四邊形殼單元為主，無(wú)軌膠輪車和納米吸能摩擦板之間采用自動(dòng)單面接觸，無(wú)軌膠輪車載重以配重方式調(diào)整。納米吸能摩擦板各部件材料屬性如表 1 所列。

表1 納米吸能摩擦板各部件材料屬性Tab.1 Material properties of each part of nanometer energy-absorbing plate

2.2 仿真分析

為了減少計(jì)算量，在不影響計(jì)算結(jié)果的前提下對(duì)模型進(jìn)行合理簡(jiǎn)化。初始模型中，無(wú)軌膠輪車質(zhì)量為1.5 t，且由于目前礦井安全防護(hù)設(shè)施無(wú)相關(guān)國(guó)家和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，參考 JTG B05-01—2013《公路護(hù)欄安全性能評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》中碰撞試驗(yàn)要求，碰撞角度設(shè)置為 20°。此外，結(jié)合《煤礦安全規(guī)程》相關(guān)規(guī)定——礦井防爆無(wú)軌膠輪車運(yùn)輸人員車輛速度不能超過(guò) 25 km/h，碰撞速度設(shè)置為 40 km/h。為了進(jìn)一步增加納米吸能摩擦板表面的摩擦力，在其表面增加圓弧形凸起結(jié)構(gòu)，有限元分析計(jì)算表明，該結(jié)構(gòu)能夠在不增加撞擊力的前提下延長(zhǎng)緩沖時(shí)間。無(wú)軌膠輪車碰撞仿真結(jié)果如圖3 所示。從圖 3(a)可以看到，當(dāng)無(wú)軌膠輪車碰撞到摩擦板后，行駛速度明顯降低，從 40 km/h 降到 30 km/h，降低 25%，車輛回到正常行駛軌道。從圖 3(b)可以看到，當(dāng)車輛與巷道壁碰撞時(shí)，車頭沖擊力接近 5 kN；當(dāng)車輛與摩擦板碰撞時(shí)，車頭沖擊力約為 3 kN，相比直接與巷道壁碰撞降低了 40%，降幅明顯。

圖3 無(wú)軌膠輪車碰撞仿真結(jié)果Fig.3 Collision simulation results of trackless rubber-wheeled vehicle

無(wú)軌膠輪車和納米吸能摩擦板碰撞后二者的變形如圖 4 所示。從圖 4 可以看到，納米吸能摩擦板有輕微變形，無(wú)軌膠輪車駕駛位位置稍微凹進(jìn)，但沒(méi)有明顯的變形。

圖4 無(wú)軌膠輪車和摩擦板碰撞后的變形Fig.4 Deformation of trackless rubber-wheeled vehicle and friction plate after collision

在此基礎(chǔ)上，對(duì)無(wú)軌膠輪車在不同碰撞速度下進(jìn)行仿真，結(jié)果如圖 5 所示。從圖 5 可以看出，無(wú)軌膠輪車的碰撞速度越高，碰撞時(shí)受到的沖擊力越大。因此在煤礦日常生產(chǎn)中，進(jìn)行嚴(yán)格的限速管理十分必要。

圖5 不同碰撞速度下無(wú)軌膠輪車沖擊力的變化Fig.5 Variation of impact force of trackless rubber-wheeled vehicle at various collision speed

3 實(shí)車碰撞試驗(yàn)

3.1 實(shí)車碰撞試驗(yàn)條件

為了進(jìn)一步驗(yàn)證納米吸能摩擦板在礦井生產(chǎn)中的防護(hù)性能，進(jìn)行了實(shí)車足尺碰撞試驗(yàn)。根據(jù)礦井交通失速事故調(diào)研資料以及礦井斜巷運(yùn)輸常用車輛的情況，實(shí)車碰撞試驗(yàn)采用了輸送人員的中型客車和輸送物料的中型貨車。這些車輛由于總質(zhì)量較大，一旦失速，碰撞時(shí)對(duì)車輛沖擊更嚴(yán)重。《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定，井下人員運(yùn)輸車輛限速 25 km/h，貨物運(yùn)輸車輛限速 35 km/h，為了進(jìn)一步提高安全系數(shù)，中型客車和中型貨車的碰撞速度分別設(shè)為 40 和 50 km/h。中型客車和中型貨車的總質(zhì)量分別為 3.6 和 6.0 t，碰撞角度均設(shè)置為 20°。

實(shí)車碰撞試驗(yàn)參照 JTG B05-01—2013《公路護(hù)欄安全性能評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》的要求，對(duì)礦井納米吸能摩擦板的安全性能要求為：納米吸能摩擦板構(gòu)件及其脫離件不得侵入無(wú)軌膠輪車乘員艙；碰撞后乘員加速度的縱向與橫向分量均不得大于 20g；車輛碰撞后不得翻車等。

