邵瑞影，王洪軍，于曉，葛偉偉

(1.青島黃海學院智能制造學院，山東青島 266555；2.青島萬寶壓縮機有限公司，山東青島 266510)

0 前言

在煤礦綜采運輸生產中，單繩纏繞式提升罐籠是人員升降、材料運輸的重要設備。為滿足礦井安全生產，《煤礦安全章程》對罐籠設備進行嚴格規(guī)定，煤礦井下通過單繩罐籠提升工人或工人與物料，必須配備保障安全的防墜器，當鋼絲繩斷裂或者連接裝置損壞時，罐籠可以迅速被制動繩夾緊，處于平穩(wěn)狀態(tài)，避免罐籠掉落礦井，造成重大事故(俗稱蹲罐)[1-2]。為進一步提高此類設備的安全可靠性，設計一種提升罐籠常閉式液壓防墜器，為煤礦安全生產提供可靠保障，具備重要的實際應用價值。

近年來，國內外很多學者針對各式防墜器的設計與研究進行了大量工作。俄羅斯的巴普洛夫通過多次設計、改進和試驗，提出了FS型防墜器，其整體特點是動作靈敏、抓捕可靠，但抓捕后恢復困難，錯誤動作多；撫順煤科研究所設計了一款GS型防墜器，具有質量輕、復位簡單的優(yōu)點，但是其結構上存在需要進一步研究和改進的問題，如叉桿的閘瓦與軸之間的磨損會導致可靠性降低，需要長期定時更換叉桿和閘瓦；而通過不斷探索與改進，設計出了工作原理簡單、結構輕盈、制動平穩(wěn)、安全系數較高、使用周期長的BF型防墜器，但它占用了罐籠空間，使提升罐籠的有效高度減少，不適合煤礦深井作業(yè)[3]。

本文作者針對現有防墜器可靠性較差、不適合立井距離長的問題，設計一種新型常閉式液壓防墜器，其工作系統(tǒng)原理簡單、制動性能好、抓捕與復位輕巧、便于井下維修。利用AMESim液壓仿真軟件搭建液壓常閉式防墜器系統(tǒng)模型，進行系統(tǒng)特性研究。在性能試驗中，液壓常閉式防墜器的設計滿足提升罐籠的要求，符合安全與可靠性原則，確保防墜器能夠可靠使用。

1 常閉式液壓防墜器系統(tǒng)工作原理

1.1 常閉式液壓防墜器工作原理

圖1所示為常閉式防墜器控制系統(tǒng)結構示意，在鋼絲繩和罐籠上分別安裝PLR2300速度傳感器，當發(fā)生蹲罐事故時，兩個傳感器所得到的速度信號會有所不同，將這個信號傳入到STM32F103ZET6控制器核心板，從而控制兩位三通電磁換向閥進行運轉工作，實現液壓控制。

圖1 控制系統(tǒng)結構示意

1.2 常閉式液壓防墜器結構原理

圖2所示為液壓常閉式防墜器工作原理，主要由兩部分構成：一部分為連接罐籠與鋼絲繩的開動式液壓缸機構；另一部分為分別固定罐籠兩側制動繩的執(zhí)行液壓缸機構。開動式液壓缸為豎向布置，在缸的有桿腔設有活塞拉桿，配有返程彈簧，其兩腔充滿液壓油，鋼絲繩利用楔形繩環(huán)與活塞拉桿連接，液壓缸的缸體與提升罐籠連接。兩個執(zhí)行式制動液壓缸結構相同，兩個執(zhí)行式制動液壓機構布置在同一軸線上，橫向布置，缸體固定在罐籠側面框架上，執(zhí)行式制動液壓缸的有桿腔內設有執(zhí)行活塞桿和返程彈簧，兩腔充滿液壓油，活塞端桿接頭處設計了弧形制動閘瓦片，弧形制動閘瓦片的弧面相對。將制動鋼絲繩包圍，通過回油管將開動式液壓缸的有桿腔與兩個執(zhí)行式制動液壓缸的有桿腔接通，并在回油路上設置調節(jié)閥；出油管將開動式液壓缸的無桿腔與兩個執(zhí)行式制動液壓缸的無桿腔連接，構成液壓控制回路，實現防墜器功能。

