BF型防墜器緩沖繩在制動(dòng)過程中的作用分析*

李令德，賀彩龍

(湖南煤礦安全監(jiān)察局安全技術(shù)中心，湖南長沙 410004)

0 引言

防墜器是礦井提升系統(tǒng)的重要組成部分，尤其在立井纏繞式提升機(jī)系統(tǒng)中，發(fā)生主提升繩斷繩等緊急情況時(shí)，將罐籠平穩(wěn)制動(dòng)在制動(dòng)繩上，以避免罐籠墜入井底造成更大的事故。因?yàn)槠渲匾裕睹旱V安全規(guī)程》對它的使用性能進(jìn)行了具體的規(guī)定。BF型防墜器是目前使用較為廣泛的防墜器(如圖1)，它由開動(dòng)機(jī)構(gòu)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、抓捕器、緩沖機(jī)構(gòu)4個(gè)部分組成。其中，開動(dòng)機(jī)構(gòu)是當(dāng)主提升繩斷繩時(shí)使得防墜器動(dòng)作;傳動(dòng)機(jī)構(gòu)是將開動(dòng)機(jī)構(gòu)的動(dòng)作命令傳遞到執(zhí)行機(jī)構(gòu)的橋梁;抓捕機(jī)構(gòu)則是防墜器制動(dòng)的關(guān)鍵部分，負(fù)責(zé)將罐籠制動(dòng)在制動(dòng)繩上;緩沖機(jī)構(gòu)能有效降低突然制動(dòng)帶來的大減速度，使得制動(dòng)過程變得更加平穩(wěn)。

防墜器使用過程中的關(guān)鍵點(diǎn)，不僅僅是要能夠在發(fā)生危險(xiǎn)的時(shí)候制動(dòng)住，還要考慮制動(dòng)過程是否平穩(wěn)，尤其是在有人員乘坐時(shí)，還要考慮制動(dòng)過程是否會(huì)對人員造成傷害。安全行業(yè)對防墜器的技術(shù)要求很高很具體。要求在進(jìn)行脫鉤試驗(yàn)時(shí)，動(dòng)作空行程時(shí)間不大于0.25 s［2］，在最小終端載荷下，罐籠的制動(dòng)減速度不應(yīng)大于50 m/s2，在最大終端載荷下，罐籠的制動(dòng)減速度不應(yīng)小于 10 m/s2［1－2］。目前，關(guān)于防墜器脫鉤試驗(yàn)的方法研究較多，但對于制動(dòng)過程中制動(dòng)距離、緩沖距離等對制動(dòng)效果的綜合影響分析較少，一般都是根據(jù)能量守恒定律間接計(jì)算制動(dòng)減速度［3］。通過對制動(dòng)過程中的減速度進(jìn)行詳細(xì)分析，提出了緩沖繩的緩沖距離對整個(gè)制動(dòng)的影響。

圖1 BF型防墜器結(jié)構(gòu)示意圖

1 制動(dòng)過程的動(dòng)力學(xué)分析

設(shè)想罐籠以初速度v0向下運(yùn)行時(shí)制動(dòng)，如圖2所示。制動(dòng)減速過程應(yīng)該分為三個(gè)主要過程:

(1)罐籠受重力作用，如圖2(b)所示，做有初速度的自由落體運(yùn)動(dòng)。開動(dòng)機(jī)構(gòu)動(dòng)作時(shí)，開動(dòng)彈簧動(dòng)作將滑楔向上撥動(dòng)，壓緊制動(dòng)繩。因?yàn)榛ê椭苿?dòng)繩之間有一個(gè)允許距離，一般不超過8 mm，彈簧力的作用時(shí)間為空動(dòng)時(shí)間。這期間，罐籠受重力作用(系統(tǒng)的向上的阻力忽略)，加速度為g。

(2)滑楔在制動(dòng)繩上的動(dòng)作過程，如圖2(c)所示。從滑楔接觸制動(dòng)繩開始，因?yàn)榻饘僦g的摩擦力比較小，靠加大兩者之間的正壓力來增大摩擦力，所以，還要依靠開動(dòng)彈簧的力來使滑楔緊緊壓住制動(dòng)繩。在重力和彈簧力的作用下，這個(gè)過程很短，為了便于計(jì)算，忽略該過程中的制動(dòng)減速度對整體的影響。

