基于AMESim的礦井罐籠常閉式液壓防墜器系統特性研究

邵瑞影，王洪軍，于曉，葛偉偉

(1.青島黃海學院智能制造學院，山東青島 266555；2.青島萬寶壓縮機有限公司，山東青島 266510)

0 前言

在煤礦綜采運輸生產中，單繩纏繞式提升罐籠是人員升降、材料運輸的重要設備。為滿足礦井安全生產，《煤礦安全章程》對罐籠設備進行嚴格規定，煤礦井下通過單繩罐籠提升工人或工人與物料，必須配備保障安全的防墜器，當鋼絲繩斷裂或者連接裝置損壞時，罐籠可以迅速被制動繩夾緊，處于平穩狀態，避免罐籠掉落礦井，造成重大事故(俗稱蹲罐)[1-2]。為進一步提高此類設備的安全可靠性，設計一種提升罐籠常閉式液壓防墜器，為煤礦安全生產提供可靠保障，具備重要的實際應用價值。

近年來，國內外很多學者針對各式防墜器的設計與研究進行了大量工作。俄羅斯的巴普洛夫通過多次設計、改進和試驗，提出了FS型防墜器，其整體特點是動作靈敏、抓捕可靠，但抓捕后恢復困難，錯誤動作多；撫順煤科研究所設計了一款GS型防墜器，具有質量輕、復位簡單的優點，但是其結構上存在需要進一步研究和改進的問題，如叉桿的閘瓦與軸之間的磨損會導致可靠性降低，需要長期定時更換叉桿和閘瓦；而通過不斷探索與改進，設計出了工作原理簡單、結構輕盈、制動平穩、安全系數較高、使用周期長的BF型防墜器，但它占用了罐籠空間，使提升罐籠的有效高度減少，不適合煤礦深井作業[3]。

本文作者針對現有防墜器可靠性較差、不適合立井距離長的問題，設計一種新型常閉式液壓防墜器，其工作系統原理簡單、制動性能好、抓捕與復位輕巧、便于井下維修。利用AMESim液壓仿真軟件搭建液壓常閉式防墜器系統模型，進行系統特性研究。在性能試驗中，液壓常閉式防墜器的設計滿足提升罐籠的要求，符合安全與可靠性原則，確保防墜器能夠可靠使用。

1 常閉式液壓防墜器系統工作原理

1.1 常閉式液壓防墜器工作原理

圖1所示為常閉式防墜器控制系統結構示意，在鋼絲繩和罐籠上分別安裝PLR2300速度傳感器，當發生蹲罐事故時，兩個傳感器所得到的速度信號會有所不同，將這個信號傳入到STM32F103ZET6控制器核心板，從而控制兩位三通電磁換向閥進行運轉工作，實現液壓控制。

圖1 控制系統結構示意

1.2 常閉式液壓防墜器結構原理

圖2所示為液壓常閉式防墜器工作原理，主要由兩部分構成：一部分為連接罐籠與鋼絲繩的開動式液壓缸機構；另一部分為分別固定罐籠兩側制動繩的執行液壓缸機構。開動式液壓缸為豎向布置，在缸的有桿腔設有活塞拉桿，配有返程彈簧，其兩腔充滿液壓油，鋼絲繩利用楔形繩環與活塞拉桿連接，液壓缸的缸體與提升罐籠連接。兩個執行式制動液壓缸結構相同，兩個執行式制動液壓機構布置在同一軸線上，橫向布置，缸體固定在罐籠側面框架上，執行式制動液壓缸的有桿腔內設有執行活塞桿和返程彈簧，兩腔充滿液壓油，活塞端桿接頭處設計了弧形制動閘瓦片，弧形制動閘瓦片的弧面相對。將制動鋼絲繩包圍，通過回油管將開動式液壓缸的有桿腔與兩個執行式制動液壓缸的有桿腔接通，并在回油路上設置調節閥；出油管將開動式液壓缸的無桿腔與兩個執行式制動液壓缸的無桿腔連接，構成液壓控制回路，實現防墜器功能。

圖2 常閉式液壓防墜器工作原理

為滿足不同載荷能力對制動時間的要求，在弧式制動閘瓦上加入制動間隙調節器，并與調節閥串聯，用來調節開動式制動液壓缸的動作時間和有效工作容積。

1.3 常閉式液壓防墜器液壓回路系統

圖3所示為常閉式液壓防墜器的液壓回路系統原理。在工作過程中，開動式液壓缸借助載荷提升的重力，對液壓缸有桿腔產生油壓，該油壓使執行式制動液壓缸的活塞桿回縮，弧式制動閘瓦片松開，并與鋼絲繩存在一定間隙，保證罐籠可以正常工作。當罐籠發生蹲罐事故時，開動式液壓缸失去提升載荷能力，在盤式彈簧作用下活塞拉桿返程，對無桿腔內的油液產生壓力，推動弧式制動閘瓦夾緊制動鋼絲繩，迅速夾緊下落的罐籠。

圖3 常閉式液壓防墜器液壓回路原理

2 常閉式液壓防墜器主要參數設計

2.1 防墜器制動控制力設計

防墜器工作過程屬于能量轉換過程，即蹲罐產生的動能與制動做功相等。《煤礦防墜器技術設計》MT365—2006中規定在空載下防墜器制動過程中，罐籠的減加速度小于50 m/s2，在重載荷下，罐籠的減加速度大于10 m/s2[4-7]。制動力與制動減加速度的關系為

