無軌運輸車氣動落鉤柔性攔阻裝置的設計

金建成 程建勝

【摘 要】針對井下無軌運輸車斜巷下坡運行的安全問題，運用運動學理論對無軌運輸車斜巷跑車進行了力學分析，通過參照航母艦載機降落時減速攔阻裝置的攔阻索原理，設計了一種保障無軌運輸車安全運行的氣動落鉤柔性攔阻裝置。該裝置可以根據無軌運輸車輛的載重、行車巷道條件、運行模式等不同條件進行現場調試，能有效消除無軌運輸車輛大坡度、高濕高滑長斜巷下坡行駛的不安全隱患，保證斜巷運輸安全。

【關鍵詞】無軌運輸車 斜巷跑車 柔性制動 安全防護裝置 攔阻索

無軌運輸系統是相對于礦井有軌運輸系統的一種新型礦井生產輔助運輸系統，在國內各大煤礦得到了廣泛的應用。但是，由于國內防爆動力設備生產能力相對落后，車輛的生產標準多參照國外行業標準，致使車輛性能、防爆特性、尾氣處理、生產環節等方面滯后進口車輛。而且，受礦井生產環境、巷道傾斜條件、頂底板地質穩定狀況、井巷水文地質等現場因素的影響，致使無軌運輸系統的制動裝置負荷過大，在斜巷下坡運行時容易發生跑車事故。

無軌運輸車氣動落鉤柔性攔阻裝置是參照航母艦載飛機降落時減速攔阻裝置的攔阻索原理為依據，結合礦上無軌運輸車安全運行管理經驗和保障無軌運輸車安全運行的實際需要設計的一種后備式安全保護裝置。該裝置在無軌運輸車下坡運行制動系統故障發生跑車事故時，可以對車輛進行柔性制動，能有效避免跑車車輛事故擴大，多重保障乘員的人身安全。

1 無軌運輸車斜巷跑車運動學原理分析

假設無軌運輸車載人后在斜巷下坡時發生跑車事故，則在忽略車身剩余動力阻力僅在車身自重作用下的力學關系為：

車體重力：

車體平行斜巷向下的分力：

車體與斜巷底板的摩擦力：

式中：M——無軌運輸車載人后的車身整重，Kg；

g—―重力加速度，取g=9.8m/s2；

θ——無軌運輸車行車巷道傾角；

μ——井巷底板與車體的摩察系數；

當F1>F2時，即無軌車輛在自重作用下斜巷運行時具有平行斜巷向下的合力，所以當無軌車輛斜巷運行發生制動系統故障時在忽略車身剩余動力/阻力的情況下，無軌運輸車輛就會發生跑車事故。

當無軌運輸車輛斜巷運行發生跑車事故時，在忽略車身剩余動力/阻力的情況運動學原理為：

車輛加速度為：

車輛跑車速度：

車輛跑車距離：

式中：V0——斜巷下坡時正常速度，m/s；

T——斜巷跑車下行時間，s；

所以當無軌運輸車輛跑車時間T足夠大時，已跑車輛具有很大的中車速度和跑車距離，對應的跑車動能也非常大，當已跑車輛具有很大的動能時與巷道側壁或彎道巷道相撞時就會有很大的沖量，最后就可能造成很大的安全生產事故。

2 無軌運輸車氣動落鉤柔性攔阻裝置構造及動作原理

無軌運輸車氣動落鉤柔性攔阻裝置主要由無軌運輸車輛車尾安裝固定的拉伸受力件和巷道底板間隔布置的具有緩沖吸能器的攔阻索兩部分組成（如圖1所示），通過手動或自動的方式控制裝置拉伸受力件升降，當拉伸受力件降下并與巷道底板間隔布置的具有緩沖吸能器的攔阻索作用時就可使已跑車輛柔性制動。

無軌運輸車氣動落鉤柔性攔阻裝置的拉伸受力件為一鋼性拉伸體，尾部為一“U型”鉤，頭部為固定在車體尾部橫梁上、呈三級受力的裝置，中部偏尾方向有一氣動伸縮桿，通過導氣管、通斷閥門與車載氣壓（也可以是液壓/電動）裝置（該裝置在車輛正常運行時壓力要達到2MP以上，在車輛制動系統失靈時壓力有效，且外接使用對車輛整體安全性無影響）相連，駕駛員操作（或自動操作）通斷閥門開關時可實現控制該拉伸受力件升降。拉伸受力件受力點主要有尾鉤與攔阻索鉤點處和拉伸受力件與車體固定處，所有強力受力點處均進行倒角處理，以減小受力接觸面的剪切效應。車體固定處受力點采用三級受力機制，一級受力為拉伸受力件與車體固定裝置，用于固定氣動落鉤柔性攔阻裝置；二級受力為拉伸受力件與車后輪車軸連接鋼絲繩，為車輛跑車時的主要受力機構；三級受力為車體固定裝置與車后輪車軸連接鋼絲繩，為車輛跑車時的輔助受力機構，也具有車輛跑車急停時穩定車身的作用。

