煤礦無軌膠輪車失速摩擦板設計仿真與試驗研究

李盟潔，黨文龍，衛琛浩，馬 嘯，李茂慶

陜西煤業化工技術研究院有限責任公司 陜西西安 710100

運 輸安全是我國煤礦生產運輸過程中一個非常重要的環節，尤其是斜巷輔助運輸，它擔負著礦井生產的人員、物料及設備運輸的重要任務。礦井斜巷輔助運輸分為有軌運輸和無軌運輸，近年來無軌運輸設備及技術發展迅速，在現代化大型礦井中的應用愈加廣泛[1-2]。其中，防爆無軌膠輪車因其靈活方便、高效的優勢，在礦井斜巷無軌運輸中發揮著重要作用[3-4]；與此同時，無軌膠輪車跑車失速事故呈上升趨勢，對礦井的安全生產和工作人員的生命安全造成了極大的威脅。隨著安全問題越來越受到重視，針對防爆無軌膠輪車跑車失速事故，安全防護技術和設備的研究受到越來越多的關注[5-7]。當前在煤礦井下使用的防跑車系統主要是針對有軌運輸，包括各種擋車器和阻車器[8-9]，而針對無軌運輸中防爆無軌膠輪車及巷道附屬設施的安全防護裝置研究則較少。在實際礦井生產中，無軌輔助運輸方式比較靈活，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濟損失和人員傷亡，針對無軌膠輪車在井下斜巷長坡運行時的失速現象，設計了一種新型緩沖裝置——納米吸能摩擦板。

1 納米吸能摩擦板結構設計

目前針對斜巷有軌運輸跑車事故的預防，主要采用各種跑車防護裝置對車輛進行攔截，從而保護斜巷附屬設施及乘員的安全。根據防護原理的不同，跑車防護裝置主要分為撞擊式、雷達式和電動式，但針對斜巷無軌運輸的研究較少。鑒于煤礦井下斜巷無軌運輸安全防護設施的行業標準和產品標準還未完善，筆者采用新型納米緩沖吸能材料，針對煤礦斜巷設計了一種安裝在長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異的緩沖吸能性能，行業內對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入納米孔，可將外界機械能轉化為固-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，吸能密度可以達到 30 J/g 以上。

當無軌膠輪車發生跑車失速事故時，車輛與安裝在巷道壁上的納米吸能摩擦板進行碰撞，摩擦板吸收失速車輛的瞬間碰撞動能，使得無軌膠輪車速度減慢直至停車，以減小對附屬設施的破壞以及對作業人員的傷害。根據牛頓第二定律F=ma和沖量定理Ft=Δmv，在碰撞初期車輛速度較快，短時間內車頭碰撞力會很大，故車輛的加速度也會增大；因此，設計納米吸能摩擦板時前部采用柔性結構和材料吸能，中間填充納米吸能結構，并在四周加裝鋼板以增強其剛度，整體形成循序漸進的緩沖吸能方式。納米吸能摩擦板主要由柔性緩沖層、鋼板、納米吸能結構和錨固組件等組成，結構如圖1 所示。車輛碰撞到吸能摩擦板后，填充納米吸能結構的柔性緩沖層延緩碰撞時間，使失速車輛減速直至平穩停車。該納米吸能摩擦板具有安裝方便、能耗少、價格低、結構簡單以及維修更換方便的特點，具有較好的推廣價值和市場潛力。鑒于煤礦井下環境的特殊性，所有材料均符合阻燃抗靜電等安全使用要求。

圖1 納米吸能摩擦板結構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

為了簡化計算，模型中對某些細節進行了簡化，錨固組件與巷道壁的連接采用面-面接觸方式，無軌膠輪車模型以四邊形殼單元為主，無軌膠輪車和納米吸能摩擦板之間采用自動單面接觸，無軌膠輪車載重以配重方式調整。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

為了減少計算量，在不影響計算結果的前提下對模型進行合理簡化。初始模型中，無軌膠輪車質量為1.5 t，且由于目前礦井安全防護設施無相關國家和行業標準，參考 JTG B05-01—2013《公路護欄安全性能評價標準》中碰撞試驗要求，碰撞角度設置為 20°。此外，結合《煤礦安全規程》相關規定——礦井防爆無軌膠輪車運輸人員車輛速度不能超過 25 km/h，碰撞速度設置為 40 km/h。為了進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構，有限元分析計算表明，該結構能夠在不增加撞擊力的前提下延長緩沖時間。無軌膠輪車碰撞仿真結果如圖3 所示。從圖 3(a)可以看到，當無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，當車輛與巷道壁碰撞時，車頭沖擊力接近 5 kN；當車輛與摩擦板碰撞時，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 無軌膠輪車碰撞仿真結果Fig.3 Collision simulation results of trackless rubber-wheeled vehicle