重載：

(1)

空載：

(2)

式中：jz為重載罐籠制動減加速度，m/s2；jk為空載罐籠制動減加速度，m/s2；Qmax為最大終端載質量，kg；Qk為罐籠質量，kg。

防墜器在進行緩沖器調整時按2Qmax≤F≤6Qmin計算，重載抓捕罐籠時的最小減加速度jz=10 m/s2；罐籠僅乘坐1人(空罐)時，最大減加速度jk≤50 m/s2。最大載質量Qmax計算為

Qmax=Q1+n(Q2+Q3)

(3)

式中：Q1為罐籠質量，kg；Q2為礦車質量，kg；Q3為礦石質量，kg。

2.2 防墜器工作過程中下降距離設計

工作制動距離是由防墜器產生與罐籠運動相反方向的作用力，并利用制動鋼絲繩與閘瓦之間的摩擦力完成制動時，因存在制動時間間隙而產生的距離。防止蹲罐，是防墜器性能試驗的重要評估指標。因此，防墜器制動力主要取決于弧式閘瓦與制動鋼絲繩的摩擦力，其具體要求：弧式閘瓦空動時間小于0.4 s；徑向工作時間小于0.6 s；防墜器產生的工作力矩與實際重載力矩比值應大于3.5。主要參數如表1所示。

表1 主要參數

弧式閘瓦的摩擦力由執行制動液壓缸液壓力與盤式彈簧力共同產生。空載下罐籠降落距離：

(4)

式中：m為總載質量；v為蹲罐時的速度。

3 常閉式液壓防墜器系統仿真研究

3.1 常閉式液壓防墜器模型搭建

根據如圖3所示的液壓系統，在AMESim中搭建常閉式液壓防墜器的主體模型，選擇AMESim元件庫中子元件建立系統子元件模型[8-12]，圖4所示為常閉式液壓防墜器系統仿真模型。采用液壓油為液壓系統內液體，仿真時間設置為10 s、液壓系統運行步長設置為1.0×10-6s，利用混合誤差模式，許用誤差為1.0×10-8s，采用標準積分器模式，根據上述參數劃定具體系數。

圖4 常閉式防墜器主體模型

依照表2對常閉式液壓防墜器液壓系統主要元件進行參數設置。

表2 常閉式液壓防墜器液壓系統主要元件參數設置

圖5所示為兩位三通換向閥輸入信號，根據仿真時間將輸入信號的時間設置為0～10 s，兩位三通換向閥5的信號一直處于通電狀態；兩位三通換向閥8的信號，在前5 s處于通電狀態，后5 s處于斷電狀態。

圖5 兩位三通換向閥輸入信號

3.2 常閉式液壓防墜器系統仿真結果分析

常閉式防墜器執行制動液壓缸速度、位移特性分別如圖6、圖7所示。常閉式防墜器系統流量特性如圖8所示。根據圖5和圖8可知：在0～5 s內，兩個兩位三通換向閥處于通電狀態，其左位進油工作，此時執行制動液壓缸的無桿腔進油，緊急制動時間為0.2 s，活塞桿伸出弧式閘瓦夾緊鋼絲繩，實現緊急工作制動；當t=5 s時，兩位三通換向閥5繼續通電，而換向閥8處于斷電狀態，在彈簧力作用下閥8右位工作，閥11開啟，執行制動液壓缸有桿腔內的油液流經閥11后直接流入油箱，弧式制動閘瓦壓緊鋼絲繩，液壓缸的速度立即降為0。由圖8看出：緊急制動時間為0.3 s，符合《煤炭工業礦井設計規范》中的0.7 s；當t為5.2～10 s時，液壓缸速度為0，處于完全制動狀態。由圖7、圖8可知：流量與速度呈正比關系，當t=5 s時，系統處于緊急制動狀態，流量降為0，符合制動工作原理。

圖6 常閉式防墜器執行制動液壓缸速度特性 圖7 常閉式防墜器執行制動液壓缸位移特性

圖8 常閉式防墜器系統流量特性

4 試驗驗證

針對防墜器樣機，分別在重載和空載下進行脫鉤測試[14]，罐籠在載重的情況下，試驗測量不少于30次，利用試驗對防墜器整體系統參數進行調整，直到滿足各種標椎要求，進行生產。制動缸是該防墜器系統的主要執行元件，關系到系統能否正常運轉。因此應綜合檢測制動缸的壓力、泄漏等是否符合要求；同時，應檢測鋼絲繩有無損壞跡象，以保證設備能夠正常工作。在罐籠處于重載時，鋼絲繩與制動器負荷達到最大計算制動力，測量鋼絲繩與制動缸之間的相對位移以及鋼絲繩、制動缸有無損壞痕跡。

表3所示為罐籠在空載和重載情況下的脫鉤試驗結果。分別得出了空行程距離、罐籠和鋼絲繩的相對距離、鋼絲繩拉出距離、罐籠總體降落高度，結果表明各種結果符合設計標準。

表3 脫鉤試驗結果 單位：mm

5 結論

基于《煤炭安全規程》的規定，對常閉式液壓防墜器系統進行設計與參數計算，并選取合理元件。搭建了常閉式液壓防墜器AMESim模型，進行了仿真分析，結果表明該液壓系統安全可靠。在工廠，利用該防墜器液壓系統進行了試驗，驗證了該設備能夠可靠運轉。