王球龍

（湘煤立達(dá)礦山裝備股份有限公司，湖南株洲 412000）

0 引言

架空乘人裝置作為礦井輔助運(yùn)輸系統(tǒng)的一種運(yùn)輸裝置，因其具有運(yùn)行安全可靠、運(yùn)載效率高、操作簡單、低能環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于礦山生產(chǎn)中。由于礦山巷道的多樣性，架空乘人裝置在設(shè)計、安裝時需要考慮適應(yīng)各種巷道的現(xiàn)場情況，例如絞車與架空乘人裝置同巷安裝、巷道寬度窄、巷道沿線有多點(diǎn)拐彎等，在這類巷道中安裝架空乘人裝置時，需要配備抗繩（收繩）裝置和拐彎裝置等。

1 自轉(zhuǎn)抗繩輪的技術(shù)研發(fā)背景

架空乘人裝置常使用的抱索器類型一般有固定抱索器、大坡度可摘掛抱索器（卡鉗式抱索器）、活動抱索器（瓦片式抱索器）等。

1.1 固定抱索器

固定抱索器配合普通的抗繩輪，通過抗繩輪收繩，能實(shí)現(xiàn)架空乘人裝置在窄巷道的安裝。運(yùn)行缺點(diǎn)：運(yùn)行中固定抱索器由牽引鋼絲繩帶動，以撞擊的方式通過抗繩輪，長時間運(yùn)行，會對抱索器產(chǎn)生嚴(yán)重的損傷，造成抱索器松動，出現(xiàn)抱索器抱不緊的情況，容易發(fā)生乘人器打滑現(xiàn)象，存在安全隱患。

固定抱索器配合普通的托輪組，通過多組托輪組按照特定的方式安裝，能實(shí)現(xiàn)架空乘人裝置在多點(diǎn)拐彎巷道中的安裝。運(yùn)行缺點(diǎn)：隨著長時間的運(yùn)行，拐彎點(diǎn)的多組托輪組的托輪輪襯發(fā)生磨損，牽引鋼絲繩的運(yùn)行軌跡發(fā)生變化，造成牽引鋼絲繩運(yùn)行時容易發(fā)生掉繩現(xiàn)象，存在安全隱患。

1.2 大坡度可摘掛抱索器

大坡度可摘掛抱索器配合轉(zhuǎn)彎輪組、可旋吊椅，能實(shí)現(xiàn)架空乘人裝置在單向拐彎巷道中的安裝。運(yùn)行缺點(diǎn)：①隨著長時間的運(yùn)行，拐彎點(diǎn)轉(zhuǎn)彎輪組的輪襯發(fā)生磨損，牽引鋼絲繩的運(yùn)行軌跡發(fā)生變化，造成牽引鋼絲繩在運(yùn)行時容易發(fā)生掉繩現(xiàn)象，存在安全隱患；②只能適應(yīng)多點(diǎn)單向拐彎的巷道，對于多點(diǎn)S 形拐彎巷道無法安裝。

活動抱索器配合單獨(dú)的軌道，能實(shí)現(xiàn)架空乘人裝置在多點(diǎn)S 形拐彎巷道中的安裝。運(yùn)行缺點(diǎn)：①拐彎點(diǎn)只能是在水平位置拐彎；②抱索器靠運(yùn)行慣性在軌道上滑行通過，無運(yùn)行動力保障；③活動抱索器適應(yīng)的最大巷道坡度不能超過18°。

2 自轉(zhuǎn)抗繩輪的設(shè)計原理

根據(jù)《煤礦安全規(guī)程》的要求，秉承高效、安全、結(jié)構(gòu)簡單實(shí)用的設(shè)計原則，設(shè)計一種自轉(zhuǎn)抗繩輪，使架空乘人裝置能在窄巷道、多點(diǎn)拐彎巷道中安全可靠地安裝、使用（圖1）。

