無軌膠輪車失速保護安全設施的研究現狀與設置

牛寶玉

(中煤邯鄲設計工程有限責任公司，河北 邯鄲 056031)

伴隨著安全高效無軌膠輪車輔助運輸方式的推廣應用，無軌膠輪車運行的斜井井筒長度也越來越長，無軌膠輪車運輸事故時有發生。為提高無軌膠輪車運輸的安全性，新的《煤礦安全規程》第三百九十二條規定無軌膠輪車在長坡道巷道內運輸時，應采取車輛失速安全措施。

近年來，國內相關機構對無軌膠輪車失速保護安全設施進行了研究，有些研究成果已進入實際應用，有些成果尚待實踐檢驗。本文總結分析了這些研究成果，并基于對車輛失速后速度變化的分析研究，提出了安全設施的設置方法。

1 車輛發生失速的原因

對于具有煤安標志的防爆無軌膠輪車，車輛運行過程中發生失速的原因有：

1) 車輛在長大坡度斜井或斜巷上以正常速度下行行駛過程中，為了保證一定的安全速度，需要不間斷地使用車輛制動系統剎車，頻繁的剎車制動將使車輛的剎車部件溫度急劇升高，當剎車轂溫度達到一定值后，剎車就將失效，隨之車輛失去速度控制。

2) 車輛日常檢修、維修保養不及時、不到位，車輛制動系統存在隱患，車輛運行過程中制動系統失靈、失效失去速度控制。

3) 操作不當、操作失誤引起車輛失去速度控制。

第一種情況可以根據傾斜巷道的坡度、行駛速度和車輛載重量，控制連續行駛的斜巷長度、設置緩坡路段、采用濕式制動器等，將制動剎車部件的溫度控制在衰退溫度以下予以避免發生車輛失速。第二、三種情況，通過加強車輛檢修、維修保養制度的建立和嚴格執行，以及對駕駛員進行專業培訓、持證上崗等，來預防車輛發生失速。受人、車、環境的綜合影響，運輸車輛發生失速的隱患總是存在的，這就要采取車輛失速保護安全設施，對失速車輛和司乘人員進行保護。

2 車輛失速速度

車輛失速速度是車輛失速保護安全設施設計、設置的重要參數，因此對車輛失速后速度的變化進行研究是十分必要的。按照理論速度計算模型，將車輛傳動阻力和正常路面滾動摩擦阻力和巷道風流速度均按沒有進行處理，車輛失速速度可簡化按下式計算：

(1)

式中：V為車輛失速后的瞬時速度，m/s；V0為車輛失速時的速度，m/s；L為車輛失速下行的距離，m；g為重力加速度，取9.81 m/s2；α為巷道傾角，(°)。

表1為巷道傾角6°時，失速車輛速度與失速下行距離的關系。

由表1可以看出：

表1 失速車輛速度與下行距離(巷道傾角6°)

1) 車輛失速速度隨下行距離增加而快速提高，失速下行約400 m時，車輛速度即可達到100 km/h；

2) 同一失速下行距離，車輛失速時的初速度對失速速度幾乎沒有影響。

3 失速保護安全設施研究現狀

無軌膠輪車失速保護安全設施的研究，主要在對失速車輛進行阻攔和避險兩個方面開展，并且兩個方面的車輛失速安全保護設施在一些礦井進行了推廣使用或試驗。

3.1 阻攔系統

國內傾斜井巷串車提升運輸系統中，廣泛采用在車場、變坡點等處設置阻車器預防發生串車跑車；在變坡點下方、巷道中間間隔一定距離設置阻攔裝置對發生跑車的車輛進行阻攔，避免跑車事故進一步擴大，這方面的技術和裝備已經比較成熟，實際使用中也取得了良好的效果。

無軌膠輪車運輸與軌道串車提升不同，無軌膠輪車是有人駕駛或有司乘人員的車輛，因此要求阻攔系統裝置一定要具有柔性，以最大程度保護司乘人員的安全。雖然軌道提升運輸的防跑車阻攔裝置種類較多，但因都屬于剛性碰撞類型，因而不適用于無軌膠輪車失速安全保護。

