斜井軌道跑車柔性戧杠式阻車器的設計

賈 瑞

0 引言

我國作為煤炭資源儲量非常豐富的大國，煤炭儲量在已探明的化石能源總量中約占94%。然而，隨著煤炭工業的發展，煤礦運輸事故造成的傷亡人數常年位于煤礦事故的前列，因此研究煤礦運輸事故發生的原因對預防煤礦事故的發生具有重要意義【1】。斜井運輸是礦井生產的重要組成部分，斜井運輸環境條件復雜，線長面廣且環節多導致斜井運輸是煤礦事故易發、多發之處，斜井運輸事故的發生輕者損壞設備，重者造成人員傷亡。

根據《煤礦安全規程》第八章第三百七十條規定：在礦井輔助運輸過程中，為了減小或避免斜井跑車事故的危害，在斜井運輸線路上必須設置跑車防護裝置【2】。防止跑車事故的發生是保障斜井運輸安全的一個重要研究課題【3】。目前，國內煤礦企業中使用的阻車器多種多樣。有一種稱為戧杠式的阻車器，它安裝在巷道頂部，通常為常閉狀態。當礦車正常通過時，戧杠升起；礦車通過后戧杠降落下來。當發生跑車事故時，礦車與戧杠相碰撞達到阻車目的。此種阻車器存在以下幾個問題：

①礦車與戧杠的碰撞為剛性撞擊；

②礦車與戧杠在剛性碰撞時可能會發生翻車；

③由于礦車與戧杠的碰撞為剛性撞擊，沖擊力過大時會造成戧杠的損壞甚至起不到阻車目的。

為了解決剛性碰撞的問題，我們提出了“柔性”的概念。所謂柔性，就是在兩個物體相互碰撞時，存在著一種緩沖裝置或者是吸能裝置，通過吸收一部分能量或大部分能量而使兩個物體以盡可能小的速度相互碰撞，使其沖量減小的一種思想方法。故此，本方案采用彈簧導桿緩沖裝置和滑行裝置來實現礦車和戧杠的柔性碰撞。目的是解決剛性碰撞的問題，并且能夠達到柔性阻車的目的。斜井軌道跑車柔性戧杠式阻車器針對斜井跑車事故，在分析現有斜井跑車裝置的不完善之處后提出新的設計方案，提出了一種更加有效攔截跑車和降低修復成本的煤礦斜井防跑車裝置-斜井軌道跑車柔性戧杠式阻車器，以期改善或杜絕斜井跑車事故的發生。

1 柔性戧杠式阻車器設計

1.1 設計原理

針對目前防跑車存在的問題，對阻車器提出“前鉤發出信號，后鉤拉住車軸”方案解決。后鉤阻車裝置提出的設計思路是拉鉤捕捉輪軸的方式，應考慮礦車翻滾問題，假設發生跑車事故時，拉鉤捕捉到礦車前輪軸，采用前輪軸進行阻車時，在沖擊力很大的情況下，礦車極有可能繞前輪軸向前翻滾，發生翻滾事故。采用后鉤拉住車輪軸的方式，可避免這一現象，當礦車與阻車裝置相撞時，前鉤在第一時間與礦車前輪軸相撞，但并不起阻車作用，輪軸帶動前鉤一起向前滑動，從而帶動后鉤翻起，此時后鉤起阻車作用。后鉤附屬連帶緩沖機構，該附屬機構可在沖擊力很大的情況下，可有效地將礦車與戧杠的剛性碰撞改為柔性撞擊，降低了礦車與戧杠在剛性碰撞時可能翻車幾率。由于礦車與戧杠的碰撞為柔性撞擊，可以在發生跑車事故沖擊力過大時保護戧杠減少損壞，同時有效阻車。

1.2 柔性戧杠式阻車器結構設計

（1）柔性戧杠式阻車器的戧杠擋板及端部拉鉤

戧杠端部拉鉤采用20MnSi鋼，成分見表1。

戧杠端部拉鉤結構如圖1所示：拉鉤底部連接緩沖裝置，上部與戧杠連接。

圖1 戧杠端部拉鉤示意

（2）戧杠與地面的固定通過液壓缸來實現。液壓缸的選擇如圖2所示。與其相關的技術參數為：缸徑50 mm、活塞桿直徑28 mm、速比系數為1.46、推力31 420 N、拉力21 560 N、額定壓力16 MP、最大行程500 mm、實際行程330 mm。

