煤礦斜井液壓傳動拖鉤式阻車器設計研究

郭龍剛

(西山煤電集團 馬蘭礦，山西 古交 030200)

近年來，隨著礦山開采深度的增加及開采條件的變化，斜井提升的工作量不斷加重。為防止跑車事故的發(fā)生，保證斜井運輸安全，國家及各礦山企業(yè)加大了在防跑車裝置領域上的研究投入，隨著相關研究的深入，斜井跑車保護裝置也在發(fā)生變化[1-3].

通過對現行跑車保護裝置按功能進行分類，比較現行保護裝置各組成部分的優(yōu)劣，可找出薄弱環(huán)節(jié)與安全隱患點[4-5]. 目前，國內斜井跑車保護裝置大多由4部分構成：監(jiān)控系統(tǒng)、驅動裝置、車擋機構、緩沖機構。

對現有跑車保護裝置進行優(yōu)化，監(jiān)控系統(tǒng)采用旋轉編碼器、壓敏開關等多套傳感器獨立測速，PLC表決控制；驅動裝置采用液壓動力包的形式作為動力源。車擋機構采用鋼絲繩框架式混合車擋；緩沖機構采用卷筒摩擦式吸能[6-7]. 這種方式適應井下巷道的各種惡劣條件，而且屬于變阻力吸能，對提升系統(tǒng)沖擊小。

1 拖鉤式阻車裝置的方案設計

當車輛在非正常行駛的狀況下，系統(tǒng)能夠自動監(jiān)控到并立即采取措施，進行安全制動，對跑車進行攔截、制動。因此，裝置應有實現以上功能的機構，主要包括機械執(zhí)行部分、驅動部分、控制部分和緩沖部分。

1) 機械部分：采用常閉式阻車方式，設計采用剛性車檔，運動方式為擺動方式，考慮其在礦車底部進行阻車運動，因此將執(zhí)行部位定位在礦車的輪軸中間，運用拉鉤進行捕捉。

2) 驅動部分：采用液壓傳動式，該傳動式運動件慣性小，能夠頻繁迅速換向，傳動工作平穩(wěn)，系統(tǒng)容易實現緩沖吸能，并能自動防止過載，而且與電氣配合容易實現機構動作和操作自動化。

3) 控制部分：采用PLC實現程序控制，可實現無人操作。

4) 緩沖部分：采用卷筒摩擦式吸能機構，首次運用碟簧實現摩擦緩沖。

拖鉤式阻車裝置運用拉鉤捕捉礦車的輪軸，阻車裝置位于礦車后輪軸上。采用前鉤捕捉前軸，并給后軸提供信號，由后鉤捕捉后軸，后軸承擔主要的阻車作用。由緩沖部分消耗大部分的動能，直至跑車停止滑行。

拖鉤式阻車裝置的設計示意圖見圖1.

2 關鍵技術的研究

2.1 后鉤阻車

1) 單鉤阻車分析。

斜巷為15°斜坡，1 000 m長坡道(1/3取330 m長)，平板車型號為MPC56，空車重900 kg,計算時取1 t,裝載量為5 t，最大貨載量即單輛車裝滿時總重為6 t，起點速度為絞車卷筒的最大線速度3 m/s，鋼軌與鋼輪間摩擦因數取0.05；重力加速度取9.8 m/s. 單鉤阻車力矩圖見圖2.

圖2 單鉤阻車力矩圖

由圖2可知，礦車在碰撞前鉤后受到沿斜面向下的沖擊力F，經過試驗得出，碰撞前礦車速度v=37.02 m/s，前鉤位移開始瞬間的速度v'=36.547 5 m/s，并假設碰撞過程所用時間t=0.1 s，由沖量定理可求得前鉤所受沖擊力為：

則：由Ft=Δmv，得：

同時，礦車受到重力G的作用以及軌道對礦車的支撐反力F支，3個力對前輪軸均產生力矩作用，沖擊力F產生向下翻轉的力矩，重力產生沿垂直向下的力矩，F支產生與沖擊力方向相同的力矩。圖2中S1為F對輪軸與拉鉤接觸點的力臂，S2為重力G對接觸點的力臂，S3為F支對接觸點的力矩。此時有如下兩種分析情況：

a) 空車時，實際測得S1和S3，并求得S2和F支：

S1=315 mm

S2=(600-S1×tan 15°)×cos15°=498 mm

S3=1 160 mm

由F支產生的力矩為：MF支=F支·S3=4 733×1 160×10-3=5 490.28 N·m

由G產生的力矩為：MG=G·S2=1 000×9.8×498×10-3=4 880.4 N·m

由計算結果可知，MF+MF支﹥MG，由于支反力和沖擊力的力矩作用，在碰撞瞬間，礦車會發(fā)生翻轉現象，后輪會脫離軌道。嚴重時，礦車會發(fā)生脫軌事故。而當礦車在脫軌的瞬間，支反力為零，不存在支反力的力矩作用。MF﹤MG時，礦車又會在重力矩的作用下，后輪軸重新與軌道接觸。在整個沖擊過程中，礦車隨著碰撞的發(fā)生進行了瞬間脫軌的跳動。

b) 滿載時，將礦車與貨物看作一個整體。由于整體重心向上偏移，造成S1增大，S2減小，因貨物的裝載高度未知，故重心無法求解。但可求得礦車不翻車的臨界條件：

F·S1+F支·S3≤G·S2

28 350×S1+28 398.22×1 160≤

G·(600-S1×tan15°)×cos15°

得S1≤26 mm

即在滿載時，只要貨物與礦車整體重心高度距平板車輪軸低于26 mm，就不會發(fā)生礦車翻轉的事故。顯然實際中此距離不可能小于26 mm，即使在空車時也不可能實現此距離，故滿載時采用單鉤阻前輪軸的方法無法避免翻車現象。因此，采用前輪軸進行阻車時存在嚴重弊端，該方法不可取。

