打滑保護(hù)裝置在煤礦架空乘人裝置的應(yīng)用研究

陳林，楊自攀

（湘潭恒欣實(shí)業(yè)股份有限公司，湖南 韶山 411300）

0 引 言

架空乘人裝置是由驅(qū)動(dòng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)從而拖動(dòng)鋼絲繩移動(dòng)，再由鋼絲繩帶動(dòng)吊椅在煤礦井下作業(yè)的專門運(yùn)輸人員的設(shè)備[1]。由于架空乘人裝置的運(yùn)輸距離長(zhǎng)、速度快、效率高、安全性好，是煤礦井下主要的人員運(yùn)輸方式之一。然而，該裝置也存在一些安全隱患，其中最嚴(yán)重的隱患是打滑飛車現(xiàn)象[2]。打滑飛車是指鋼絲繩與驅(qū)動(dòng)輪摩擦力不足，導(dǎo)致鋼絲繩打滑，使乘人車失控，高速下墜或上升，容易造成安全事故[3]。

根據(jù)2016 版《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定：主要運(yùn)輸平巷或傾斜井巷長(zhǎng)度在1.5 km 以上或高差在50 m 以上的，采用機(jī)械方式運(yùn)送人員，以提高煤礦安全生產(chǎn)水平和運(yùn)輸效率[4]。運(yùn)送人員的車輛必須為專用車輛，禁止使用非乘人裝置或混運(yùn)物料。因此，架空乘人裝置作為重要的運(yùn)人設(shè)備，對(duì)其安全性能要求越來(lái)越高。2016 版《煤礦安全規(guī)程》中還規(guī)定：架空乘人裝置必須裝設(shè)超速、打滑、全程急停、防脫繩、變坡點(diǎn)防掉繩、張緊力下降、越位等保護(hù)，安全保護(hù)裝置發(fā)生保護(hù)動(dòng)作后，需人工復(fù)位才能重新啟動(dòng)，并應(yīng)有斷軸保護(hù)措施。驅(qū)動(dòng)裝置的減速器應(yīng)設(shè)置油溫檢測(cè)裝置，油溫異常時(shí)能進(jìn)行報(bào)警[5]。在巷道的整個(gè)線路中需要設(shè)置可延時(shí)啟動(dòng)聲光預(yù)警信號(hào)[6]。各上下人地點(diǎn)應(yīng)設(shè)置信號(hào)通信裝置等。根據(jù)《GB210008-2007地下礦用架空索道安全要求》中規(guī)定：為避免鋼絲繩松弛和驅(qū)動(dòng)輪打滑，鋼絲繩應(yīng)通過(guò)合適的張緊裝置加以張緊[7]。

目前，煤礦井下架空乘人裝置上用于防止打滑飛車的安全保護(hù)裝置較多，但大部分人員對(duì)鋼絲繩打滑的原因和以及打滑系統(tǒng)構(gòu)成等不夠清晰，對(duì)打滑保護(hù)裝置的配置也不夠重視。現(xiàn)有的一些架空乘人裝置上也配置了打滑保護(hù)系統(tǒng)，單打滑保護(hù)系統(tǒng)的可靠性還不夠，因此，對(duì)架空乘人裝置的打滑原因分析以及研制可靠的打滑保護(hù)系統(tǒng)尤為重要。

1 架空乘人裝置打滑的原因及危害分析

1.1 打滑的原因分析

架空乘人裝置造成打滑的原因主要包括以下幾個(gè)方面：

1）當(dāng)架空乘人裝置出現(xiàn)摩擦系數(shù)不足或張緊力不夠時(shí)，鋼絲繩不隨驅(qū)動(dòng)輪運(yùn)轉(zhuǎn)而導(dǎo)致打滑。這是因?yàn)殇摻z繩與驅(qū)動(dòng)輪之間的摩擦力無(wú)法克服鋼絲繩的重力和乘人裝置的載荷，導(dǎo)致鋼絲繩不能傳遞動(dòng)力。為了避免這種情況，應(yīng)該定期檢查鋼絲繩和驅(qū)動(dòng)輪的磨損情況，及時(shí)更換或修理?yè)p壞部件，保持鋼絲繩和驅(qū)動(dòng)輪的清潔和干燥，調(diào)整張緊裝置，使鋼絲繩保持適當(dāng)?shù)膹埦o力。

