基于有限元的斜井跑車輔助擋車器動力學仿真

宋國棟

(1. 應急管理部信息研究院，北京 100029；2. 礦山安全無線定位與監控技術實驗室，北京 100029；3. 中安智訊(北京)信息科技有限公司，北京 100029)

1 引言

煤礦跑車現象是斜井運輸中常見的事故類型，對人身安全和巷道設施危害性較大[1]，2019年2月23日，內蒙古錫林郭勒盟某礦業公司井下發生運送工人車輛事故，造成21人死亡29人受傷。《煤礦安全規程》第370條要求“在傾斜井巷內必須安設能夠將運行中斷繩、脫鉤的車輛阻止住的防跑車裝置”。傳統的單一形式的擋車裝置對于小傾角巷道具有一定的防護作用[2-4]，然而對于斜巷傾角大、礦車載重大的斜井運輸，單一的攔截方式難以滿足防護需要。

目前，國內的跑車防護制動裝置多采用鋼絲繩攔網式擋車欄[5-7]，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。壓力小了鋼絲繩容易抽出，壓力大了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；傳統產品的誤動作率高、可靠性差、無法承受高速沖擊，嚴重威脅著煤礦的安全生產。國外技術發展呈現兩個方向，一類是英國、美國、澳大利亞等國采用的塞爾達制動器[8-10]，即通過變形吸能作為緩沖裝置，利用輥輪在平行交錯中的鋼帶變形吸收碰撞能量；另一類是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。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防護技術的研究情況，本文根據煤礦斜井實際運輸需要，對于撞擊能量大、巷道環境復雜的斜井運輸有必要增加多種形式的跑車防護措施。

2 跑車防護受力分析

在礦車發生正面碰撞的瞬間，由于碰撞力的作用，礦車在碰撞力的作用下會產生較大的加速度，與礦車的運動方向相反；同時，由于慣性，礦車內物體會產生加速度，與礦車運動方向相同，與礦車碰撞后的加速度相反。

由于礦車載重大、失速時速度高等特點，單一的擋車裝置難以滿足需要，輔助擋車器配合主要擋車機構能夠減少單一擋車裝置的受力，提高攔截效率，輔助擋車器的機械結構如圖1所示。當跑車從巷道高速滑落時，由傳感器捕捉跑車速度以及預計跑車所到達斜井跑車輔助裝置所處位置的時間，當跑車到達跑車輔助裝置所處位置時，控制電磁鐵收縮，致使壓住掛鉤的擋板移開，掛鉤由于受到扭簧的作用，向上翻起，勾住跑車的車輪軸，起到了防止跑車翻車的作用。

圖1 輔助擋車器機械結構

假設在礦車發生碰撞時，車內所載礦石與礦車的加速度值相同(均為加速度)，那么將礦車所載礦石與礦車的簡化為一個整體礦車模型，建立在礦車發生碰撞時的簡化模型并進行受力分析。

對于礦車，一般進行沿傾斜巷道方向和垂直于巷道方向進行受力分析計算[11-13]，根據上面的模型，將礦車的受力集中于一點進行簡化，并進行如下的受力計算。

礦車發生碰撞時的簡化模型及受力分析示意圖如圖1所示。

圖2 碰撞簡化模型

圖中相關符號的意義如下：

a-礦車發生碰撞時礦車的加速度；

Fa、Fb-為礦車重力的分力；

R-擋車欄的制動阻力；

F1-擋車欄受到礦車的壓力；

Fn-傾斜巷道對礦車的支持力；

α-斜坡傾角30°；

f-礦車與傾斜巷道之間的摩擦力。

在發生碰撞時，緩沖器強度足夠大，在碰撞過程中不發生變形，可以看作為剛體。在沿傾斜巷道方向上，將緩沖器與礦車視為一個整體受力，則由力學知識可知

F1=R

(1)

式中，F1為擋車器受到礦車的壓力，R為擋車器的制動阻力。

當緩沖器受到的制動力與制動阻力和摩擦力平衡時，滿足平衡條件。將上述公司合并，得出

F1=G·sin α-u·mg·cosα

(2)

式中，G為礦車總重力，m為礦車質量。

礦車的最大的制動力為

F2=G·sin α+u·mg·cosα

(3)

緩沖器制動過程的吸能量

E=mgL[sinα﹣ωcosα]

(4)

式中，L為擋車距離，ω為礦車運行時阻力系數。

考慮巷道傾角和制動過程中箕斗的穩定性及斗箱承受最大制動阻力的能力，初選作用于箕斗上的最小制動阻力：

R′=mg·[sinα-ω·cosα+j/g]

(5)

式中，j為設定的制動減速度。

3 輔助擋車器仿真

3.1 模型簡化

一般礦車2-8臺不等，其總體質量不大于16000kg，這里將模型簡化，將小車建立成一個模型[14，15]，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30°夾角。