圖2 液壓缸示意

（3）戧杠與彈簧導桿緩沖系統的連接采用彈簧導桿裝置、滑道滑行裝置和摩擦吸能裝置。如圖3、4、5所示。

圖3 彈簧導桿裝置

圖4 滑道滑行裝置

圖5 摩擦吸能裝置

（4）戧杠與液壓系統的連接

戧杠與液壓缸連接后，通過電磁閥與液壓系統相連接。

（5）阻車器示意圖如圖6所示

圖6 阻車器

圖6為該防跑車裝置的主要機械結構。

1.3 機構工作原理

上下山時，擋車裝置、阻車器必須為常閉狀態，戧杠開始一直處于阻車狀態，即升起狀態。柔性戧杠式阻車器的工作起始位置，戧杠為阻車狀態圖7所示。

圖7 戧杠阻車狀態

當礦車需要正常通行時，按照規定液壓系統開始工作，控制戧杠下落，方使得礦車平穩通過。當運行礦車安全通過后，液壓系統使戧杠升起到原來阻車位置。礦車正常通過時如圖8所示。

圖8 戧杠位于降落位置

當發生跑車事故時，通常礦車的速度遠大于礦車正常行駛的速度，會發生猛烈的撞擊。通過控制液壓系統使活塞桿處于自由伸縮狀態，在彈簧導桿緩沖裝置和滑道滑行裝置的共同作用下，礦車和戧杠發生柔性碰撞，進行吸能式緩沖和柔性減速【4】，通過能量的轉化達到阻車目的。

若在彈簧導桿緩沖裝置和滑道滑行裝置的共同作用下，礦車和戧杠柔性碰撞后速度雖然減小但還會繼續滑行，此時戧杠端部的拉鉤將會與礦車輪軸相碰，起到阻車作用，阻車破壞性也相對較小。由于碰撞時礦車速度已比與戧杠碰撞時小很多，因此可看成為柔性碰撞。

若礦車和戧杠柔性碰撞后速度足夠大，則拉鉤將脫離戧杠，此時拉鉤后面連接另一個緩沖吸能裝置，當發生跑車事故使拉鉤與戧杠脫離時依靠此裝置將達到最終柔性阻車的目的。

柔性碰撞成為了柔性戧杠式阻車器設計的靈魂之處，該設計在實驗室進行模擬試驗后，在同煤集團燕子山礦1 400 水平大巷通往層303 斜井進行工業性試驗。經過多次試驗運行，機構動作靈敏可靠，滿足設計要求。總體上，使用效果良好。柔性設計對于井下設施、礦車以及阻車裝置都有很好的保護效果。其主動防護的方式為斜井運輸安全提供了較為可靠的保障。斜井軌道跑車綜合防護系統在燕子山礦的成功應用，不僅消除了人為的操作失誤和跑車事故，還大大減少了員工的勞動強度，為本礦提高技術水平，改造傳統安全裝置，創造良好的經濟效益。而且，還為煤礦井下安全生產、提高工作效率創造了條件，帶動了煤礦技術進步與發展，具有極高的推廣價值。

2 設計特點

斜井軌道跑車柔性戧杠式阻車器始終保持阻車狀態，而現在大多數煤礦使用的阻車器系統大部分是在礦車正上方安裝阻車系統，日常當礦車安全通過時它是平的，只有發生發生跑車事故時，才會由人工下擺阻車，很容易人工操作失誤或者忘記操作而造成事故。該設計很好克服了這一點。斜井軌道跑車柔性戧杠式阻車器避免斜井軌道運輸中因跑車事故帶來人員和設備的傷亡和損毀，及時消除安全隱患，極大地提高運輸的安全性，當出現跑車事故將最大限度的保護設備，又可使被攔截的礦車不受損害；且沿線所敷設的電纜、管線等設施均可免遭損壞。主要起耗能作用，用來消耗礦車跑車中的沖擊能量，來達到阻車作用。

3 結語

在煤礦斜井軌道運輸過程中，斜井軌道跑車柔性戧杠式阻車器既能滿足巷道的通過要求，又能實現發生跑車事故時擋車的作用，并且是柔性擋車裝置，可有效緩沖發生事故時強大的沖擊力，減少了對礦車和擋車裝置的破壞。該斜井軌道跑車柔性戧杠式阻車器裝置結構簡單，便于安裝和維修，可靠性強，能夠極大地提高斜井軌道運輸的安全性。綜上所述，斜井軌道跑車柔性戧杠式阻車器的使用是保證井下工作安全、降低人身財產損失的有效措施。所創造的安全效益和社會效益將是無限的，故在煤礦具有較好的推廣應用價值，將會給煤礦斜井軌道運輸帶來較好的經濟效益和社會效益。