圖1 自轉(zhuǎn)抗繩輪結(jié)構(gòu)組成

自轉(zhuǎn)抗繩輪主要由步進(jìn)電機(jī)、減速機(jī)、主軸、單向軸承、安裝支架、旋轉(zhuǎn)支架、6 個均勻分布的滾輪組成。步進(jìn)電機(jī)通過鍵連接與主軸連接帶動主軸，通過單向軸承帶動旋轉(zhuǎn)支架自轉(zhuǎn)，自轉(zhuǎn)的同時，滾輪與架空乘人裝置的牽引鋼絲繩之間通過滾動實(shí)現(xiàn)滾輪交替改變牽引鋼絲繩的運(yùn)行軌跡，自轉(zhuǎn)抗繩輪通過安裝支架整體安裝在預(yù)埋橫梁上。

3 自轉(zhuǎn)抗繩輪在拐彎巷道中的應(yīng)用

3.1 架空乘人裝置的安裝與運(yùn)行軌跡

在S 形巷道中，架空乘人裝置由驅(qū)動裝置、從動裝置、牽引鋼絲繩及中間部分、內(nèi)側(cè)抗繩輪、自轉(zhuǎn)抗繩輪、乘人器等部分組成（圖2）。乘人器在架空乘人裝置上按照設(shè)計負(fù)載要求，以一定的數(shù)量均勻分布在牽引鋼絲繩上，隨著牽引鋼絲繩一起運(yùn)行。架空乘人裝置運(yùn)行時，牽引鋼絲繩按圖2 箭頭所示方向運(yùn)行，乘車人員通過乘人器，由牽引鋼絲繩帶動，從驅(qū)動裝置依次經(jīng)過內(nèi)側(cè)抗繩輪、自轉(zhuǎn)抗繩輪，達(dá)到從動裝置，將乘車人員從S 形巷道的高水平點(diǎn)送到低水平點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)礦山巷道內(nèi)的運(yùn)人目的。

圖2 架空乘人裝置安裝示意

3.2 自轉(zhuǎn)抗繩輪運(yùn)行原理

乘人器經(jīng)過自轉(zhuǎn)抗繩輪時的運(yùn)行過程如圖3～圖6 所示。

圖3 局部主視圖

圖4 乘人器達(dá)到自轉(zhuǎn)抗繩輪前

圖5 乘人器經(jīng)過自轉(zhuǎn)抗繩輪（2 號、3 號滾輪接觸鋼絲繩）

圖6 乘人器通過自轉(zhuǎn)抗繩輪（3 號、4 號滾輪接觸鋼絲繩）

圖3 中乘人器由固定抱索器、乘人吊椅組成，乘人器通過固定抱索器固定在牽引鋼絲繩上，在架空乘人裝置運(yùn)行的過程中，乘人器隨著牽引鋼絲繩一起往前運(yùn)行。

圖4 狀態(tài)下，乘人器在自轉(zhuǎn)抗繩輪的2 號滾輪與3 號滾輪中間的空白區(qū)域，空白區(qū)域內(nèi)裝有檢測乘人器有無的信號觸發(fā)器，圖中由1 號、2 號滾輪與牽引鋼絲繩接觸，牽引鋼絲繩受1號、2 號滾輪抗繩作用，牽引鋼絲繩的運(yùn)行軌跡發(fā)生平滑的角度轉(zhuǎn)變，當(dāng)乘人器到達(dá)自轉(zhuǎn)抗繩輪前的信號檢測點(diǎn)時觸發(fā)信號，通過控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動，以匹配牽引鋼絲繩運(yùn)行的速度帶動自轉(zhuǎn)抗繩輪旋轉(zhuǎn)支架轉(zhuǎn)動，自轉(zhuǎn)抗繩輪旋轉(zhuǎn)支架轉(zhuǎn)動的同時，1 號、2 號滾輪在牽引鋼絲繩上發(fā)生相對位移的同時自身也在牽引鋼絲繩上滾動。

