申心雨，寇子明，楊俊，任志國

(1.太原理工大學(xué)機(jī)械與運載工程學(xué)院，山西太原 030024；2.山西省礦山流體控制工程實驗室，山西太原 030024；3.礦山流體控制國家地方聯(lián)合工程實驗室，山西太原 030024；4.太原市軌道交通發(fā)展有限公司，山西太原 030003)

0 前言

提升鋼絲繩(首繩)是礦井提升系統(tǒng)的主要承載部件，也是礦井提升系統(tǒng)安全高效生產(chǎn)的重要保障[1]。然而由于礦井環(huán)境惡劣，首繩在工作過程可能會出現(xiàn)銹蝕、磨損等損壞。根據(jù)《煤礦安全規(guī)程》第413條規(guī)定[2]：摩擦式提升機(jī)首繩使用期限不應(yīng)超過兩年。但更換摩擦式提升機(jī)首繩一直是一項大勞動強(qiáng)度、高難度系數(shù)且危險的工作[3]。且現(xiàn)有換繩方法[4-7]多采用人工作業(yè)，勞動強(qiáng)度大，作業(yè)過程不連續(xù)，作業(yè)時間過長。

本文作者通過對現(xiàn)有換繩方法的研究，根據(jù)礦井生產(chǎn)實際的要求，設(shè)計了一套多繩摩擦式提升機(jī)履帶牽引式首繩連續(xù)更換裝置，解決了現(xiàn)有首繩更換裝置的難題，極大地提高了換繩效率，減輕了工人的勞動強(qiáng)度，實現(xiàn)了首繩的連續(xù)快速更換。并利用AMESim軟件[8-9]建立其液壓系統(tǒng)仿真模型，為進(jìn)一步優(yōu)化系統(tǒng)提供了理論基礎(chǔ)。

1 連續(xù)換繩裝置組成

連續(xù)換繩裝置的機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由導(dǎo)向輪組、機(jī)架、履帶式連續(xù)送繩裝置、防跑繩裝置、驅(qū)動馬達(dá)、自主行走部等組成。

圖1 連續(xù)換繩裝置機(jī)械結(jié)構(gòu)

該換繩裝置采用“舊繩帶新繩懸掛，新繩帶舊繩回收”[10-11]的工作原理實現(xiàn)對新首繩的下放，同時進(jìn)行對舊首繩的回收。根據(jù)履帶接觸面積大、運行平穩(wěn)[12]等特點，通過上下送繩履帶夾緊鋼絲繩產(chǎn)生的摩擦力，來提升及下放鋼絲繩。由于現(xiàn)有摩擦提升機(jī)首繩大多為4根或6根[13]，接下來以更換4根首繩為例來說明該裝置的工作過程：

(1)將提升機(jī)的2個罐籠一個停在井口，另一個停在井下，如圖2(a)所示；

(2)支撐罐籠，并在井底罐籠懸掛裝置的上方安裝分繩器，如圖2(b)(c)所示；

(3)將2根新繩依次穿過防跑繩裝置、換繩裝置、導(dǎo)向輪，并分別和1號、3號舊繩連接，如圖2(d)所示；

(4)割斷井口罐籠的舊繩后將新繩下放1～2 m使鋼絲繩松弛，再采用保護(hù)措施割井底舊繩，如圖2(e)所示；

(5)啟動提升機(jī)，使用連續(xù)換繩裝置下放新繩同時在井下回收舊繩，如圖2(f)所示；

(6)新繩下放完畢后，防跑繩裝置油缸夾緊新繩，拆除換繩裝置，并將新繩連接到罐籠上，試車、調(diào)繩；

(7)按照以上步驟繼續(xù)更換2號、4號舊繩。

2 液壓系統(tǒng)設(shè)計

連續(xù)換繩裝置的液壓系統(tǒng)由3個回路組成：履帶驅(qū)動、鋼絲繩夾緊和防跑繩回路，如圖3所示。

圖3 液壓系統(tǒng)原理Fig.3 Hydraulic system schematic

2.1 履帶驅(qū)動回路

液壓油由油箱經(jīng)過柱塞泵6.1、單向閥11.1，進(jìn)入換向閥12.1，此時換向閥左位得電，液壓油流入馬達(dá)系統(tǒng)，經(jīng)梭閥27、減壓閥28流入馬達(dá)盤閘，使盤閘抱死解除；另一路液壓油經(jīng)單向閥29驅(qū)動馬達(dá)旋轉(zhuǎn)，馬達(dá)漏油口接油箱，通過溢流閥31調(diào)定進(jìn)入馬達(dá)的油液壓力，其余油液經(jīng)過減壓閥28回到油箱。下履帶馬達(dá)工作順序和上履帶馬達(dá)相同，但轉(zhuǎn)向相反，通過上下兩履帶馬達(dá)的同步反向運動，驅(qū)動鋼絲繩向前運動，即可進(jìn)行鋼絲繩的送繩作業(yè)。