2) 后鉤阻車分析。

圖3 后鉤阻車力矩圖

在對后輪軸的力矩中，沖擊力F與重力G對后輪軸產生的力矩為逆時針，F反支反力對后輪軸產生的力矩為順時針。

可求得：

MF反=F反·S3=4 733×1 080×10-3=

5 111.64 N·m

MF+MG=1 488.375+1 000×9.8×584×

10-3=7 211.575 N·m

由計算結果可知，MF+MG≥MF反，而MF+MG與MF反的力矩差越大，前輪會被越緊的壓在軌道上，幾乎沒有可能發(fā)生礦車翻轉的現象。

求極限條件：MF+MG≤MF反

1 488.375+6 000×9.8×[1 120×cos15°-
(600-S1×tan15°)×cos15°]≤28 398.22×1 080

得

S1≥75 mm

即滿載時，在S1≥75 mm的情況下，礦車不會受到MF+MG≥MF反的力矩差，此時礦車前輪軸僅承受支反力的作用，重力G和沖擊力F對后輪軸產生的力矩均為逆時針，所以永不會發(fā)生翻車現象。

由以上分析可知，在本設計中采用后鉤阻車解決了采用單鉤阻車時存在的問題，是對現有阻車形式的突破。攔網式阻車依靠鋼絲繩的高度，可避免翻車現象，而在大多軌道鋪設形式的阻車器當中，均不能解決翻車問題。在研究當中，其難點在如何實現后鉤動作，本文采用拉桿形式的機械聯動機構，實現了前后拉鉤的聯動。

2.2 脫離系統(tǒng)和導向裝置

1) 脫離系統(tǒng)。

該阻車機構在正常工作時應具有固定位置，以使機構實現常閉工作的目的。當發(fā)生跑車，沖擊力很大時，又需要阻車機構脫離固定，隨礦車一起滑行，因此，在該設計中設置有脫離機構(脫離機構設置在后鉤底座上)，需要一定的沖擊力才能使其脫開。具體機構為用螺柱將后鉤機構上的U形槽與滑板上的螺紋孔相連接，依其擰緊力可調整脫離需要的沖擊力。整體機構由螺柱、螺母、墊圈通過后鉤尾部的U形槽固定在滑板上，滑板固定在地基上。撞擊嚴重時后鉤可通過U形槽脫離滑板。脫離機構U形槽見圖4.

圖4 脫離機構U形槽圖

為使機構能及時脫離滑道系統(tǒng)，使緩沖吸能裝置起到吸收能量的作用，增設有脫離機構：即U形槽的設置。依靠螺柱與螺母將后鉤機構上的U形槽與滑板上的螺紋孔相連，依靠一定的擰緊力將其進行固定。當沖擊力很大時，可瞬間脫開固定，隨礦車下滑，依靠緩沖機構吸收能量，達到逐步減速的目的，同時可減輕機構在碰撞過程中的破壞損失。在傳統(tǒng)的阻車裝置中，阻車器為固定形式的攔截、捕獲，不會發(fā)生位移，與礦車發(fā)生碰撞時進行的是最大程度的破壞，會對礦車造成不可恢復的損傷。脫離機構可使阻車器與礦車共同位移，依靠緩沖器進行緩慢制動，將損傷降至最低。

2) 導向裝置。

阻車機構隨礦車滑行過程中，為保持整體機構能在軌道內順利滑行至礦車停止，因此設有導向裝置。該導向裝置可在滑道內設的滑槽內滾動，由滾動軸承，支撐滾動軸承的軸，螺栓等組成。

阻車機構在滑行時，會發(fā)生傾斜現象。在煤礦井下，大多基礎施工簡單粗糙，當阻車機構在滑行時發(fā)生傾斜現象，極容易發(fā)生卡死情況，為此，本設計中設置有導向裝置，使軸承貼近滑道兩側滑行，采用滾動形式可避免卡死現象。

3 應用效益分析

煤礦斜井液壓傳動拖鉤式阻車器在西山煤電集團馬蘭礦進行了試運行，取得了良好的效果，液壓阻車系統(tǒng)能夠自動進行阻車，有效改善以往阻車器的啟動和制動性能，提高阻車的可靠性，并且減少對礦車和引軌的破壞，結構簡單、運行靈活可靠，自動化程度高易于控制，具有廣泛的實用性。

煤礦斜井液壓傳動拖鉤式阻車器裝置結構簡單，使用方便，維護量小，成本較低，并且減少了人工阻車，實現了自動阻車，既提高了工作效率，又保障了操作的安全可靠性。使用方便快捷，結構簡單，取材方便。從試運行的效果來看，滿足了當前煤礦的需要，在煤礦的運輸系統(tǒng)中，具有一定的借鑒意義，值得推廣。

4 總 結

1) 本文研究設計了一種新型阻車裝置，其采用的后鉤阻車形式是對現有阻車形式的突破，在以往的阻車事故中，發(fā)生跑車時，由于阻車位置不當或其他原因，往往會導致重大傷亡事故。究其根本原因，就是礦車在跑車時容易脫軌，當礦車以很大的速度發(fā)生脫軌時，其損傷力往往會很大。故在本文中，首次應用后鉤阻車形式，可在礦車未脫軌前進行有效的阻截、攔車。

2) 該結構的設計目前還處于研究階段，功能并不完善。與攔網式阻車裝置相比較，其存在阻車位置低、施工要求高、檢修繁瑣等問題，其結構需進一步的完善，并在進行工業(yè)試驗后，對其加以改善。