架空乘人裝置新型斷軸保護裝置設計應用*

韓學敏

(晉能控股煤業集團 挖金灣虎龍溝煤業有限公司，山西 大同 037000))

0 引 言

我國地下煤層儲量豐富，隨著煤礦開采技術的不斷提高，煤層開采深度逐漸增加，隨之帶來的是井下作業人員升降出入問題較多。架空乘人裝置可以快速上下斜井，減少煤礦作業的輔助時間，提高人員進出的效率[1]。架空乘人裝置安裝有乘人座椅，采用滑輪組及鋼絲繩的形式對座椅進行固定及移動，實現上下井的操作運行。架空乘人裝置運行速度低、人員上下方便，一次性成本投入較小[2]，在使用過程中對設備運行維護操作簡單，目前在煤礦開采中得到廣泛應用[3]。由于井下環境的復雜性，架空乘人裝置長期運行中，驅動輪主軸及尾輪主軸的承載較大，同時承受驅動輪的扭矩及沿鋼絲繩的拉力作用，存在一定的沖擊載荷作用，對傳動軸的使用造成影響[4]，容易引發安全事故，因此對傳動軸進行保護裝置優化改進設計是提高煤礦安全性的重要措施。筆者重點采用機械式保護及電氣式保護相結合的方式，通過對斷軸保護裝置的優化設計及一體化電氣控制系統優化改造，實現對架空乘人裝置的安全保護，降低設備運行維護費用，為井下安全生產提供保障。

1 架空乘人裝置斷軸保護功能

架空乘人裝置主要由驅動裝置、乘人座椅、牽引鋼絲繩、尾輪裝置及電氣控制系統組成，在結構設計上應充分考慮使用的安全性。由于井下環境的復雜性，特別是經過長時間運行，驅動輪承受負載較大，設備啟動及制動時受到沖擊載荷作用，造成驅動主軸的磨損或斷裂[5]。架空乘人裝置輸送距離較長，必須采取相應保護措施，避免造成乘車作業人員發生安全事故。

斷軸保護裝置是架空乘人裝置關鍵組成部分，通過斷軸保護裝置避免驅動輪或尾輪的飛出[6]，防止鋼絲繩的脫落，避免乘人座椅及人員出現意外飛出受傷。斷軸保護裝置可以采用機械式及電氣式兩種形式[7]，機械式保護即對機械結構進行一定的設計保護，當斷軸有危險時，在結構上能及時進行保護；電氣式保護即采用電氣系統連接傳感器的形式，對主軸相應的位置進行信號檢測，當存在斷軸危險時，采用電氣控制系統進行保護。機械保護相對電氣保護的安全可靠性高[8]，是架空乘人裝置斷軸保護的主要方式，但機械式保護裝置結構復雜，結構使用及維護困難[9]，在井下環境中運行受到一定的限制，而結合兩種保護方式的優點實現對主軸的可靠保護[10]，不僅可實現對架空乘人裝置的可靠保護，且便于在井下的環境中廣泛使用，可充分滿足礦井輸送的需求。

2 新型斷軸保護裝置設計

依據架空乘人裝置結構，斷軸保護裝置的優化設計重點是要保證結構安裝的簡單易用性，并便于進行系統維護使用。斷軸保護裝置結構主要分為驅動輪主軸的保護裝置及尾輪主軸的保護裝置兩部分。以下分別對驅動輪主軸斷軸保護裝置及尾輪主軸斷軸保護裝置進行設計分析，采用機械式保護與電氣式保護相結合的方式，實現對架空乘人裝置的可靠保護。

2.1 驅動輪主軸斷軸保護裝置

架空乘人裝置驅動裝置結構組成如圖1所示，驅動系統安裝在整個架空乘人裝置的頭部機架位置，采用花鍵軸形式進行動力及扭矩的傳遞，在傳動軸的上端與電機減速器相連接，下端通過花鍵與驅動輪輪轂相連接，進行驅動裝置的驅動。

圖1 架空乘人裝置的驅動系統1.電動機 2.液壓制動器 3.減速器 4.主體固定支架 5.輪緣制動器 6.主轉動輪 7.空心軸 8.花鍵軸

依據驅動系統的結構原理對斷軸保護裝置設計，其結構組成如圖2所示。

圖2 驅動輪斷軸保護裝置結構1.支架 2.主體支架 3.限位機構 4.電器檢測元件

采用支架的形式連接于架空乘人裝置支架上，保護裝置中設計有限位機構，對主軸位置進行機械式限制，并采用電氣檢測元件，對主軸位置進行電氣系統檢測及保護。驅動系統主軸發生斷裂破壞時，則通過下方保護裝置避免主軸脫落，并通過限位機構確保主軸位置變化小。如果主軸斷裂造成驅動輪位置發生改變，可通過電氣檢測元件將信號傳輸至控制系統中[11]，控制系統及時將驅動系統進行斷電閉鎖控制，實現主軸斷裂后架空乘人裝置的保護。