目前國內無軌膠輪車失速保護阻欄方面的研究分為柔性阻車器和阻攔系統。

1) 柔性阻車器系統[1-2]。該系統主要由阻車器、車速監測系統、車載遙控、控制系統組成。設置在巷道內的測速雷達監測巷道內運行無軌膠輪車的速度，一旦發現車輛失速，失速的相關信息傳遞到車輛上的接受裝置，車載的遙控系統發出控制信號，安裝在斜巷(斜井)內倒車硐室或巷道幫部的執行機構推動阻車器至巷道內，失速車輛車輪首先與阻車泡沫發生彈性碰撞，繼而失速車輛碾壓住阻車泡沫后與地面產生摩擦阻力，起到剎車作用，迫使車輛減速停車。阻車器采用梯形的聚氨酯泡沫材料和支撐材料制成。根據現場模擬試驗，阻車泡沫動作到位時間為3.5～4 s，車輛阻停距離在10～12 m，試驗表明阻車系統能夠起到緩沖和阻停事故車輛的效果。

2) 阻攔系統。①阻攔網阻攔系統[3]：該系統由液壓吸能裝置、機械傳動裝置、柔性阻攔網、張網系統、地錨系統和控制系統等組成。當車輛發生失速進入測速區域，電氣系統給張網執行機構發出信號，阻攔網迅速彈起，失速車輛運動到柔性阻攔網設置位置時，車頭部分被阻攔網包絡，并下行一段距離。下行過程中，在阻攔系統的鋼絲繩和吸能器提供的阻攔力作用下，失速車輛被阻欄減速停車。柔性阻攔網選用迪尼瑪(Dyneema)材料制作，迪尼瑪是一種超強聚乙烯纖維織帶，具有很高的強度。②阻攔索系統[4-6]：系統包括車載設備和巷道內設備兩部分。車載設備包括車輛尾鉤釋放裝置、尾鉤、車載傳感器、車載無線基站和本安電源；巷道內設備包括阻攔索-吸能器系統、控制裝置、本安型無線基站和報警顯示屏。膠輪車正常速度行駛時，阻攔索在巷道底板以下，不影響車輛正常通行，當車輛發生失速后，車輛上的速度監測裝置向巷道內的無線基站發出信號，阻攔裝置接收到信號后，阻攔索升起，當車輛行駛到阻攔裝置時，車輛尾鉤勾住阻攔索，在阻攔索吸能器的作用下，車輛減速下行一段距離后，失速車輛被平穩的欄停。

3.2 避險系統[7-11]

避險系統是通過設置成上坡的車道和較大阻力系數制動床，依靠勢能和摩擦阻力做功來消去失速車輛動能達到減速停車的目的。避險車道由引道和強制減速段(制動床)構成，其中引道主要功能是引導失控車輛安全駛入強制減速段的車道，從避免失速車輛側翻和圍巖條件等考慮，引道與主道的夾角建議取10～12°。引道長度一般根據布置確定；強制減速段采用上坡布置，鋪設一定厚度散粒集料，目的是使失控車輛盡快停車，車輛減速停車后不倒溜。避險車道傾角建議取8～12°；避險車道的結構參照《公路工程技術標準》。

避險車道強制減速段長度按下式計算確定：

(2)

式中：Lb為避險車道長度，m；V為駛入速度(失速車輛駛入避險車道的速度)，m/s；β為避險車道傾角，(°)；fz為避險車道散粒材料的阻尼系數，對2.36～4.75 cm粒徑的豆礫石取0.25[12]；g為重力加速度，m/s2。

表2為正常運行速度20 m/h時，駛入速度與避險車道強制減速段長度的關系。由表2可知，其長度一般要大于井下自然擴散通風允許的6 m距離，需要設立專用的通風巷道或鉆孔通風。

表2 駛入速度與避險車道強制減速段長度關系

4 失速安全保護系統比較分析

從上述幾種車輛失速保護裝置的工作原理看，阻車器系統的阻車時間短，動能釋放快，對車輛和人員的沖擊比較大。如果阻攔的失速速度高，需要阻車泡沫的體積就越大，故適用于較低失速速度車輛的保護。由于車輛發生失速的時間、地點的不確定，故相同長度的巷道內需要布置的個數較多；另外阻車泡沫材料是一次性的，不能重復使用。