當(dāng)需要進(jìn)行拉繩作業(yè)時，換向閥12右位得電，兩液壓馬達(dá)反向運動，驅(qū)動鋼絲繩向后運動，進(jìn)行鋼絲繩的拉繩作業(yè)。

2.2 鋼絲繩夾緊回路

根據(jù)鋼絲繩的質(zhì)量調(diào)整柱塞泵6.3的排量和溢流閥26的壓力值，液壓油由油箱經(jīng)過柱塞泵6.3進(jìn)入換向閥21，換向閥21得電，液壓油經(jīng)過單向閥20進(jìn)入液壓缸32的無桿腔，帶動下履帶向上運動，夾緊鋼絲繩。此時電磁球閥22.1得電，利用單向閥和蓄能器18實現(xiàn)保壓，保證鋼絲繩一直處于被夾緊狀態(tài)。此外，壓力變送器17.1用于監(jiān)測液壓缸的壓力，當(dāng)壓力不足時，傳感器發(fā)出信號，蓄能器可以向液壓缸提供油液和壓力[14]，保證鋼絲繩可靠夾緊。

2.3 防跑繩回路

防跑繩回路在正常換繩過程中處于不工作狀態(tài)，不對鋼絲繩產(chǎn)生任何影響，夾緊油缸的活塞桿處于伸出狀態(tài)。當(dāng)送繩速度過快或有突發(fā)事件需要停機(jī)時，防跑繩裝置開啟。

系統(tǒng)啟動時，液壓油經(jīng)柱塞泵6.3、單向閥25進(jìn)入液壓缸33的有桿腔，壓縮彈簧至最大行程，電磁球閥22得電保壓，此時楔形塊開口達(dá)到最大。當(dāng)壓力變送器17.2檢測到回路壓力低于設(shè)定值、收到泄壓指令或系統(tǒng)突然斷電時，電磁球閥22失電，液壓回路泄壓，在彈簧的作用下油缸迅速收回，楔形自鎖機(jī)構(gòu)鎖緊鋼絲繩。

3 液壓系統(tǒng)AMESim仿真

3.1 液壓系統(tǒng)仿真模型的建立

連續(xù)換繩裝置的液壓系統(tǒng)涉及的元件類型包括液壓、信號及機(jī)械元件，而且均為標(biāo)準(zhǔn)元件，在AMESim模型庫中都能找到。在Sketch mode模式下根據(jù)液壓原理選擇合適的液壓元件連接系統(tǒng)，建立的液壓系統(tǒng)模型如圖4所示。

圖4 AMESim仿真模型Fig.4 AMESim simulation model

為了使仿真結(jié)果更加真實地反映系統(tǒng)的動態(tài)特性，仿真模型中各元件參數(shù)均按照實際工況進(jìn)行設(shè)計。在Parameter mode模式下結(jié)合實際工況，對仿真模型主要元件的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，如表1所示。

表1 仿真模型主要元件參數(shù)Tab.1 Main component parameters of the simulation model

3.2 換向閥控制信號

在仿真模型中需要給定換向閥的控制信號來模擬實際工況，給定信號如圖5所示。圖5(a)給定了5 s拉繩信號和10 s送繩信號；圖5(b)、圖5(c)給定了下履帶的5 s上移信號、5 s保壓信號和5 s下移信號；圖5(d)給定了5 s末瞬時夾緊信號。

圖5 換向閥控制信號Fig.5 Reversing valve control signal:(a)crawler; (b)two position four-way valve of rope clamping; (c)two position two-way valve of rope clamping; (d)anti running rope