乘人器由圖4 的位置隨著牽引鋼絲繩運(yùn)行到圖5 的位置，該狀態(tài)下，與牽引鋼絲繩接觸的自轉(zhuǎn)抗繩輪滾輪由1 號、2 號滾輪變成2 號、3 號滾輪，牽引鋼絲繩由架空乘人裝置的驅(qū)動裝置驅(qū)動繼續(xù)往前運(yùn)行，自轉(zhuǎn)抗繩輪由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動繼續(xù)轉(zhuǎn)動。

乘人器由圖5 所示的位置隨著牽引鋼絲繩運(yùn)行到圖6 所示的位置，該狀態(tài)下，與牽引鋼絲繩接觸的自轉(zhuǎn)抗繩輪滾輪由2 號、3 號滾輪變成3 號、4 號滾輪，此時，乘人器已完全通過自轉(zhuǎn)抗繩輪，隨著牽引鋼絲繩在驅(qū)動裝置的驅(qū)動下繼續(xù)沿牽引鋼絲繩運(yùn)行軌跡往前運(yùn)行。當(dāng)乘人器完全通過自轉(zhuǎn)抗繩輪之后，自轉(zhuǎn)抗繩輪步進(jìn)電機(jī)停止工作，自轉(zhuǎn)抗繩輪停止轉(zhuǎn)動，完成一個運(yùn)行周期，自轉(zhuǎn)抗繩輪轉(zhuǎn)動120°，完成乘人器在牽引鋼絲繩上的拐彎運(yùn)輸。

當(dāng)下一個乘人器隨著牽引鋼絲繩達(dá)到圖4 所示位置時，觸發(fā)自轉(zhuǎn)抗繩附近的信號觸發(fā)器，自轉(zhuǎn)抗繩輪、乘人器、牽引鋼絲繩重復(fù)圖4～圖6 的動作，周而復(fù)始，完成架空乘人裝置上多個乘人器在牽引鋼絲繩上的拐彎運(yùn)輸。

乘人器逐步通過自轉(zhuǎn)抗繩輪完成拐彎運(yùn)輸，在乘人器隨著牽引鋼絲繩整體通過自轉(zhuǎn)抗繩輪的整個過程中，乘人器不與自轉(zhuǎn)抗繩輪接觸，沒有撞擊現(xiàn)象，整個運(yùn)行過程平穩(wěn)、安全，對固定抱索器沒有撞擊損傷，保證了固定抱索器的使用安全，從而提高架空乘人裝置的安全使用性能。

圖4～圖6 所示為乘人器通過一套自轉(zhuǎn)抗繩輪的整體過程，在實(shí)際應(yīng)用中，由于自轉(zhuǎn)抗繩輪滾輪輪襯的受力磨損情況，考慮自轉(zhuǎn)抗繩輪滾輪輪襯使用壽命需要達(dá)到6～12 個月，因此在設(shè)計自轉(zhuǎn)抗繩輪時，一般一套自轉(zhuǎn)抗繩輪設(shè)計成能實(shí)現(xiàn)牽引鋼絲繩10°的轉(zhuǎn)向，當(dāng)架空乘人裝置的安裝巷道存在大角度拐彎時，可沿牽引鋼絲繩運(yùn)行方向，在巷道大角度拐彎處多點(diǎn)緊密排列布置多組自轉(zhuǎn)抗繩輪，實(shí)現(xiàn)大角度巷道中牽引鋼絲繩轉(zhuǎn)向運(yùn)行的目的。

4 自轉(zhuǎn)抗繩輪控制原理

如圖7 所示，當(dāng)乘人器達(dá)到信號觸發(fā)點(diǎn)觸發(fā)信號，將信號反饋給架空乘人裝置的PLC 控制箱，PLC控制箱發(fā)出控制信號控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動。

圖7 自轉(zhuǎn)抗繩輪控制邏輯

（1）步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速計算。步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速：