2）當(dāng)驅(qū)動(dòng)輪輪襯過(guò)度磨損，鋼絲繩直接與驅(qū)動(dòng)輪剛體接觸，降低了鋼絲繩與驅(qū)動(dòng)輪之間的摩擦力，也會(huì)導(dǎo)致打滑[8]。這是因?yàn)轵?qū)動(dòng)輪輪襯是用來(lái)增加鋼絲繩與驅(qū)動(dòng)輪之間的摩擦系數(shù)和緩沖沖擊力的部件，如果過(guò)度磨損或脫落，會(huì)使得鋼絲繩直接與驅(qū)動(dòng)輪剛體接觸，造成打滑現(xiàn)象。為了避免這種情況，應(yīng)該定期檢查驅(qū)動(dòng)輪輪襯的磨損情況，及時(shí)更換或修理?yè)p壞部件。

3）當(dāng)牽引鋼絲繩或驅(qū)動(dòng)輪輪襯上有油污未處理干凈，使鋼絲繩摩擦系數(shù)變小，也會(huì)導(dǎo)致打滑。這是因?yàn)橛臀蹠?huì)降低鋼絲繩與驅(qū)動(dòng)輪之間的摩擦系數(shù)，使得鋼絲繩不能有效地與驅(qū)動(dòng)輪接觸，造成打滑現(xiàn)象[9]。為了避免這種情況，應(yīng)該定期清洗牽引鋼絲繩和驅(qū)動(dòng)輪輪襯，去除油污和雜物，使用合適的清洗劑和工具，防止對(duì)鋼絲繩和驅(qū)動(dòng)輪造成損傷。

4）當(dāng)架空乘人裝置超載運(yùn)行時(shí)，也會(huì)導(dǎo)致打滑。這是因?yàn)槌d運(yùn)行會(huì)增加鋼絲繩的拉力和乘人裝置的載荷，使得鋼絲繩與驅(qū)動(dòng)輪之間的摩擦力無(wú)法平衡，導(dǎo)致打滑現(xiàn)象。為了避免這種情況，應(yīng)該嚴(yán)格控制架空乘人裝置的運(yùn)行速度和載重量，遵守安全規(guī)程，不要超過(guò)設(shè)計(jì)規(guī)定的最大速度和最大載重量。

1.2 打滑的危害分析

架空乘人裝置出現(xiàn)打滑時(shí)存在的危害如下：

1）打滑會(huì)導(dǎo)致鋼絲繩和驅(qū)動(dòng)輪的磨損加劇，降低架空乘人裝置的使用壽命和安全性。由于鋼絲繩和驅(qū)動(dòng)輪之間的摩擦?xí)a(chǎn)生熱量，使得鋼絲繩和驅(qū)動(dòng)輪的溫度升高，影響其材料性能和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。同時(shí)，打滑也會(huì)使得鋼絲繩和驅(qū)動(dòng)輪之間的接觸面積減小，增加其局部應(yīng)力，加速其磨損程度。

2）打滑會(huì)導(dǎo)致架空乘人裝置的運(yùn)行速度不穩(wěn)定，影響運(yùn)輸效率和舒適性。打滑會(huì)使得鋼絲繩的張力波動(dòng)，導(dǎo)致架空乘人裝置的運(yùn)行速度出現(xiàn)突然加速或減速的情況，影響運(yùn)輸效率和舒適性。同時(shí)，打滑也會(huì)使得架空乘人裝置的運(yùn)行噪音增大，影響環(huán)境質(zhì)量和心理健康。

3）打滑會(huì)導(dǎo)致架空乘人裝置的制動(dòng)能力下降，增加飛車的風(fēng)險(xiǎn)，危及人員的生命安全,打滑會(huì)使得驅(qū)動(dòng)輪與鋼絲繩之間的摩擦力減小，導(dǎo)致制動(dòng)器不能有效地將制動(dòng)力傳遞給鋼絲繩，影響架空乘人裝置的制動(dòng)能力下降，增加飛車的風(fēng)險(xiǎn)，危及人員的生命安全[10]。

4）打滑會(huì)使得驅(qū)動(dòng)輪與鋼絲繩之間的摩擦力減小，導(dǎo)致制動(dòng)器不能有效地將制動(dòng)力傳遞給鋼絲繩，影響架空乘人裝置的制動(dòng)性能。如果遇到緊急情況，如電源故障、鋼絲繩斷裂、乘人車脫鉤等，架空乘人裝置可能無(wú)法及時(shí)停止，造成乘人車失控，發(fā)生飛車事故，造成人員傷亡和設(shè)備損壞。

