架空乘人楔形鋼絲繩斷繩抓捕裝置的設(shè)計與仿真分析

樊嘉楠

（陽泉煤業(yè)（集團）平定東升興裕煤業(yè)有限公司， 山西 陽泉 045000）

0 引言

架空乘人裝置俗稱為“猴車”，作為煤礦生產(chǎn)的輔助運輸裝置，其主要是完成工作人員的運輸任務。據(jù)統(tǒng)計，一般煤礦采用架空乘人裝置運輸人員的比例高達33%～50%。架空乘人裝置在煤礦生產(chǎn)中的應用，極大地縮短了工作人員的升降時間，減少了工作人員的勞動強度，間接提升了煤礦的生產(chǎn)效率。架空乘人裝置在實際運行中會出現(xiàn)托繩輪、驅(qū)動輪、鋼絲繩等故障；此外，鋼絲繩瞬間加速存在失控的現(xiàn)象，對架空趁人裝置的安全運行帶來隱患[1-5]。本文將設(shè)計斷繩抓捕裝置，以實現(xiàn)對架空乘人裝置加速失控的保護。

1 斷繩抓捕裝置的總體設(shè)計

架空乘人裝置由于其結(jié)構(gòu)簡單、運輸效率高及安全系數(shù)高等優(yōu)勢被廣泛應用于煤礦對人員的運輸任務中。在多年的發(fā)展中，架空乘人裝置已經(jīng)具備了較為全面的保護功能，可實現(xiàn)對設(shè)備的越位保護、欠速保護、防飛車保護等功能。本文重點對架空乘人裝置由于各種問題造成鋼絲繩在瞬間加速過快而導致失控的問題，設(shè)計一款高可靠性的斷繩抓捕裝置。為了后續(xù)支撐架空乘人裝置斷繩抓捕裝置的設(shè)計，列出對計算涉及的架空乘人裝置的關(guān)鍵參數(shù)如表1 所示。

表1 架空乘人裝置關(guān)鍵參數(shù)

1.1 設(shè)計原則

斷繩抓捕裝置作為架空乘人裝置的輔助設(shè)備，所設(shè)計的架空乘人裝置需遵循如下原則：

1）斷繩抓捕裝置不能影響架空乘人裝置的正常運行，即鋼絲繩可順利通過抱索器；當出現(xiàn)故障時，斷繩抓捕裝置可及時實現(xiàn)對鋼絲繩的抓捕功能。

2）鑒于鋼絲繩在失控的瞬間會產(chǎn)生非常大的沖擊力，要求斷繩抓捕裝置具備抵抗沖擊力的能力。

3）鑒于煤礦井下空間有效，斷繩抓捕裝置應具有體積小、便于安裝維護的特點。

1.2 斷繩抓捕裝置的整體設(shè)計

結(jié)合架空乘人裝置的實際使用工況，對其正常生產(chǎn)工況下鋼絲繩加速過快而失控的沖擊力進行計算可知，所設(shè)計的斷繩抓捕裝置的制動力應大于23 273 N。

架空乘人裝置斷繩抓捕裝置動作的主要依據(jù)為對鋼絲繩速度的實時監(jiān)測。當監(jiān)測到鋼絲繩速度超限時，斷繩抓捕裝置液壓系統(tǒng)會驅(qū)動機械系統(tǒng)實現(xiàn)對鋼絲繩的抓捕。基于上述原理，設(shè)計如圖1 所示的斷繩抓捕裝置。

圖1 斷繩抓捕裝置整體結(jié)構(gòu)

由圖1 可知，斷繩抓捕裝置可分為電控分系統(tǒng)、機械分系統(tǒng)和液壓分系統(tǒng)，機械分系統(tǒng)為裝置的執(zhí)行機構(gòu)，液壓分系統(tǒng)為機械分系統(tǒng)的抓捕力提供動力。

2 斷繩抓捕裝置的詳細設(shè)計

本節(jié)重點對斷繩抓捕裝置的機械分系統(tǒng)和液壓分系統(tǒng)進行設(shè)計。

2.1 斷繩抓捕裝置機械分系統(tǒng)的設(shè)計

針對鋼絲繩的抓捕需求，本裝置采用楔形自鎖結(jié)構(gòu)的形式實現(xiàn)對鋼絲繩的抓捕功能。楔形自鎖機構(gòu)的簡圖如圖2 所示。

圖2 楔形自鎖結(jié)構(gòu)