無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，無軌膠輪車駕駛位位置稍微凹進，但沒有明顯的變形。

圖4 無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

在此基礎上，對無軌膠輪車在不同碰撞速度下進行仿真，結果如圖 5 所示。從圖 5 可以看出，無軌膠輪車的碰撞速度越高，碰撞時受到的沖擊力越大。因此在煤礦日常生產中，進行嚴格的限速管理十分必要。

圖5 不同碰撞速度下無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 實車碰撞試驗

3.1 實車碰撞試驗條件

為了進一步驗證納米吸能摩擦板在礦井生產中的防護性能，進行了實車足尺碰撞試驗。根據礦井交通失速事故調研資料以及礦井斜巷運輸常用車輛的情況，實車碰撞試驗采用了輸送人員的中型客車和輸送物料的中型貨車。這些車輛由于總質量較大，一旦失速，碰撞時對車輛沖擊更嚴重?！睹旱V安全規程》規定，井下人員運輸車輛限速 25 km/h，貨物運輸車輛限速 35 km/h，為了進一步提高安全系數，中型客車和中型貨車的碰撞速度分別設為 40 和 50 km/h。中型客車和中型貨車的總質量分別為 3.6 和 6.0 t，碰撞角度均設置為 20°。

實車碰撞試驗參照 JTG B05-01—2013《公路護欄安全性能評價標準》的要求，對礦井納米吸能摩擦板的安全性能要求為：納米吸能摩擦板構件及其脫離件不得侵入無軌膠輪車乘員艙；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 實車碰撞試驗結果

實車碰撞試驗測試機構為北京深華達交通工程檢測有限公司。試驗前，首先將納米吸能摩擦板通過預埋螺栓錨固于混凝土墻體上，混凝土墻體預埋在混凝土路面中，共安裝 18 節納米吸能摩擦板，安裝總長度為 14.4 m；然后將車輛牽引至合適位置。實車碰撞試驗現場車輛與摩擦板的布置如圖 6 所示。

圖6 實車碰撞試驗現場車輛與摩擦板的布置Fig.6 Layout of vehicle and friction plate in site of real vehicle collision test

按照設定速度以 20°的角度側碰摩擦板。車輛上方的調整攝像儀記錄的中型客車碰撞試驗行駛軌跡如圖 7 所示(自上而下按時間順序)，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 中型客車碰撞試驗行駛軌跡Fig.7 Steering trajectory during medium passenger vehicle collision test

實車碰撞試驗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 節摩擦板破損，車輛與摩擦板刮擦 10.4 m，在距起點 11.40 m 處停下，前保險杠左側局部刮擦損壞，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，前保險杠彎曲變形，左前大燈損壞脫落，駕駛室車門變形。

圖8 實車碰撞試驗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

試驗結果表明，納米吸能摩擦板實現了阻擋、導向和緩沖功能，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，滿足評價指標的要求。具體試驗結果如表 2 所列。

表2 實車碰撞試驗結果Tab.2 Results of real vehicle crash test

4 結論

(1)基于煤礦輔助無軌運輸安全防護現狀，設計了一種新型納米吸能摩擦板。當失速車輛碰撞到摩擦板時，表面的柔性緩沖層初步吸能，內部納米吸能結構耗散大部分動能，鋼板提供一定的剛度，錨固組件用于與斜巷道壁連接，整體結構便于加工，具有較好的經濟性和安全性。

(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°，并對其進行了優化設計。

(3)在有限元優化分析基礎上，對兩種常用車輛中型客車和中型貨車，進行了實車足尺碰撞試驗。碰撞后車輛安全停止，各項指標滿足評價指標要求，能夠實現一定的緩沖阻車功能。

目前煤礦無軌運輸安全防護還缺少相關強制性規范，也沒有成熟的行業標準，只能參考相關類型的評價標準，在一定程度上也制約了安全防護技術研究的發展。本文研究成果對促成礦井無軌輔助運輸安全防護行業形成行業規范及標準具有一定的參考意義。