2.2 尾輪主軸斷軸保護裝置

架空乘人裝置尾輪部分安裝在機尾的位置處，其結構組成如圖3所示，尾輪系統的整體結構在架空乘人裝置中屬于隨動系統，工作過程中，行走輪在架空乘人裝置機尾支架導軌上，通過鋼絲繩對迂回輪的牽引作用實現尾輪系統的移動。在系統移動過程中，可實現對承載鋼絲繩長度的調節，從而保持架空乘人裝置整體載荷狀態的穩定性，保證對人員輸送的安全及平穩。

圖3 架空乘人裝置的尾輪系統1.導軌 2.行走輪 3.尾輪架 4.(尾)迂回輪 5.張緊導向雙滑輪

依據架空乘人裝置尾輪系統的結構及運行原理，對尾輪的主軸進行斷軸保護裝置的設計，其結構組成如圖4所示。尾輪主軸保護裝置同樣與架空乘人裝置主體之間采用支架的形式連接，隨著尾輪系統移動而移動，尾輪系統主軸發生磨損斷裂時，尾輪系統的結構發生一定位置改變，剛好落入到保護裝置支架中，從而限制其位置進一步移動，避免鋼絲繩位置變化引起乘人座椅的脫落等；主軸斷裂造成尾輪位置改變，通過電氣檢測元件將信號傳輸至控制系統中，使控制系統將尾輪系統進行斷電閉鎖控制，實現尾輪主軸斷裂后架空乘人裝置的保護。

圖4 尾輪斷軸保護裝置結構

3 架空乘人裝置電氣控制系統優化改造

對架空乘人裝置電氣控制系統進行一體化的優化改造，采用變頻自動控制方式實現對架空乘人裝置的自動化控制。自動化電氣控制系統的組成包括硬件系統及軟件系統，系統結構如圖5所示。硬件控制系統部分主要包括操作控制臺、PLC的控制站及傳感器，傳感器負責對運行狀態進行監測，控制系統中的報警裝置負責對工作異常進行報警提示。操作控制臺負責相關運行參數的顯示，并可對架空乘人裝置的運行參數進行調整，實現人機交互控制。

圖5 自動化控制系統硬件結構示意圖

控制系統PLC采用西門子S7-1200型控制器，選擇具有40個I/O口的226型號，實現對架空乘人裝置的主機及斷軸保護裝置所有接口的控制。

架空乘人裝置自動化控制系統流程如圖6所示。

圖6 自動化控制系統的流程圖

輸入信號包括結構的位置、鋼絲繩的速度、操作的驅動、斷軸保護裝置的傳感器信號等，對所用傳感器與PLC采用profibus協議進行匹配通信。系統采用液晶曲面顯示屏進行數據顯示。軟件系統采用組態王進行PLC的組態及控制程序編寫，控制程序主要包括系統主控制程序及相應的初始化參數設置、數據的傳輸與處理模塊等。

系統在礦井集控系統下工作，當檢測有人員上車時，依據系統發出的指令進行自身系統啟動，并對自動系統的運行進行校驗，當有異常時進行手動操作啟動，依據檢測到的人數及礦井的集控數據進行運行參數的判定以保證系統的正常運行。運行過程中，對斷軸保護裝置等信號進行監測，當監測有保護信號時及時進行停車操作并報警，系統運行正常時送至下車點，人員下車后系統自動停止運轉。

4 斷軸保護裝置的應用及效果分析

對架空乘人裝置進行斷軸保護裝置優化設計，是煤礦安全生產的必要措施，特別是對人員生命安全保護至關重要。新型保護裝置結合機械式及電氣式保護的優點，設計獨立的保護裝置模塊，在結構設計上與主機的結構連接簡單，機械結構堅固耐用，電氣保護裝置與主機的控制系統直接對接，系統的靈敏度高，實現機械保護與電氣保護的雙重安全保護。斷軸保護裝置結構簡單，可進行模塊化安裝，且與系統的整體設計一致，便于進行運行維護，能夠實現對架空乘人裝置的安全保護，提高煤礦運行的安全性。

對某煤礦使用的四部架空乘人裝置進行斷軸保護裝置改造后，經過安裝施工等共花費5.68萬元，與添加同等功能的獨立保護裝置相比可節省40余萬元，具有較高的經濟效益。在實際進行應用過程中，采用架空乘人保護裝置設備運行時僅需1名工作人員操作，全年可節省人工費用20余萬元。對設備進行運行維護方面，所需的維護材料及維修的工作量可大量減少，全年約可節省人工及維護配件費用50余萬元。通過對斷軸保護裝置的使用，可以提高架空乘人裝置的安全性，保障人員的安全，降低了設備的運行費用，可有效的避免惡性事故的產生。

5 結 語

架空乘人裝置是煤礦生產中進行上下巷道的人員輸送裝置，在煤礦生產中具有廣泛應用。架空乘人裝置采用滑輪組運行原理，在井下長期運行中，驅動輪及尾輪主軸的承載較大，且容易受到沖擊載荷的作用，容易發生磨損甚至斷裂的問題，造成煤礦的安全事故。為避免主軸斷裂時對人員的傷害，對架空乘人裝置的驅動輪及尾輪設計斷軸保護裝置，依靠機械保護與電氣保護相結合的方式，對主軸斷裂時進行可靠的保護，及時進行斷電操作，避免驅動輪及尾輪的墜落，從而保護作業人員免受傷害，提高煤礦的安全性，保證煤礦的安全開采。