式中 n——步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速，r/s

V——牽引鋼絲繩運(yùn)行速度（架空乘人裝置設(shè)計運(yùn)行速度），m/s

R——自轉(zhuǎn)抗繩輪滾輪外切圓半徑，m

i——減速機(jī)速比，架空乘人裝置選型設(shè)計值

按照式（1），根據(jù)架空乘人裝置的運(yùn)行速度、特定的減速比，計算出與牽引鋼絲繩同步的轉(zhuǎn)速值，使乘人器通過自轉(zhuǎn)抗繩輪時，自轉(zhuǎn)抗繩輪與牽引鋼絲繩同步運(yùn)行。

（2）步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行時間計算。一個乘人器完全通過自轉(zhuǎn)抗繩輪，步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行時間計算：

式中 n——步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速，r/s

α——單個乘人器完全通過自轉(zhuǎn)抗繩輪，自轉(zhuǎn)抗繩輪轉(zhuǎn)動的角度，取120°

ω——自轉(zhuǎn)抗繩輪運(yùn)轉(zhuǎn)角速度，rad/s

i——減速機(jī)速比，架空乘人裝置選型設(shè)計值

由式（4）計算出單個乘人器完全通過自轉(zhuǎn)抗繩輪所需要的時間，即步進(jìn)電機(jī)單次運(yùn)行的時間。自轉(zhuǎn)抗繩輪自接受信號發(fā)生轉(zhuǎn)動開始，經(jīng)過t 時長運(yùn)行后停止運(yùn)行，完成單次運(yùn)行動作，等待下一個乘人器的到來，重復(fù)運(yùn)作。

5 自轉(zhuǎn)抗繩輪應(yīng)用效果

（1）不受拐彎點(diǎn)在架空乘人裝置安裝巷道中的位置限制。大坡度可摘掛抱索器、活動抱索器架空乘人裝置只使用于拐彎點(diǎn)位于巷道水平位置時的拐彎，固定抱索器配合自轉(zhuǎn)抗繩輪，當(dāng)巷道拐彎點(diǎn)位于水平巷、斜巷時均適用。

（2）固定抱索器配合自轉(zhuǎn)抗繩輪實(shí)現(xiàn)拐彎的架空乘人裝置，能適應(yīng)多點(diǎn)S 形巷道中的安裝，并經(jīng)過拐彎點(diǎn)時，固定抱索器由牽引鋼絲繩帶動，運(yùn)行過程中無撞擊，無由于輪襯磨損而造成的牽引鋼絲繩掉繩現(xiàn)象，運(yùn)行更加安全；大坡度可摘掛抱索器配合可旋吊椅的架空乘人裝置只能適應(yīng)單向拐彎巷道的安裝，且長期運(yùn)行后，會出現(xiàn)由于輪襯磨損而造成的牽引鋼絲繩掉繩現(xiàn)象，存在使用安全隱患；活動抱索器配合軌道的架空乘人裝置，在通過拐彎位置時，抱索器的運(yùn)行是靠其自身的運(yùn)動慣性通過軌道，運(yùn)行速度不可控；

（3）《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定，架空乘人裝置中，活動抱索器類型的最大使用角度為18°，可摘掛抱索器類型的最大使用角度為25°，固定抱索器類型的最大使用角度為28°。

綜上所述，自轉(zhuǎn)抗繩輪配合固定抱索器，使得架空乘人裝置在窄巷道、沿線有多點(diǎn)拐彎巷道中的安裝使用具有更高的適應(yīng)性、耐用性和安全性。

6 結(jié)語

自轉(zhuǎn)抗繩輪的設(shè)計，改變了以往架空乘人裝置在窄巷道、沿線有多點(diǎn)拐彎等復(fù)雜巷道中的安裝方式，解決了以往拐彎架空乘人裝置在長期使用中的掉繩、抱索器打滑等缺點(diǎn)，不受拐彎點(diǎn)位置及拐彎方向的限制，適應(yīng)坡度大、適應(yīng)巷道情況廣。提高了架空乘人裝置對礦山巷道的適應(yīng)性，減少乘坐人員的受傷因素，保證架空乘人裝置的使用安全性能，具有一定的經(jīng)濟(jì)、社會效益。