圖2 常閉式液壓防墜器工作原理

為滿足不同載荷能力對制動時間的要求，在弧式制動閘瓦上加入制動間隙調節(jié)器，并與調節(jié)閥串聯，用來調節(jié)開動式制動液壓缸的動作時間和有效工作容積。

1.3 常閉式液壓防墜器液壓回路系統(tǒng)

圖3所示為常閉式液壓防墜器的液壓回路系統(tǒng)原理。在工作過程中，開動式液壓缸借助載荷提升的重力，對液壓缸有桿腔產生油壓，該油壓使執(zhí)行式制動液壓缸的活塞桿回縮，弧式制動閘瓦片松開，并與鋼絲繩存在一定間隙，保證罐籠可以正常工作。當罐籠發(fā)生蹲罐事故時，開動式液壓缸失去提升載荷能力，在盤式彈簧作用下活塞拉桿返程，對無桿腔內的油液產生壓力，推動弧式制動閘瓦夾緊制動鋼絲繩，迅速夾緊下落的罐籠。

圖3 常閉式液壓防墜器液壓回路原理

2 常閉式液壓防墜器主要參數設計

2.1 防墜器制動控制力設計

防墜器工作過程屬于能量轉換過程，即蹲罐產生的動能與制動做功相等?！睹旱V防墜器技術設計》MT365—2006中規(guī)定在空載下防墜器制動過程中，罐籠的減加速度小于50 m/s2，在重載荷下，罐籠的減加速度大于10 m/s2[4-7]。制動力與制動減加速度的關系為

重載：

(1)

空載：

(2)

式中：jz為重載罐籠制動減加速度，m/s2；jk為空載罐籠制動減加速度，m/s2；Qmax為最大終端載質量，kg；Qk為罐籠質量，kg。

防墜器在進行緩沖器調整時按2Qmax≤F≤6Qmin計算，重載抓捕罐籠時的最小減加速度jz=10 m/s2；罐籠僅乘坐1人(空罐)時，最大減加速度jk≤50 m/s2。最大載質量Qmax計算為

Qmax=Q1+n(Q2+Q3)

(3)

式中：Q1為罐籠質量，kg；Q2為礦車質量，kg；Q3為礦石質量，kg。

2.2 防墜器工作過程中下降距離設計

工作制動距離是由防墜器產生與罐籠運動相反方向的作用力，并利用制動鋼絲繩與閘瓦之間的摩擦力完成制動時，因存在制動時間間隙而產生的距離。防止蹲罐，是防墜器性能試驗的重要評估指標。因此，防墜器制動力主要取決于弧式閘瓦與制動鋼絲繩的摩擦力，其具體要求：弧式閘瓦空動時間小于0.4 s；徑向工作時間小于0.6 s；防墜器產生的工作力矩與實際重載力矩比值應大于3.5。主要參數如表1所示。

表1 主要參數

弧式閘瓦的摩擦力由執(zhí)行制動液壓缸液壓力與盤式彈簧力共同產生?？蛰d下罐籠降落距離：

(4)

式中：m為總載質量；v為蹲罐時的速度。

3 常閉式液壓防墜器系統(tǒng)仿真研究

3.1 常閉式液壓防墜器模型搭建

根據如圖3所示的液壓系統(tǒng)，在AMESim中搭建常閉式液壓防墜器的主體模型，選擇AMESim元件庫中子元件建立系統(tǒng)子元件模型[8-12]，圖4所示為常閉式液壓防墜器系統(tǒng)仿真模型。采用液壓油為液壓系統(tǒng)內液體，仿真時間設置為10 s、液壓系統(tǒng)運行步長設置為1.0×10-6s，利用混合誤差模式，許用誤差為1.0×10-8s，采用標準積分器模式，根據上述參數劃定具體系數。