3.2 實(shí)車碰撞試驗(yàn)結(jié)果

實(shí)車碰撞試驗(yàn)測(cè)試機(jī)構(gòu)為北京深華達(dá)交通工程檢測(cè)有限公司。試驗(yàn)前，首先將納米吸能摩擦板通過(guò)預(yù)埋螺栓錨固于混凝土墻體上，混凝土墻體預(yù)埋在混凝土路面中，共安裝 18 節(jié)納米吸能摩擦板，安裝總長(zhǎng)度為 14.4 m；然后將車輛牽引至合適位置。實(shí)車碰撞試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)車輛與摩擦板的布置如圖 6 所示。

圖6 實(shí)車碰撞試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)車輛與摩擦板的布置Fig.6 Layout of vehicle and friction plate in site of real vehicle collision test

按照設(shè)定速度以 20°的角度側(cè)碰摩擦板。車輛上方的調(diào)整攝像儀記錄的中型客車碰撞試驗(yàn)行駛軌跡如圖 7 所示(自上而下按時(shí)間順序)，可以看到車輛碰撞到摩擦板后，行駛速度降低，并回到正常行駛方向。

圖7 中型客車碰撞試驗(yàn)行駛軌跡Fig.7 Steering trajectory during medium passenger vehicle collision test

實(shí)車碰撞試驗(yàn)后納米吸能摩擦板與中型客車、中型貨車的變形如圖 8 所示。從圖 8 可以看出：中型客車碰撞后，自納米吸能摩擦板起始端起第 6 節(jié)摩擦板破損，車輛與摩擦板刮擦 10.4 m，在距起點(diǎn) 11.40 m 處停下，前保險(xiǎn)杠左側(cè)局部刮擦損壞，左前大燈損壞；中型貨車碰撞后，自納米吸能摩擦板起始端起第6～8 節(jié)摩擦板破損，車輛與摩擦板刮擦 10.4 m，車輛駛離速度為 21.33 km/h，前保險(xiǎn)杠彎曲變形，左前大燈損壞脫落，駕駛室車門變形。

圖8 實(shí)車碰撞試驗(yàn)后摩擦板與車輛的變形Fig.8 Deformation of friction plate and vehicle at end of real vehicle collision test

試驗(yàn)結(jié)果表明，納米吸能摩擦板實(shí)現(xiàn)了阻擋、導(dǎo)向和緩沖功能，車輛碰撞后未翻車，未穿越、翻越或騎跨摩擦板，摩擦板未侵入車輛乘員艙，車輛重心位置加速度和駕駛室位置加速度均小于 20g，滿足評(píng)價(jià)指標(biāo)的要求。具體試驗(yàn)結(jié)果如表 2 所列。

表2 實(shí)車碰撞試驗(yàn)結(jié)果Tab.2 Results of real vehicle crash test

4 結(jié)論

(1)基于煤礦輔助無(wú)軌運(yùn)輸安全防護(hù)現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)了一種新型納米吸能摩擦板。當(dāng)失速車輛碰撞到摩擦板時(shí)，表面的柔性緩沖層初步吸能，內(nèi)部納米吸能結(jié)構(gòu)耗散大部分動(dòng)能，鋼板提供一定的剛度，錨固組件用于與斜巷道壁連接，整體結(jié)構(gòu)便于加工，具有較好的經(jīng)濟(jì)性和安全性。

(2)建立了車輛碰撞有限元分析模型，確定了初始模型的碰撞工況條件，車輛為 1.5 t，碰撞速度為 40 km/h，碰撞角度為 20°，并對(duì)其進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。

(3)在有限元優(yōu)化分析基礎(chǔ)上，對(duì)兩種常用車輛中型客車和中型貨車，進(jìn)行了實(shí)車足尺碰撞試驗(yàn)。碰撞后車輛安全停止，各項(xiàng)指標(biāo)滿足評(píng)價(jià)指標(biāo)要求，能夠?qū)崿F(xiàn)一定的緩沖阻車功能。

目前煤礦無(wú)軌運(yùn)輸安全防護(hù)還缺少相關(guān)強(qiáng)制性規(guī)范，也沒(méi)有成熟的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，只能參考相關(guān)類型的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，在一定程度上也制約了安全防護(hù)技術(shù)研究的發(fā)展。本文研究成果對(duì)促成礦井無(wú)軌輔助運(yùn)輸安全防護(hù)行業(yè)形成行業(yè)規(guī)范及標(biāo)準(zhǔn)具有一定的參考意義。