式中:G為罐籠、防墜器等固定部分的重力;f1+2為系統(tǒng)的摩擦力和滑楔與制動(dòng)繩之間的摩擦力之和;a1為滑楔作用過程的制動(dòng)減速度。

式中:x3－x2為滑楔作用過程的位移;t3－t2為滑楔作用過程的持續(xù)時(shí)間。

因?yàn)閠3－t2→0，a1雖然比較大，但是因?yàn)槌掷m(xù)的時(shí)間很短，所以對整個(gè)制動(dòng)過程的影響并不大。

(3)緩沖過程，如圖2(d)所示。緩沖器發(fā)生作用，提供進(jìn)一步的制動(dòng)力，罐籠速度降為零，緩沖繩被拉出x4－x3的距離。在這個(gè)過程中，制動(dòng)繩還有一個(gè)彈性伸長量，而且這個(gè)彈性伸長量會(huì)因?yàn)橹苿?dòng)繩本身的長度、使用的時(shí)間以及磨損情況會(huì)有所變化。因?yàn)榭紤]到這個(gè)量相對于本文考慮的減速度來說影響不是很大，因此不做具體分析。此過程中的減速度為a2。

因?yàn)閠3－t2→0，所以式(4)也可寫為:

式中:x4－x2為緩沖繩拉出的距離。

圖2 制動(dòng)減速過程

上述三個(gè)過程的速度位移曲線示意圖如圖3。

2 制動(dòng)過程的減速度分析

根據(jù)《大眾科學(xué)》最近刊載的一項(xiàng)研究表明，14個(gè)g的加速度可以讓人的器官分離，而4～8個(gè)g的加速度可以讓人昏迷。在最小終端載荷下，罐籠的制動(dòng)減速度不應(yīng)大于50 m/s2，在最大終端載荷下，罐籠的制動(dòng)減速度不應(yīng)小于10 m/s2，同時(shí)，防墜器的空行程時(shí)間不大于0.15 s。綜合分析制動(dòng)減速度應(yīng)該滿足 g≤a≤5 g。

圖3 減速過程的速度時(shí)間曲線

緩沖繩拉出的距離和防墜器空動(dòng)時(shí)間都是通過儀器實(shí)際測量得到，綜合式(1)、(2)、(5)，整理得到:

即:

式中:H為防墜器空動(dòng)時(shí)間內(nèi)下降的距離;L為緩沖繩被拉出的距離。

根據(jù)g≤a≤5 g的要求，結(jié)合式(7)的要求，有:

由此可知，緩沖繩在緩沖器中抽出的長度并不是隨意的，而是要滿足式(8)的要求。當(dāng)罐籠下降的初速度較大時(shí)，緩沖繩抽出的距離就比較長。在設(shè)定初速度為零的前提下，即重載脫鉤試驗(yàn)時(shí)，要求空動(dòng)時(shí)間小于0.15 s，則 H≥ 0.1125 m，代入式(9)，得出:L≥22.5 mm，即在零速脫鉤的狀態(tài)下，緩沖繩被抽出的距離也不應(yīng)小于22.5 mm。

3 結(jié)語

通過分析可以看出，緩沖器在制動(dòng)過程中扮演了非常重要的作用。緩沖繩在緩沖器中被抽出的距離不能太小，也不能太大，必須將其控制在一個(gè)可靠的范圍內(nèi)，才能保證設(shè)備和人員的安全。

［1］ 國家煤礦防爆安全產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心.MT355－2005礦用防墜器技術(shù)條件［S］.北京:煤炭工業(yè)出版社，2005.

［2］ 國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局.AQ2019－2008金屬非金屬礦山豎井提升系統(tǒng)防墜器安全性能檢測檢驗(yàn)規(guī)范［S］.北京:煤炭工業(yè)出版社，2009.

［3］ 任中華，王 雷.防墜器現(xiàn)場試驗(yàn)及其安全性能評價(jià)［J］.煤礦機(jī)械，2007(6):78－79.