無軌運輸車氣動落鉤柔性攔阻裝置的攔阻索是由斜巷間隔成對安裝的緩沖吸能器和纏繞吸能器內的高強度鋼絲繩組成。攔阻索作用鉤點處采用主、輔繩制動安裝方式，主繩作為車輛柔性制動的主要攔阻索，輔繩作為車輛柔性制動的備用攔阻索或當主繩失效后的二級攔阻索。主繩中間套兩個橡膠圈、輔繩在巷道側壁用強力彈簧張緊，使攔阻索與地面保持50mm以上的間距，確保膠輪車跑車時尾鉤能鉤住攔阻索。膠輪車將經過攔阻索時，當無軌運輸車氣動落鉤柔性攔阻裝置的拉伸受力件處于升起狀態時，車輛正常通過；當無軌運輸車氣動落鉤柔性攔阻裝置的拉伸受力件處于降下狀態時，拉伸受力件尾鉤將鉤住攔阻索使車輛柔性制動。

3 無軌運輸車氣動落鉤柔性攔阻裝置設計及計算

假設（圖2）無軌運輸車斜巷行車時發生跑車事故，駕駛員能夠沉著應對、及時啟動（或車載測速裝置能可靠自動啟動）無軌運輸車氣動落鉤柔性攔阻裝置的拉伸受力件下降并鉤住底板間隔布置的攔阻索發生柔性沖擊，當無軌運輸車跑車沖擊作用時，服從以下條件：

（1）拉伸受力件為剛體，沖擊變形忽略不計；

（2）被沖擊攔阻索可以看成是一個彈簧，它的質量相對無軌運輸車很小，可忽略不計；

（3）沖擊中拉伸受力件與攔阻索接觸，就相互附著成為一個自由度的運動系統；

（4）沖擊載荷不是過分的大，保證被沖擊構件受力后仍服從胡克定律；

（5）忽略不計沖擊過程中能量損失。

則沖擊作用時的動、靜載荷比為：

即：

式中：——靜變形量，m；

——動變形量，m；

Pd——沖擊載荷，N；

當無軌運輸車以速度V與攔阻索沖擊作用時，根據能量守恒有：

即：

令：，，；

則有：

取：

則無軌運輸車氣動落鉤柔性攔阻裝置尾鉤與攔阻索沖擊作用時的動荷系數為：

所以，無軌運輸車氣動落鉤柔性攔阻裝置拉伸受力件與攔阻索作用時的沖擊力為：

又因為，當無軌車輛跑車時，在忽略無軌運輸車氣動落鉤柔性攔阻裝置拉伸受力件與攔阻索作用時沖擊能量損失時，跑車動能全被吸能器吸收，則有：

即：

式中：E0——吸能器的額定吸能量，J；

所以，當跑車車輛具有最大跑車距離時，有最大跑車速度和跑車動能，同時具有最大沖擊力，即當時，FC有最大值：

又因為當攔阻索彈簧模型具有最大形變量時（忽略鋼絲繩張力變形）具有最大彈性勢能，即吸能器吸能量全轉化為彈性勢能有：

式中：K——彈簧模型彈性系數；

S——彈簧模型形變量；

則有：

又因為當無軌運輸車斜巷自重下滑作用于攔阻索靜變彈力由胡克定律有：

即：

所以：

（1）

又由材料力學知當無軌運輸車氣動落鉤柔性攔阻裝置的拉伸受力件正常動作受力時，整個拉伸體的最大拉伸應力為具有最小截面的集中應力區，所以拉伸受力件的最大受力點為尾鉤與拉伸受力件主體的連接處。則對拉伸受力件的拉伸強度校驗如下：

（2）

式中：σ——容許拉正應力；

A——集中應力區的截面面積，m2；

即當無軌運輸車氣動落鉤柔性攔阻裝置的拉抻受力件的集中應力區的截面大于應力

集中區的最大作用力Fmax與容許拉正應力σ的比值，便能滿足無軌車輛跑車柔性制動的強度要求。

當按吸能器吸能量和最大防跑距離進行校驗時有：

式中：LM——無軌運輸車跑車距離，m；

則有：

（3）

當按鋼絲繩的破斷拉力進行校驗時有：

（4）

式中：FN——鋼絲繩最小破斷拉力，N；

D——吸能器的安裝間寬，m；

當按拉伸受力件尾鉤與攔阻索作用點處鉚釘的剪切強度進行校驗時有：危險截面鉚釘剪切面的最大剪力，則對應的正應力MPa，容許正應力MPa（n為安全因數，對于靜載荷塑性材料一般取值為1.5～2.0，這里取2.0），所以鉚釘的容許切應力MPa（0.5為安全系數，一般取0.0～0.8，這里取0.5），則鉚釘的剪切面截面積：

（5）

式中：FQ——危險剪切面的最大剪力，N；

τ——危險剪切面的容許切應力；

d——鋼絲繩的截面直徑，m；

AQ——危險剪切面截面面積，m2；

通過式（1）、式（2）、式（3）、式（4）和式（5）的計算，便可得到無軌運輸車氣動落鉤柔性攔阻裝置拉伸愛力件及攔阻索的材質選型和相關尺寸的定型了。

4 結語

無軌運輸車氣動落鉤柔性攔阻裝置的設計主要是基于無軌膠輪車斜巷跑車時的運動學原理進行力學分析，通過對拉伸受力件的拉伸強度、剪切強度及攔阻索的破斷拉伸強度進行安全性分析、校驗，根據無軌運輸車輛的載重、行車巷道條件、運行模式等不同條件進行現場適應，可以有效應對無軌運輸車輛大坡度、長斜巷、高濕高滑巷道行車的不安全隱患。

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