架空乘人裝置斷繩抓捕器性能模擬分析

伊文平

（晉能控股集團同發東周窯煤業有限公司， 山西 大同 037003）

0 引言

煤炭是我國重要的礦產資源，在我國的煤礦開采中，大部分采用地下開采的方式。在地下煤礦開采的過程中，架空乘人裝置是重要的輔助設備，用于輸送作業人員及設備，實現井上與井下的互通[1]。架空乘人裝置的作業距離長、輸送效率高、輸送過程中的安全性至關重要。在煤礦長期開采過程中，架空乘人裝置使用過程對鋼絲繩產生一定的磨損、疲勞及沖擊振動等，容易引起鋼絲繩的斷裂[2]，對煤礦的安全造成威脅。在架空乘人裝置使用過程中，斷繩抓捕裝置是保證安全的重要結構，可以對斷裂的鋼絲繩快速抓捕，保證架空乘人裝置的安全，避免造成較大的安全事故[3]。針對架空乘人裝置使用的斷繩抓捕器進行設計，并采用有限元數值分析的形式進行性能模擬分析，從而確定斷繩抓捕器的有效性，保證煤礦人員輸送的安全。

1 架空乘人裝置斷繩抓捕器的整體設計

架空乘人裝置采用鋼絲繩進行運動傳遞，鋼絲繩在井下復雜的環境中，受到沖擊、磨損等影響，存在斷裂的風險。采用液壓推桿式架空乘人裝置斷繩抓捕器保證鋼絲繩運行的安全。抓捕裝置的整體方案如圖1所示[4]，主要由楔形抓捕器、張力監測機構及PLC 控制系統組成。楔形抓捕器主要由楔形塊、滑軌、液壓推桿組成，通過PLC 控制系統的指令對電磁換向閥的動作進行控制，張力監測機構采用張緊油缸及傳感器、尾輪等對斷繩信號進行采集[5]。

圖1 斷繩抓捕裝置示意圖

斷繩抓捕裝置在使用過程中，當不需要進行抓捕動作時，張緊繩在張緊油缸的作用下保持恒定的張力，通過PLC 控制液壓推桿處于伸出狀態，此時抓捕裝置的楔形塊在液壓推桿的作用下保持張開狀態[6]，與鋼絲繩沒有接觸，不影響鋼絲繩的運行。當架空乘人裝置鋼絲繩突發斷裂時，通過尾輪傳遞到張緊繩上的張力突然消失，即觸發抓捕信號[7]，PLC 控制液壓缸電磁閥動作，液壓推桿收縮使楔形塊對鋼絲繩形成抓捕，且液壓推桿越收縮，楔形塊對鋼絲繩的夾緊力越大，從而鎖緊鋼絲繩，保證架空乘人裝置的安全[8]。

液壓推桿式抓捕器主要通過楔形裝置對鋼絲繩的夾緊實現斷繩抓捕，通過楔形塊在滑軌中的移動實現對鋼絲繩的夾緊鎖死。楔形抓捕裝置的結構如圖2所示[9]，當鋼絲繩斷裂觸發抓捕信號時，楔形塊與鋼絲繩之間接觸，并在液壓力及鋼絲繩的摩擦力作用下在滑軌中產生移動，實現自鎖，實現鋼絲繩的停止。楔形抓捕裝置是實現鋼絲繩斷裂抓捕的重要部分，為保證楔形抓捕裝置的穩定可靠[10]，設計采用兩個楔形塊同時動作的方式保證抓捕的性能。

圖2 楔形抓捕裝置的結構示意圖

2 架空乘人裝置斷繩抓捕器性能模擬分析

2.1 抓捕裝置靜力學性能分析

架空乘人裝置斷繩抓捕器在鋼絲繩發生突然斷裂進行抓捕時，要承受鋼絲繩較大的沖擊力及摩擦力作用，對抓捕裝置的性能具有較高的要求，采用有限元仿真模擬的形式對抓捕裝置的靜力學性能進行分析。ANSYS 是常用的有限元分析軟件，對于結構受力具有較好的分析性能，適用于對抓捕裝置的靜力學性能進行分析[11]。

