架空乘人斷繩抓捕裝置研究

王 祿

（華陽新材料科技集團有限公司裝備管理部，山西 陽泉 045000）

引言

煤礦生產運輸分為主運輸和輔助運輸兩種形式。其中，主運輸系統(tǒng)主要包括帶式輸送機、刮板輸送機、提升機等大型機電系統(tǒng)；而輔助運輸主要包括絞車、架空乘人裝置等。隨著煤礦生產的不斷深入以及綜采工作面相對惡劣的環(huán)境等對人員的運輸任務提出了更高的要求。針對斜井，傳統(tǒng)采用導軌人車的方式運輸存在安全性低、投資成本高以及維護煩瑣的問題。架空乘人裝置具有離地面近、鋼絲繩速度小以及運輸效率高等特點[1]。為進一步保證人員運輸的安全性，防止系統(tǒng)斷繩所帶來的安全隱患，本文將針對性地完成架空乘人裝置斷繩抓捕系統(tǒng)的研究。

1 架空乘人斷繩抓捕裝置的整體設計

架空乘人裝置作為煤礦生產運輸人員的主要設備，由于其結構簡單、運輸效率高、安全維護簡單且成本低等優(yōu)勢被廣泛應用。架空乘人裝置已經具備基礎的保護功能，包括越位保護、掉繩保護以及防飛車保護等。但是，當架空乘人裝置瞬間速度較快時，極易引發(fā)事故，導致乘坐人員受到傷害；此外，惡劣的使用環(huán)境導致架空乘人裝置鋼絲繩出現銹蝕、波動性載荷沖擊等問題，使其安全系數降低，可能出現最常見的斷繩事故[2]。本小節(jié)將重點完成架空乘人斷繩抓捕裝置的設計。

1.1 斷繩抓捕裝置設計依據

為保證架空乘人裝置高效、安全，發(fā)揮其運輸工作人員的功能，要求其斷繩抓捕裝置滿足如下要求：

1）架空乘人裝置正常運行時，斷繩抓捕裝置不得影響其穩(wěn)定運行；且當架空乘人裝置出現飛車或者斷繩事故時，要求斷繩抓捕裝置及時發(fā)揮保護功能，并保證動作的準確率。

2）鑒于架空乘人裝置運行期間會受到不規(guī)律的載荷沖擊，要求斷繩抓捕裝置具備承受不規(guī)律載荷的功能。

3）鑒于煤礦工作面空間狹小，要求斷繩抓捕裝置體積小巧并方便在現場進行安裝實施[3]。

本文所設計的斷繩抓捕裝置所應用架空乘人裝置的關鍵參數如表1 所示。

表1 架空乘人裝置關鍵參數

1.2 斷繩抓捕裝置的整體設計

架空乘人裝置的運輸量越大，對應發(fā)生斷繩事故后裝置出現下滑的情況就越嚴重。以架空乘人裝置滿載工況且在驅動輪附近發(fā)生斷繩事故為例，在上述最為嚴苛的工況下發(fā)生斷繩事故時要求斷繩抓捕裝置制動力大于23 273 N，才能夠保證對架空乘人裝置的有效抓捕。

結合斷繩抓捕裝置的實際功能，要求其具備對鋼絲繩速度檢測、信號接收、信號處理、信號發(fā)送、機械液壓執(zhí)行機構發(fā)揮抓捕的功能，所設計的斷繩裝置如下頁圖1 所示。所設計的架空乘人斷繩抓捕系統(tǒng)主要包括有鋼絲繩速度檢測系統(tǒng)、數據分析處理系統(tǒng)、液壓及機械執(zhí)行機構等。具體工作原理為：由檢測系統(tǒng)對架空乘人鋼絲繩的實時速度進行檢測，一旦檢測到鋼絲繩的瞬間速度增加時，斷繩抓捕裝置電氣控制系統(tǒng)發(fā)出相關控制指令，對機械和液壓執(zhí)行機構進行控制，以實現對鋼絲繩的抓捕功能[4]。