圖4 常閉式防墜器主體模型

依照表2對常閉式液壓防墜器液壓系統(tǒng)主要元件進行參數設置。

表2 常閉式液壓防墜器液壓系統(tǒng)主要元件參數設置

圖5所示為兩位三通換向閥輸入信號，根據仿真時間將輸入信號的時間設置為0～10 s，兩位三通換向閥5的信號一直處于通電狀態(tài)；兩位三通換向閥8的信號，在前5 s處于通電狀態(tài)，后5 s處于斷電狀態(tài)。

圖5 兩位三通換向閥輸入信號

3.2 常閉式液壓防墜器系統(tǒng)仿真結果分析

常閉式防墜器執(zhí)行制動液壓缸速度、位移特性分別如圖6、圖7所示。常閉式防墜器系統(tǒng)流量特性如圖8所示。根據圖5和圖8可知：在0～5 s內，兩個兩位三通換向閥處于通電狀態(tài)，其左位進油工作，此時執(zhí)行制動液壓缸的無桿腔進油，緊急制動時間為0.2 s，活塞桿伸出弧式閘瓦夾緊鋼絲繩，實現緊急工作制動；當t=5 s時，兩位三通換向閥5繼續(xù)通電，而換向閥8處于斷電狀態(tài)，在彈簧力作用下閥8右位工作，閥11開啟，執(zhí)行制動液壓缸有桿腔內的油液流經閥11后直接流入油箱，弧式制動閘瓦壓緊鋼絲繩，液壓缸的速度立即降為0。由圖8看出：緊急制動時間為0.3 s，符合《煤炭工業(yè)礦井設計規(guī)范》中的0.7 s；當t為5.2～10 s時，液壓缸速度為0，處于完全制動狀態(tài)。由圖7、圖8可知：流量與速度呈正比關系，當t=5 s時，系統(tǒng)處于緊急制動狀態(tài)，流量降為0，符合制動工作原理。

圖6 常閉式防墜器執(zhí)行制動液壓缸速度特性 圖7 常閉式防墜器執(zhí)行制動液壓缸位移特性

圖8 常閉式防墜器系統(tǒng)流量特性

4 試驗驗證

針對防墜器樣機，分別在重載和空載下進行脫鉤測試[14]，罐籠在載重的情況下，試驗測量不少于30次，利用試驗對防墜器整體系統(tǒng)參數進行調整，直到滿足各種標椎要求，進行生產。制動缸是該防墜器系統(tǒng)的主要執(zhí)行元件，關系到系統(tǒng)能否正常運轉。因此應綜合檢測制動缸的壓力、泄漏等是否符合要求；同時，應檢測鋼絲繩有無損壞跡象，以保證設備能夠正常工作。在罐籠處于重載時，鋼絲繩與制動器負荷達到最大計算制動力，測量鋼絲繩與制動缸之間的相對位移以及鋼絲繩、制動缸有無損壞痕跡。

表3所示為罐籠在空載和重載情況下的脫鉤試驗結果。分別得出了空行程距離、罐籠和鋼絲繩的相對距離、鋼絲繩拉出距離、罐籠總體降落高度，結果表明各種結果符合設計標準。

表3 脫鉤試驗結果 單位：mm

5 結論

基于《煤炭安全規(guī)程》的規(guī)定，對常閉式液壓防墜器系統(tǒng)進行設計與參數計算，并選取合理元件。搭建了常閉式液壓防墜器AMESim模型，進行了仿真分析，結果表明該液壓系統(tǒng)安全可靠。在工廠，利用該防墜器液壓系統(tǒng)進行了試驗，驗證了該設備能夠可靠運轉。