4 仿真結(jié)果分析

4.1 履帶驅(qū)動回路仿真結(jié)果分析

履帶回路執(zhí)行2個重要功能，首先反轉(zhuǎn)將舊繩拉出并通過人工將新、舊繩相連接，而后正轉(zhuǎn)，送入新繩。履帶回路主要通過換向閥控制液壓馬達(dá)將液壓能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能。履帶的拉繩速度也就是馬達(dá)轉(zhuǎn)速決定了首繩更換的整體效率，履帶的拉繩能力即液壓馬達(dá)所輸出的最大轉(zhuǎn)矩決定了裝置的負(fù)載能力，因而對履帶回路進(jìn)行仿真分析。

由圖6可以看出：0～5 s，履帶反向轉(zhuǎn)動將舊首繩拉起，整個拉繩過程運行平穩(wěn)；在5 s末，換向閥改變連通方式，此時速度有瞬間的波動；而后5～15 s履帶改為正向轉(zhuǎn)動開始送繩，送繩過程速度平穩(wěn)。

圖6還模擬了泵不同排量下的馬達(dá)轉(zhuǎn)速，剛開始隨著泵排量的增加，轉(zhuǎn)速有著較大的提升，在泵排量增大到120 mL/r以上時，馬達(dá)轉(zhuǎn)速基本不會再改變，曲線重合。根據(jù)仿真結(jié)果和實際生產(chǎn)需求，選擇排量為80 mL/r的泵即可滿足要求。

圖6 馬達(dá)轉(zhuǎn)速隨泵排量變化Fig.6 Variation of motor speed with pump displacement

由圖7可以看出:馬達(dá)右側(cè)油口壓力在0～5 s內(nèi)達(dá)到最大且保持穩(wěn)定；在5～15 s履帶換向后降低到一定值并保持穩(wěn)定。圖7中不同泵排量下的壓力變化關(guān)系與圖6中保持相同。馬達(dá)左側(cè)油口壓力變化規(guī)律與右側(cè)相反。

圖7 馬達(dá)右側(cè)油口壓力隨排量變化Fig.7 Pressure variation of the right oil port of the motor with displacement

如圖8所示，液壓馬達(dá)輸出轉(zhuǎn)矩只有在換向閥動作時出現(xiàn)一定的波動，在拉繩和送繩過程中穩(wěn)定在9 000 N·m,可以拖動3×103kg的首繩。

圖8 泵排量為80 mL/r時液壓馬達(dá)輸出扭矩Fig.8 The hydraulic motor output torque when the pump displacement is 80 mL/r

4.2 夾繩回路仿真結(jié)果分析

夾繩回路主要是通過履帶左右兩側(cè)共4個單作用彈簧伸縮杠帶動下履帶進(jìn)行上下移動實現(xiàn)對首繩的夾緊或松開。只有提供足夠的夾繩力才能保證在整個首繩更換過程中不出現(xiàn)鋼絲繩擺偏、振動和溜繩等危險工況。

由圖9可以看出:液壓油缸首先開始充液，下履帶在液壓缸作用下向上移動夾緊首繩，整個夾緊過程持續(xù)2.1 s，2.1 s后活塞達(dá)到最大行程0.05 m；隨后由蓄能器對液壓缸進(jìn)行保壓，上下履帶一直保持對首繩的夾緊；在10 s末，換向閥動作，液壓缸開始泄油，活塞回程至原位。由于蓄能器的保壓作用，活塞回程有一定的延遲時間。根據(jù)圖9所示曲線斜率可以看出：活塞回程速度明顯大于伸出速度，這是由于在活塞伸出時，履帶重力為阻力，而在回程時，履帶重力為動力。

圖9 夾緊油缸活塞位移變化Fig.9 Piston displacement variation of clamping cylinder

由圖10可得：在夾緊開始時，速度出現(xiàn)一定的波動，隨后活塞運動到極限位置時，停止運動，保持夾緊狀態(tài)。在換向閥動作的瞬間，活塞迅速反向運動到原位，夾緊動作完成。

圖10 夾緊油缸活塞速度變化Fig.10 Clamping cylinder piston speed variation

由圖11可以看出：在夾緊過程中液壓油缸能給定的最大壓力為20 MPa，再根據(jù)液壓油缸數(shù)量、液壓油缸活塞面積以及履帶表面摩擦因數(shù)，可以判斷彈簧液壓缸能提供的夾繩力為8×104N。

圖11 夾緊油缸壓力變化Fig.11 Clamping cylinder pressure variation

4.3 防跑繩回路仿真結(jié)果分析

在送繩速度過快或有突發(fā)事件需要停機(jī)時，防跑繩裝置啟動，利用彈簧夾緊力將首繩夾緊，避免事故的發(fā)生。迅速夾緊與提供足夠的夾緊力是保證首繩更換安全的關(guān)鍵。

