伊文平

（晉能控股集團(tuán)同發(fā)東周窯煤業(yè)有限公司， 山西 大同 037003）

0 引言

煤炭是我國重要的礦產(chǎn)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(shè)備，用于輸送作業(yè)人員及設(shè)備，實現(xiàn)井上與井下的互通[1]。架空乘人裝置的作業(yè)距離長、輸送效率高、輸送過程中的安全性至關(guān)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(chǎn)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(jié)構(gòu)，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(jìn)行設(shè)計，并采用有限元數(shù)值分析的形式進(jìn)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(shè)計

架空乘人裝置采用鋼絲繩進(jìn)行運(yùn)動傳遞，鋼絲繩在井下復(fù)雜的環(huán)境中，受到?jīng)_擊、磨損等影響，存在斷裂的風(fēng)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(yùn)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(jiān)測機(jī)構(gòu)及PLC 控制系統(tǒng)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(tǒng)的指令對電磁換向閥的動作進(jìn)行控制，張力監(jiān)測機(jī)構(gòu)采用張緊油缸及傳感器、尾輪等對斷繩信號進(jìn)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(dāng)不需要進(jìn)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(tài)，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(tài)[6]，與鋼絲繩沒有接觸，不影響鋼絲繩的運(yùn)行。當(dāng)架空乘人裝置鋼絲繩突發(fā)斷裂時，通過尾輪傳遞到張緊繩上的張力突然消失，即觸發(fā)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(xiàn)斷繩抓捕，通過楔形塊在滑軌中的移動實現(xiàn)對鋼絲繩的夾緊鎖死。楔形抓捕裝置的結(jié)構(gòu)如圖2所示[9]，當(dāng)鋼絲繩斷裂觸發(fā)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(chǎn)生移動，實現(xiàn)自鎖，實現(xiàn)鋼絲繩的停止。楔形抓捕裝置是實現(xiàn)鋼絲繩斷裂抓捕的重要部分，為保證楔形抓捕裝置的穩(wěn)定可靠[10]，設(shè)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(jié)構(gòu)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(xué)性能分析

架空乘人裝置斷繩抓捕器在鋼絲繩發(fā)生突然斷裂進(jìn)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(xué)性能進(jìn)行分析。ANSYS 是常用的有限元分析軟件，對于結(jié)構(gòu)受力具有較好的分析性能，適用于對抓捕裝置的靜力學(xué)性能進(jìn)行分析[11]。

依照楔形抓捕裝置的結(jié)構(gòu)，建立結(jié)構(gòu)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(jìn)行裝配導(dǎo)入到ANSYS 軟件中。在ANSYS 中設(shè)定楔形抓捕裝置材質(zhì)為45 鋼，采用自動網(wǎng)格的形式進(jìn)行網(wǎng)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(shè)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(yīng)力進(jìn)行計算分析。

對楔形抓捕裝置的應(yīng)力進(jìn)行仿真計算，經(jīng)過計算得到楔形抓捕裝置部件的應(yīng)力分布如圖3 所示。從圖3中可以看出，在連接板中產(chǎn)生的最大應(yīng)力為151.86 MPa，最大應(yīng)力位于連接板伸出位置的中間，存在一定的應(yīng)力集中現(xiàn)象；在滑軌與安裝板組成的結(jié)構(gòu)中最大應(yīng)力為31.37 MPa，最大應(yīng)力位于結(jié)構(gòu)體底部滑軌的右端位置，同樣存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，最大應(yīng)力值相對較??；在楔形塊中最大應(yīng)力為20.6 MPa，最大應(yīng)力位于楔形塊底部靠近端面的位置處，最大應(yīng)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(gòu)件具有加大的安全系數(shù)，分別為連接板安全系數(shù)為3.95，安裝板與滑軌機(jī)構(gòu)安全系數(shù)為19.1，楔形塊安全系數(shù)為29.1。通過上述的分析可知，楔形抓捕裝置安全系數(shù)均大于3，具有較高的安全冗余，具有較好的靜力學(xué)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(yīng)力分布

2.2 抓捕裝置動力學(xué)性能分析

斷繩抓捕裝置進(jìn)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(chǎn)生多次的碰撞及接觸，從而將鋼絲繩固定停止。進(jìn)行鋼絲繩斷繩抓捕的過程極為短暫，對碰撞過程進(jìn)行動力學(xué)分析，對其抓捕性能進(jìn)行分析。采用Adams 進(jìn)行抓捕的動力學(xué)分析，將所建立的抓捕裝置及鋼絲繩模型導(dǎo)入到Adams 軟件中，設(shè)定模型材質(zhì)為45 鋼，安裝板進(jìn)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(shè)定仿真作用時間為1 s，步長為100 步，對楔形抓捕裝置的運(yùn)動過程進(jìn)行計算分析。依據(jù)仿真計算結(jié)果，對鋼絲繩在抓捕過程中的運(yùn)動速度及移動距離進(jìn)行曲線繪制，得到鋼絲繩的運(yùn)動變化如圖4 所示。

圖4 鋼絲繩運(yùn)動曲線

從圖4 中可以看出，當(dāng)鋼絲繩發(fā)生斷裂進(jìn)行抓捕時，楔形抓捕裝置能夠在較短的時間內(nèi)進(jìn)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(nèi)，鋼絲繩的速度產(chǎn)生劇烈的變化，快速下降為0；鋼絲繩在0.025 s 的時間內(nèi)達(dá)到靜止?fàn)顟B(tài)，此時產(chǎn)生的移動距離為2.5 m，斷繩抓捕裝置能夠?qū)崿F(xiàn)較快的抓捕鋼絲繩，在2.5 m 的距離實現(xiàn)鋼絲繩的靜止，具有較好的抓捕性能。在實際的生產(chǎn)使用過程中，由于生產(chǎn)工藝等因素的影響，與理想情況存在一定的差異，應(yīng)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(yùn)行。

3 結(jié)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(fā)狀況設(shè)計了楔形斷繩抓捕裝置，從而在發(fā)生意外狀況時進(jìn)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(jìn)行靜力學(xué)性能分析，結(jié)果表明，采用45 鋼材質(zhì)的斷繩抓捕裝置具有較好的靜力學(xué)性能，安全系數(shù)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(xué)分析軟件對斷繩抓捕裝置進(jìn)行動力學(xué)性能分析，結(jié)果表明，采用斷繩抓捕裝置能夠在較短的時間內(nèi)讓鋼絲繩達(dá)到靜止?fàn)顟B(tài)，實現(xiàn)快速抓捕。