圖3 輔助擋車器簡化模型

建立動力學仿真模型，做如下設置：

1)滑車與鐵軌是滾動摩擦，摩擦系數0.05；

2)滑車與制動器之間為碰撞接觸；

3)制動器運動方向阻尼初設為40N·s/mm；

4)箕斗滿載條件下的總質量16000kg。

根據式(3)最大制動力919789N，最小的制動力為64822N。選取均值作為制動力，制動力為78400N。

3.2 動力學仿真

根據式(4)可知，制動距離越大，擋車器承受的碰撞力越小。依據煤礦安全規程，本文設定制動距離為7m，在設定制動力為78400的前提下，設置仿真時間為5s，通過簡化后的模型進行動力學仿真前后的狀態得出碰撞力為344kN。

圖4 制動時間與位移關系圖

圖5 瞬間碰撞力曲線圖

通過力學模型可知，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。

輔助擋車器的計算機仿真采用的工具為SolidWorks Simulation，仿真流程如圖6所示。

圖6 擋車器仿真流程

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，上述步驟中涉及的相關參數設置如圖7所示。

圖7 擋車材料參數設置

在SolidWorks Simulation中對擋車器添加運動副，定義擋車器與礦車的接觸關系，隨后添加制動力、阻尼系數和防身時間，對阻車過程進行仿真，施加載荷如圖8所示。

圖8 施加載荷仿真

完成材料和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9所示。

圖9 輔助擋車靜應力分析結果

通過進行動力學仿真可以看出，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344kN，輔助擋車器有效制動距離為7m，對擋車欄進行了有限元分析，得出輔助擋車欄在撞擊的一瞬間的形變為0.2mm。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。

利用仿真軟件對礦車與吸能制動器聯動的碰撞過程進行動態模擬，由仿真得到跑車防護裝置可以提高車擋系統的柔性，延長礦車與車擋的碰撞時間，從而有效地減小礦車對車擋的碰撞力，保護礦車及跑車防護裝置。吸能制動器制動力、礦車質量及礦車速度是影響吸能制動器制動距離的重要因素，由極差、方差分析可見上述各因素對制動距離作用的主次順序為：礦車速度>礦車質量>吸能器制動力。

通過SolidWorks 軟件的聯合使用，能夠對柔性緩沖器的整體及受力局部進行有效且可靠的分析，使設計時間和可靠性有了明顯的提高。

4 系統設計與工業試驗

輔助擋車器是跑車防護裝置的重要組成部分，在跑車防護中起到導向和防側翻功能。跑車防護裝置使用鋼絲繩網式的結構，網式阻車器由防翻托架、主動搖臂、托繩矩形管、托繩搖臂、制動繩、主從連桿組成。阻車器的尺寸根據斜井人車的尺寸大小定制，升起方式為上提式，提升時間2～3秒，安裝后巷道空間變小，安裝巷道空間要足夠大，以免影響大型設備材料的運輸。

發生跑車時，放翻托架與主搖臂軸分離，與礦車同步移動，輔助擋車器打開，支撐車輛前端，與車輛同步運行，并在車輛運行過程中不斷施加阻力。擋車欄和輔助擋車器避免人車與阻車器的剛性碰撞，降低事故對人車的破壞。擋車過程中，人車兩側拉力由制動鋼絲繩牽制緩沖器產生，并且作用力大小相等，可以有效防止翻車事故的產生，避免失控車輛的二次事故。

除擋車欄和輔助擋車器等機械阻車裝置之外，系統還包括監控顯示箱、電控箱、收放絞車、聲光報警箱、光電傳感器、接近傳感器等組成部分。

跑車防護系統通過緩沖器采用的阻尼力柔性可調的多級、逐級、吸能緩沖結構，以及擋車欄和輔助擋車器的導向作用，對跑車起到阻擋和防護作用，從而起到緩沖的目的。黑龍江雙福煤礦工業現場設備布置和防護試驗如圖10和圖11所示。

圖10 工業現場試驗關鍵設備安裝圖

圖11 工業現場試驗輔助擋車效果圖

5 結論

輔助擋車器作為煤礦斜井跑車防護系統的重要組成部分，配合擋車欄對失控車輛進行攔截，并在攔截過程中起到導向作用，避免對巷道其它設施帶來二次危害，模擬跑車故障時可自動打開擋車裝置給予攔截。系統能夠在絞車房值班室對運輸車輛和防護裝置進行實時監控，對提高斜井軌道運輸安全防護水平具有重要意義。

黑龍江某煤礦工業現場應用表明，由柔性緩沖器、輔助擋車器以及礦用隔爆兼本質安全性可編程控制箱等設備組成的煤礦斜井跑車防護系統在阻車裝置抗沖擊能量、阻車裝置制動距離、緩沖器制動力、緩沖器兩側的阻力值相差、跑車觸發狀態識別速度、誤動作率等方面的性能指標均能滿足8節運輸礦車防護要求，起到安全防護作用。以力學建模、動力學分析及有限元分析為鋪墊，能合理充分的對煤礦斜井跑車高能碰撞柔性緩沖器進行設計，省去的大量的設計成本和時間。