宋國(guó)棟

(1. 應(yīng)急管理部信息研究院，北京 100029；2. 礦山安全無線定位與監(jiān)控技術(shù)實(shí)驗(yàn)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(xiàn)象是斜井運(yùn)輸中常見的事故類型，對(duì)人身安全和巷道設(shè)施危害性較大[1]，2019年2月23日，內(nèi)蒙古錫林郭勒盟某礦業(yè)公司井下發(fā)生運(yùn)送工人車輛事故，造成21人死亡29人受傷?！睹旱V安全規(guī)程》第370條要求“在傾斜井巷內(nèi)必須安設(shè)能夠?qū)⑦\(yùn)行中斷繩、脫鉤的車輛阻止住的防跑車裝置”。傳統(tǒng)的單一形式的擋車裝置對(duì)于小傾角巷道具有一定的防護(hù)作用[2-4]，然而對(duì)于斜巷傾角大、礦車載重大的斜井運(yùn)輸，單一的攔截方式難以滿足防護(hù)需要。

目前，國(guó)內(nèi)的跑車防護(hù)制動(dòng)裝置多采用鋼絲繩攔網(wǎng)式擋車欄[5-7]，采用壓板式緩沖器進(jìn)行高能碰撞吸收，調(diào)節(jié)阻力值需用公斤力板手由專業(yè)經(jīng)驗(yàn)的人員進(jìn)行操作，兩側(cè)的阻力值很難調(diào)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(duì)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(fù)使用；傳統(tǒng)產(chǎn)品的誤動(dòng)作率高、可靠性差、無法承受高速?zèng)_擊，嚴(yán)重威脅著煤礦的安全生產(chǎn)。國(guó)外技術(shù)發(fā)展呈現(xiàn)兩個(gè)方向，一類是英國(guó)、美國(guó)、澳大利亞等國(guó)采用的塞爾達(dá)制動(dòng)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(cuò)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(hù)技術(shù)，即通過柔性緩沖器變形來達(dá)到吸收能量的目的。具有制動(dòng)距離短，抗沖擊能力強(qiáng)，裝置重復(fù)利用率高等特點(diǎn)。

綜合國(guó)內(nèi)外斜井跑車防護(hù)技術(shù)的研究情況，本文根據(jù)煤礦斜井實(shí)際運(yùn)輸需要，對(duì)于撞擊能量大、巷道環(huán)境復(fù)雜的斜井運(yùn)輸有必要增加多種形式的跑車防護(hù)措施。

2 跑車防護(hù)受力分析

在礦車發(fā)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(huì)產(chǎn)生較大的加速度，與礦車的運(yùn)動(dòng)方向相反；同時(shí)，由于慣性，礦車內(nèi)物體會(huì)產(chǎn)生加速度，與礦車運(yùn)動(dòng)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(shí)速度高等特點(diǎn)，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(jī)構(gòu)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(jī)械結(jié)構(gòu)如圖1所示。當(dāng)跑車從巷道高速滑落時(shí)，由傳感器捕捉跑車速度以及預(yù)計(jì)跑車所到達(dá)斜井跑車輔助裝置所處位置的時(shí)間，當(dāng)跑車到達(dá)跑車輔助裝置所處位置時(shí)，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(jī)械結(jié)構(gòu)

假設(shè)在礦車發(fā)生碰撞時(shí)，車內(nèi)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(jiǎn)化為一個(gè)整體礦車模型，建立在礦車發(fā)生碰撞時(shí)的簡(jiǎn)化模型并進(jìn)行受力分析。

對(duì)于礦車，一般進(jìn)行沿傾斜巷道方向和垂直于巷道方向進(jìn)行受力分析計(jì)算[11-13]，根據(jù)上面的模型，將礦車的受力集中于一點(diǎn)進(jìn)行簡(jiǎn)化，并進(jìn)行如下的受力計(jì)算。

礦車發(fā)生碰撞時(shí)的簡(jiǎn)化模型及受力分析示意圖如圖1所示。

圖2 碰撞簡(jiǎn)化模型

圖中相關(guān)符號(hào)的意義如下：

a-礦車發(fā)生碰撞時(shí)礦車的加速度；

Fa、Fb-為礦車重力的分力；

R-擋車欄的制動(dòng)阻力；

F1-擋車欄受到礦車的壓力；

Fn-傾斜巷道對(duì)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(fā)生碰撞時(shí)，緩沖器強(qiáng)度足夠大，在碰撞過程中不發(fā)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(gè)整體受力，則由力學(xué)知識(shí)可知