圖1 架空乘人斷繩抓捕系統(tǒng)整體設計方案

2 架空乘人斷繩抓捕裝置的詳細設計

本節(jié)重點完成架空乘人斷繩抓捕裝置的機械結構和相關液壓控制系統(tǒng)的設計。

2.1 機械結構的設計

當架空乘人裝置發(fā)生鋼絲繩斷裂的事故時，在鋼絲繩自重和乘坐人員重力的作用下，人員及裝置會沿著鋼絲繩發(fā)生快速下滑。本斷繩抓捕系統(tǒng)將采用自鎖原理的楔形自鎖結構對鋼絲繩實施抓捕功能，機械結構如圖2 所示。

圖2 斷繩抓捕裝置機械執(zhí)行機構示意圖

2.2 液壓系統(tǒng)的設計

液壓系統(tǒng)主要為斷繩抓捕裝置的機械結構提供動力，并為其配置蓄能器裝置提升整個系統(tǒng)的效率，降低動力消耗；同時，為系統(tǒng)配置多種壓力傳感器和液壓閥，實現對其壓力的監(jiān)測和控制，實現對液壓系統(tǒng)元器件的保護。

液壓系統(tǒng)原理如圖3 所示，斷繩抓捕裝置在基礎液壓控制功能上為其配置了差動式結構，該結構的實施極大增加了液壓油缸活塞桿的運動速度，保證液壓系統(tǒng)在得到指令后快速動作，達到快速抓捕功能。

圖3 斷繩抓捕裝置液壓系統(tǒng)原理圖

3 斷繩抓捕系統(tǒng)性能仿真分析

對于斷繩抓捕系統(tǒng)而言，能夠正常發(fā)揮斷繩抓捕功能且不影響架空乘人裝置的正常運行，其關鍵指標為能否在事故發(fā)生的很短時間內實現對鋼絲繩的抓捕，以避免事故的進一步擴大。因此，本節(jié)將基于AMESim 軟件對上述所設計的斷繩抓捕系統(tǒng)液壓系統(tǒng)的響應時間進行仿真分析。

參照圖3 所示的液壓系統(tǒng)原理和AMESim 軟件中的模型庫建立仿真模型，并根據表1 中架空乘人裝置的關鍵參數完成模型參數的設置。仿真時長設定為100 s。蓄能器為實現系統(tǒng)抓捕功能提供動力。因此，考慮到成本和抓捕響應時間，需合理設定蓄能器的充氣壓力。因此，本節(jié)對蓄能器充氣壓力為3 MPa、4 MPa、5 MPa 三種情況下系統(tǒng)的動態(tài)進行仿真分析，仿真結果如表2 所示。

表2 蓄能器不同充氣壓力系統(tǒng)的動態(tài)性能

由表2 可看出，隨著蓄能器充氣壓力的增加，對應系統(tǒng)的響應速度明顯增加，活塞桿完全伸出的速度極大地縮短了抓捕時間。因此，在合理范圍之內應采用較大的蓄能器充氣壓力，以保證系統(tǒng)在最短的時間內完成抓捕功能。

4 結論

架空乘人裝置為煤礦生產的輔助運輸裝置，具有效率高、安全性較高的優(yōu)勢。為了解決架空乘人裝置由于斷繩事故所引發(fā)的一系列事故，本文針對性地完成架空乘人斷繩抓捕系統(tǒng)的設計，并對系統(tǒng)的抓捕時間進行驗證，總結如下：

1）本系統(tǒng)的機械執(zhí)行機構基于自鎖原理的楔形自鎖結構對鋼絲繩實施抓捕功能；

2）本系統(tǒng)液壓系統(tǒng)在基礎液壓功能的基礎上配置了差動式結構，從而實現了對鋼絲繩的快速抓捕功能；

3）經仿真分析，在合理范圍之內提高液壓系統(tǒng)蓄能器充氣壓力可加大縮短抓捕時間，進一步提升了系統(tǒng)的可靠性和安全性。