由圖2 可知，為了保證楔形滑塊能夠準確及時地實現(xiàn)對鋼絲繩的抓捕功能，重點需要根據(jù)“斷繩抓捕裝置的制動力應大于23 273 N”這一要求，確定楔形滑塊的傾角。已知：鋼絲繩與楔形滑塊之間的滑動摩擦系數(shù)為0.35；楔形滑塊與機架之間的滑動摩擦系數(shù)為0.1。對應的楔形滑塊傾角θ 計算如式（1）所示。

式中：μ1為鋼絲繩與楔形滑塊之間的滑動摩擦系數(shù)；μ2為楔形滑塊與機架之間的滑動摩擦系數(shù)。

將上述參數(shù)代入式（1）中，得出楔形滑塊的傾角應小于13.6°。

2.2 斷繩抓捕裝置液壓分系統(tǒng)的設(shè)計

為了保證架空乘人裝置在鋼絲繩失控后斷繩抓捕裝置能夠快速響應，并完成迅速制動的功能，本裝置采用機電液聯(lián)合控制，并采用液壓系統(tǒng)為機械楔形機構(gòu)提供動力。對于液壓系統(tǒng)而言，不僅要保證其能夠提供足夠的動力，更重要的是其能夠?qū)ψゲ秳幼骺焖夙憫Ｒ虼耍谝簤悍窒到y(tǒng)中采用差動式的結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)能夠提供液壓系統(tǒng)中活塞桿的移動速度，從而實現(xiàn)對鋼絲繩的快速抓捕。斷繩抓捕裝置液壓分系統(tǒng)原理如圖3 所示。

圖3 斷繩抓捕裝置液壓系統(tǒng)原理

3 斷繩抓捕裝置抓捕性能仿真分析

根據(jù)所設(shè)計的斷繩抓捕裝置結(jié)構(gòu)，基于ADAMS軟件建立數(shù)值模擬仿真時間，重點對該裝置在鋼絲繩出現(xiàn)超速情況下對其的抓捕響應時間進行仿真分析。在模型中，尤其注意鋼絲繩與楔形滑塊之間滑動摩擦系數(shù)、楔形滑塊與機架之間滑動摩擦系數(shù)的設(shè)置。仿真條件設(shè)置：設(shè)定鋼絲繩的初始速度為1.5 m/s，模擬架空乘人裝置遇到故障出現(xiàn)鋼絲繩速度超限的工況，并對其抓捕性能進行仿真分析，對應的鋼絲繩的速度變化仿真結(jié)果如圖4 所示。

圖4 鋼絲繩速度變化仿真結(jié)果

由圖4 可知，架空乘人裝置在實際運行中由于某種原因?qū)е缕渌俣仍诙虝r間內(nèi)超出其限值，并達到3.1 m/s。在此情況下，斷繩抓捕裝置迅速動作，并在速度達到最高值0.08 s 后將鋼絲繩的速度降為0，達到對鋼絲繩及時抓捕的效果。

4 結(jié)語

架空乘人裝置為煤礦生產(chǎn)中對人員進行運輸?shù)年P(guān)鍵設(shè)備，其間接提升了煤礦綜采工作面的生產(chǎn)效率。在多年發(fā)展中，架空乘人裝置的保護功能已經(jīng)逐漸全面，其安全性也較高；但是，缺乏對鋼絲繩的斷繩抓捕功能，即對鋼絲繩超速的現(xiàn)象無法保護。為此，本文以楔形機械結(jié)構(gòu)和差動式液壓系統(tǒng)為核心設(shè)計了能夠快速響應、抗強沖擊力的斷繩抓捕裝置。經(jīng)仿真分析表明，所設(shè)計的斷繩抓捕裝置能夠在鋼絲繩速度超限至最高值后0.08 s 內(nèi)實現(xiàn)對鋼絲繩的制動，即完成對鋼絲繩的抓捕功能。