依照楔形抓捕裝置的結構，建立結構模型，楔形抓捕裝置的主要組成部分包括楔形塊、連接板、安裝板及滑軌，將楔形抓捕裝置進行裝配導入到ANSYS 軟件中。在ANSYS 中設定楔形抓捕裝置材質為45 鋼，采用自動網格的形式進行網格劃分處理。在楔形抓捕裝置動作過程中，受到重力、鋼絲繩摩擦力及液壓桿的推力作用[12]，設定楔形塊的滑移自由度，其余為固定約束，對楔形抓捕裝置的應力進行計算分析。

對楔形抓捕裝置的應力進行仿真計算，經過計算得到楔形抓捕裝置部件的應力分布如圖3 所示。從圖3中可以看出，在連接板中產生的最大應力為151.86 MPa，最大應力位于連接板伸出位置的中間，存在一定的應力集中現象；在滑軌與安裝板組成的結構中最大應力為31.37 MPa，最大應力位于結構體底部滑軌的右端位置，同樣存在應力集中現象，最大應力值相對較小；在楔形塊中最大應力為20.6 MPa，最大應力位于楔形塊底部靠近端面的位置處，最大應力值較小。楔形抓捕裝置采用的45 鋼屈服極限為600 MPa，則楔形抓捕裝置的各組成構件具有加大的安全系數，分別為連接板安全系數為3.95，安裝板與滑軌機構安全系數為19.1，楔形塊安全系數為29.1。通過上述的分析可知，楔形抓捕裝置安全系數均大于3，具有較高的安全冗余，具有較好的靜力學性能，能夠滿足抓捕的性能需求。

圖3 楔形抓捕裝置各部件應力分布

2.2 抓捕裝置動力學性能分析

斷繩抓捕裝置進行鋼絲繩抓捕的過程即楔形塊對鋼絲繩的摩擦碰撞過程，在抓捕過程中，楔形塊與鋼絲繩之間會產生多次的碰撞及接觸，從而將鋼絲繩固定停止。進行鋼絲繩斷繩抓捕的過程極為短暫，對碰撞過程進行動力學分析，對其抓捕性能進行分析。采用Adams 進行抓捕的動力學分析，將所建立的抓捕裝置及鋼絲繩模型導入到Adams 軟件中，設定模型材質為45 鋼，安裝板進行固定約束，楔形塊受到重力、摩擦力及碰撞接觸力作用。在模型中設定仿真作用時間為1 s，步長為100 步，對楔形抓捕裝置的運動過程進行計算分析。依據仿真計算結果，對鋼絲繩在抓捕過程中的運動速度及移動距離進行曲線繪制，得到鋼絲繩的運動變化如圖4 所示。

圖4 鋼絲繩運動曲線

從圖4 中可以看出，當鋼絲繩發生斷裂進行抓捕時，楔形抓捕裝置能夠在較短的時間內進行動作，在楔形塊與鋼絲繩碰撞接觸的過程中，鋼絲繩的速度具有較大的變化，在0.025 s 之內，鋼絲繩的速度產生劇烈的變化，快速下降為0；鋼絲繩在0.025 s 的時間內達到靜止狀態，此時產生的移動距離為2.5 m，斷繩抓捕裝置能夠實現較快的抓捕鋼絲繩，在2.5 m 的距離實現鋼絲繩的靜止，具有較好的抓捕性能。在實際的生產使用過程中，由于生產工藝等因素的影響，與理想情況存在一定的差異，應提高斷繩抓捕裝置的工藝，并留有一定的裕量，保證斷繩抓捕裝置的安全運行。

3 結論

1）架空乘人裝置是煤礦開采中常用的輸送裝置，針對鋼絲繩的磨損斷裂突發狀況設計了楔形斷繩抓捕裝置，從而在發生意外狀況時進行鋼絲繩的迅速捕捉，避免造成煤礦安全事故。

2）采用ANSYS 有限元分析軟件對斷繩抓捕裝置進行靜力學性能分析，結果表明，采用45 鋼材質的斷繩抓捕裝置具有較好的靜力學性能，安全系數大于3，具有較高的安全冗余，能夠滿足抓捕的需求。

3）采用Adams 動力學分析軟件對斷繩抓捕裝置進行動力學性能分析，結果表明，采用斷繩抓捕裝置能夠在較短的時間內讓鋼絲繩達到靜止狀態，實現快速抓捕。