F1=R

(1)

式中，F(xiàn)1為擋車器受到礦車的壓力，R為擋車器的制動(dòng)阻力。

當(dāng)緩沖器受到的制動(dòng)力與制動(dòng)阻力和摩擦力平衡時(shí)，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(zhì)量。

礦車的最大的制動(dòng)力為

F2=G·sin α+u·mg·cosα

(3)

緩沖器制動(dòng)過程的吸能量

E=mgL[sinα﹣ωcosα]

(4)

式中，L為擋車距離，ω為礦車運(yùn)行時(shí)阻力系數(shù)。

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

R′=mg·[sinα-ω·cosα+j/g]

(5)

式中，j為設(shè)定的制動(dòng)減速度。

3 輔助擋車器仿真

3.1 模型簡(jiǎn)化

一般礦車2-8臺(tái)不等，其總體質(zhì)量不大于16000kg，這里將模型簡(jiǎn)化，將小車建立成一個(gè)模型[14，15]，但是總體質(zhì)量達(dá)到最大值，針對(duì)整個(gè)滑車和制動(dòng)系統(tǒng)，模型系統(tǒng)與水平方向保持30°夾角。

圖3 輔助擋車器簡(jiǎn)化模型

建立動(dòng)力學(xué)仿真模型，做如下設(shè)置：

1)滑車與鐵軌是滾動(dòng)摩擦，摩擦系數(shù)0.05；

2)滑車與制動(dòng)器之間為碰撞接觸；

3)制動(dòng)器運(yùn)動(dòng)方向阻尼初設(shè)為40N·s/mm；

4)箕斗滿載條件下的總質(zhì)量16000kg。

根據(jù)式(3)最大制動(dòng)力919789N，最小的制動(dòng)力為64822N。選取均值作為制動(dòng)力，制動(dòng)力為78400N。

3.2 動(dòng)力學(xué)仿真

根據(jù)式(4)可知，制動(dòng)距離越大，擋車器承受的碰撞力越小。依據(jù)煤礦安全規(guī)程，本文設(shè)定制動(dòng)距離為7m，在設(shè)定制動(dòng)力為78400的前提下，設(shè)置仿真時(shí)間為5s，通過簡(jiǎn)化后的模型進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真前后的狀態(tài)得出碰撞力為344kN。

圖4 制動(dòng)時(shí)間與位移關(guān)系圖

圖5 瞬間碰撞力曲線圖

通過力學(xué)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(jìn)行力學(xué)的有有限元分析，通過力學(xué)分析查看擋車欄是否能在巨大的沖擊力下實(shí)現(xiàn)多次循環(huán)使用。

輔助擋車器的計(jì)算機(jī)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(dǎo)入SolidWorks Simulation，定義擋車欄的材料，這里將其設(shè)置為鋼材料，下一步進(jìn)入SolidWorks Simulation界面對(duì)擋車欄進(jìn)行接觸設(shè)置、劃分網(wǎng)格、施加約束以及求解等，上述步驟中涉及的相關(guān)參數(shù)設(shè)置如圖7所示。

圖7 擋車材料參數(shù)設(shè)置

在SolidWorks Simulation中對(duì)擋車器添加運(yùn)動(dòng)副，定義擋車器與礦車的接觸關(guān)系，隨后添加制動(dòng)力、阻尼系數(shù)和防身時(shí)間，對(duì)阻車過程進(jìn)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(shè)定后，便可進(jìn)行擋車的靜應(yīng)力分析。得到的結(jié)果如圖9所示。

圖9 輔助擋車靜應(yīng)力分析結(jié)果

通過進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真可以看出，小車為滿載時(shí)，沿著軌道向下運(yùn)動(dòng)，其撞擊擋車欄瞬間為最大撞擊力344kN，輔助擋車器有效制動(dòng)距離為7m，對(duì)擋車欄進(jìn)行了有限元分析，得出輔助擋車欄在撞擊的一瞬間的形變?yōu)?.2mm。金屬一般會(huì)產(chǎn)生回彈，對(duì)擋車欄后續(xù)工作的影響不大，可以反復(fù)多次使用以便減少成本。