阻攔網阻攔系統和阻攔索系統均為失速車輛提供了緩停時間，即失速車輛在阻攔系統發生作用后，阻攔裝置的吸能器通過鋼絲繩或阻攔索對失速車輛持續提供了一個反向作用力，失速車輛有一個減速停車的過程，減速度也可進行調節，因此可以最大程度保護車輛和人員安全，可以對較大失速速度的車輛進行有效的阻攔，巷道設置道數可以減少，并且可以重復使用。

阻車器系統和阻攔網系統均獨立于運輸車輛，不需對運輸車輛進行改造，而阻攔索系統則需要對現有運輸車輛進行改造或選用帶有阻攔尾鉤的車輛。

根據地面道路避險車道的實際使用情況，避險車道能夠到對失速車輛起到安全保護作用，避免了失速車輛發生車輛損毀和人員傷亡的重大事故，可以為失速車輛提供有效的避險場所，并且可以重復使用。但避險車道的工程較大，投資較高。在煤礦設置避險車道時，其長度一般要超過6 m，不能擴散通風，還需要另外布置通風聯絡巷。

5 失速安全保護設施的設置

5.1 設置位置

車輛失速保護是針對車輛在運行過程中發生的隨機性、偶然性失速，因此車輛發生失速的時間和地點都是不確定的、難以預測的，因此只能根據失速保護設置的性能或預設的失速保護速度等在巷道內分段設置失速保護安全設施。阻攔系統一般設置在巷道的直線段，避險系統要在巷道的拐彎處和直線段分段設置避險車道。

5.2 設置間距

1) 阻欄系統。盡管阻車器、阻攔系統阻止失速車輛運動的方式不同，但都是通過采用吸能裝置吸納失速車輛的動能，達到阻止失速車輛繼續下行的目的，故可以根據阻攔裝置阻攔能量(吸能量)按下式計算確定設置的間距。

(3)

(4)

式中：L為設置的間距(最大的失速下行距離)，m；E為安全保護裝置的吸能量，J；E0為車輛失速時的動能，J；V0為車輛正常行駛速度，m/s；m為車輛質量，kg；g為重力加速度，取9.81 m/s2；α為巷道傾角，(°)；f為路面阻力系數。

為了提高阻攔的可靠性，在每個阻攔地點應布置兩道阻攔裝置，間隔50 m，保證第一道阻攔失敗后，第二道能夠發揮作用。

2) 避險系統。避險車道的設置間距應根據巷道傾角、駛入速度(失速車輛駛入避險車道速度)的設定值和避險車道總工程量等合理確定。結合地面運輸中失速車輛安全駛入避險車道速度的統計資料，從失速車輛能夠安全進入避險車道避險、司乘人員的心理狀態以及避險車道總工程量等考慮，失速車輛駛入避險車道的速度建議不超過120 m/h，按此速度依公式(3)計算的設置間距約在500 m。

6 其他輔助安全設施

1) 失速保護安全設施位置標識。在失速保護安全設施位置的前方分段設置距離安全設施距離的醒目標識，一方面可以最大程度地穩定駕駛員心理情緒，另一方面可以提醒和引導駕駛員駕駛失速車輛安全進入安全設施。

2) 通訊、信號裝置。無軌膠輪車上設置通訊、失速報警信號裝置；彎道前后設置警示信號設備；巷道內設置車輛失速報警信號裝置等。

3) 防撞緩沖裝置。在巷道的交叉點、拐彎處、避險車道入口處的巷壁設置防撞緩沖裝置。

7 結 語

目前，具備條件的大型礦井使用無軌膠輪車運輸越來越多，無軌膠輪車失速故障也在所難免。在實際應用中，只有科學地設置失速保護安全設施，才能使車輛失速保護安全設施為礦井無軌膠輪車運輸車輛和司乘人員提供可靠的失速保護。