由圖12可以看出：0 s時，彈簧油缸開始充液，活塞速度稍有波動后保持穩(wěn)定在正值，約4 s后充液完畢，活塞速度短暫波動后歸零；在5 s時，檢測到故障信號，換向閥動作，開始泄油，活塞在彈簧預(yù)緊力的作用下迅速動作，速度突變，夾緊鋼絲繩，避免了事故的發(fā)生。

圖12 不同換向閥排量下彈簧油缸活塞速度變化Fig.12 Piston speed variation of spring cylinder under different reversing valve displacement

由于防跑繩裝置動作越快越安全，圖12還仿真了不同換向閥排量下的夾繩速度。換向閥排量由30 L/min變?yōu)?0 L/min時，夾繩動作時間由1.86 s縮減到0.77 s，變化顯著。在換向閥排量為100、130、160 L/min時，夾繩動作時間分別為0.44、0.32、0.26 s，速度波動分別為0.2、0.16、0.12 m/s。結(jié)合夾繩速度與速度沖擊和實際使用情況，使用排量為100 L/min的換向閥即可滿足防跑繩裝置的安全需求。

觀察圖13，可以對速度仿真圖像作進(jìn)一步驗證，在4 s時活塞達(dá)到極限位置25 mm，5 s末換向閥動作，活塞迅速回到原位，且換向閥排量越大，活塞回程越快。

圖13 不同換向閥排量下彈簧油缸活塞位移變化Fig.13 Piston displacement variation of spring cylinder under different reversing valve displacement

由圖14可以看出：不同換向閥排量下的彈簧油缸最大壓力基本無變化，最大壓力主要取決于溢流閥的最大溢流壓力。

圖14 不同換向閥排量下彈簧油缸壓力變化Fig.14 Pressure variation of spring cylinder under different reversing valve displacement

5 工業(yè)性試驗

根據(jù)仿真結(jié)果對換繩裝置樣機(jī)進(jìn)行了試制，如圖15所示。液壓泵、液壓馬達(dá)與換向閥排量均與仿真結(jié)果保持一致。該試驗裝置主要由履帶送繩機(jī)構(gòu)、鋼絲繩與重物(3×103kg)組成。

圖15 換繩裝置樣機(jī)

在試驗過程中，通過圖16所示速度傳感器對液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)速進(jìn)行測量，生成拉繩-送繩過程馬達(dá)轉(zhuǎn)速曲線并與仿真結(jié)果比較，如圖17所示。通過對比仿真結(jié)果可以得出：實際運行時履帶速度方向切換需要一定的時間，且履帶正向運行時速度出現(xiàn)一定波動，最大波動幅度約為5%，這是由于液壓元件動作時的液壓沖擊等因素。將馬達(dá)正向平均轉(zhuǎn)速換算成履帶送繩的平均速度為0.59 m/s，與仿真結(jié)果相近，能夠很好地滿足使用要求。

圖16 馬達(dá)轉(zhuǎn)速測量裝置

圖17 馬達(dá)轉(zhuǎn)速對比Fig.17 Motor speed comparison

此外，還使用壓力表對履帶夾繩過程中的夾緊力進(jìn)行了測量，在整個夾緊過程中，所能提供的最大夾緊力為8×104N，與仿真結(jié)果吻合。

通過重物急墜來模擬危險工況，此時防跑繩機(jī)構(gòu)動作并在400 ms之內(nèi)夾緊鋼絲繩，有效避免了事故發(fā)生。

6 結(jié)論

設(shè)計了一套履帶牽引式首繩連續(xù)更換裝置。利用AMESim軟件對其主要液壓回路進(jìn)行了仿真研究；并根據(jù)仿真結(jié)果對換繩裝置進(jìn)行了樣機(jī)試制，裝置實際運行結(jié)果與仿真結(jié)果基本一致。

(1)通過仿真分析合理地選擇了液壓泵排量，使它能夠滿足實際換繩的效率要求；

(2)對夾繩回路進(jìn)行了仿真與試驗，確保它能夠?qū)︿摻z繩提供足夠夾緊力；

(3)研究了防跑繩回路不同換向閥排量的泄壓特性，依據(jù)仿真結(jié)果選取了最佳排量的換向閥，并通過試驗驗證保護(hù)裝置能夠以毫秒級的速度進(jìn)行響應(yīng)。