利用仿真軟件對(duì)礦車與吸能制動(dòng)器聯(lián)動(dòng)的碰撞過程進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬，由仿真得到跑車防護(hù)裝置可以提高車擋系統(tǒng)的柔性，延長(zhǎng)礦車與車擋的碰撞時(shí)間，從而有效地減小礦車對(duì)車擋的碰撞力，保護(hù)礦車及跑車防護(hù)裝置。吸能制動(dòng)器制動(dòng)力、礦車質(zhì)量及礦車速度是影響吸能制動(dòng)器制動(dòng)距離的重要因素，由極差、方差分析可見上述各因素對(duì)制動(dòng)距離作用的主次順序?yàn)椋旱V車速度>礦車質(zhì)量>吸能器制動(dòng)力。

通過SolidWorks 軟件的聯(lián)合使用，能夠?qū)θ嵝跃彌_器的整體及受力局部進(jìn)行有效且可靠的分析，使設(shè)計(jì)時(shí)間和可靠性有了明顯的提高。

4 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與工業(yè)試驗(yàn)

輔助擋車器是跑車防護(hù)裝置的重要組成部分，在跑車防護(hù)中起到導(dǎo)向和防側(cè)翻功能。跑車防護(hù)裝置使用鋼絲繩網(wǎng)式的結(jié)構(gòu)，網(wǎng)式阻車器由防翻托架、主動(dòng)搖臂、托繩矩形管、托繩搖臂、制動(dòng)繩、主從連桿組成。阻車器的尺寸根據(jù)斜井人車的尺寸大小定制，升起方式為上提式，提升時(shí)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(shè)備材料的運(yùn)輸。

發(fā)生跑車時(shí)，放翻托架與主搖臂軸分離，與礦車同步移動(dòng)，輔助擋車器打開，支撐車輛前端，與車輛同步運(yùn)行，并在車輛運(yùn)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(duì)人車的破壞。擋車過程中，人車兩側(cè)拉力由制動(dòng)鋼絲繩牽制緩沖器產(chǎn)生，并且作用力大小相等，可以有效防止翻車事故的產(chǎn)生，避免失控車輛的二次事故。

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

跑車防護(hù)系統(tǒng)通過緩沖器采用的阻尼力柔性可調(diào)的多級(jí)、逐級(jí)、吸能緩沖結(jié)構(gòu)，以及擋車欄和輔助擋車器的導(dǎo)向作用，對(duì)跑車起到阻擋和防護(hù)作用，從而起到緩沖的目的。黑龍江雙福煤礦工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備布置和防護(hù)試驗(yàn)如圖10和圖11所示。

圖10 工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)關(guān)鍵設(shè)備安裝圖

圖11 工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)輔助擋車效果圖

5 結(jié)論

輔助擋車器作為煤礦斜井跑車防護(hù)系統(tǒng)的重要組成部分，配合擋車欄對(duì)失控車輛進(jìn)行攔截，并在攔截過程中起到導(dǎo)向作用，避免對(duì)巷道其它設(shè)施帶來二次危害，模擬跑車故障時(shí)可自動(dòng)打開擋車裝置給予攔截。系統(tǒng)能夠在絞車房值班室對(duì)運(yùn)輸車輛和防護(hù)裝置進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，對(duì)提高斜井軌道運(yùn)輸安全防護(hù)水平具有重要意義。

黑龍江某煤礦工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用表明，由柔性緩沖器、輔助擋車器以及礦用隔爆兼本質(zhì)安全性可編程控制箱等設(shè)備組成的煤礦斜井跑車防護(hù)系統(tǒng)在阻車裝置抗沖擊能量、阻車裝置制動(dòng)距離、緩沖器制動(dòng)力、緩沖器兩側(cè)的阻力值相差、跑車觸發(fā)狀態(tài)識(shí)別速度、誤動(dòng)作率等方面的性能指標(biāo)均能滿足8節(jié)運(yùn)輸?shù)V車防護(hù)要求，起到安全防護(hù)作用。以力學(xué)建模、動(dòng)力學(xué)分析及有限元分析為鋪墊，能合理充分的對(duì)煤礦斜井跑車高能碰撞柔性緩沖器進(jìn)行設(shè)計(jì)，省去的大量的設(shè)計(jì)成本和時(shí)間。