1.3 防止打滑的防范措施

防止打滑的防范措施主要包括以下幾個(gè)方面：

1）在設(shè)計(jì)階段，根據(jù)運(yùn)輸距離、運(yùn)輸人數(shù)、運(yùn)行速度等因素，合理確定驅(qū)動(dòng)輪的規(guī)格、數(shù)量、位置和圍包角，保證驅(qū)動(dòng)輪與鋼絲繩之間有足夠的摩擦系數(shù)和傳動(dòng)效率。同時(shí)，選擇質(zhì)量合格的鋼絲繩和驅(qū)動(dòng)輪，保證其材料性能和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。

2）在安裝階段，按照規(guī)范要求，正確安裝驅(qū)動(dòng)輪、鋼絲繩、制動(dòng)器、傳感器等部件，保證其位置準(zhǔn)確、連接牢固、調(diào)整適當(dāng)。同時(shí)，進(jìn)行必要的試運(yùn)行和檢測(cè)，確保架空乘人裝置的運(yùn)行穩(wěn)定和安全。

3）在使用階段，定期對(duì)架空乘人裝置進(jìn)行檢查、維護(hù)、更換等工作，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并排除故障。在安裝過(guò)程中前后的吊椅之間的間距需要進(jìn)行設(shè)定，盡量保持一致，避免因吊椅間距過(guò)大或過(guò)小造成打滑或飛車。同時(shí)，遵守操作規(guī)程，控制運(yùn)行速度和載荷，避免過(guò)載或急停等情況。此外，安裝必要的安全保護(hù)裝置和信號(hào)報(bào)警裝置，以便在發(fā)生異常情況時(shí)及時(shí)采取應(yīng)急措施。

4）當(dāng)架空乘人裝置發(fā)生打滑而不能使設(shè)備及時(shí)報(bào)警停車，此時(shí)，牽引鋼絲繩在負(fù)載的作用下速度會(huì)越來(lái)越快，或者牽引鋼絲繩反轉(zhuǎn)的現(xiàn)象（當(dāng)上山側(cè)坐滿人時(shí)），嚴(yán)重時(shí)可能會(huì)引起飛車事故，一旦出現(xiàn)此事故，則沿線的乘人悉數(shù)跌落在地面或甩到鋼絲繩上，后果不堪設(shè)想。

要消除上述安全隱患，一種可靠的方式是在鋼絲繩打滑時(shí)進(jìn)行有效的檢測(cè)報(bào)警；因此在架空乘人裝置驅(qū)動(dòng)、牽引部位進(jìn)行打滑檢測(cè)和設(shè)置保護(hù)裝置，可以實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音報(bào)警、顯示故障報(bào)警、停車閉鎖功能，從而更好地確保猴車的安全運(yùn)行，對(duì)提高煤礦的整體安全生產(chǎn)具有重要意義。

2 打滑保護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2.1 打滑保護(hù)系統(tǒng)的構(gòu)成

打滑保護(hù)系統(tǒng)安裝在架空乘人裝置的機(jī)頭位置，其包括2 個(gè)測(cè)速輪，分別用于測(cè)量鋼絲繩和驅(qū)動(dòng)輪的速度，如圖1 所示。在鋼絲繩的下方安裝一個(gè)帶凹槽的滾輪，鋼絲繩在凹槽內(nèi)運(yùn)行，運(yùn)行時(shí)可帶動(dòng)滾輪運(yùn)行，在該滾輪的支架上設(shè)置有鋼絲繩速度檢測(cè)裝置；另外，在驅(qū)動(dòng)輪的外沿上也安裝一個(gè)滾輪，該滾輪通過(guò)彈簧壓設(shè)在驅(qū)動(dòng)輪上隨驅(qū)動(dòng)輪一起運(yùn)動(dòng)，在該滾輪的支架上設(shè)置有驅(qū)動(dòng)輪速度檢測(cè)裝置。

圖1 打滑保護(hù)裝置的安裝示意圖

按正常情況，驅(qū)動(dòng)輪依靠摩擦力帶動(dòng)鋼絲繩運(yùn)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)輪的線速度與鋼絲繩的速度相同，出現(xiàn)打滑時(shí)，架空乘人裝置的驅(qū)動(dòng)輪速度會(huì)大于鋼絲繩的速度[11]。這是因?yàn)榇蚧瑫?huì)使得驅(qū)動(dòng)輪與鋼絲繩之間的摩擦力減小，導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)輪不能將其轉(zhuǎn)速完全傳遞給鋼絲繩，造成兩者之間的速度差。如果打滑持續(xù)發(fā)生，架空乘人裝置的運(yùn)行速度會(huì)降低，甚至停止。

為了檢測(cè)和防止打滑現(xiàn)象，通過(guò)在架空乘人裝置的驅(qū)動(dòng)輪處和出入繩處安裝速度檢測(cè)裝置，分別檢測(cè)牽引鋼絲繩和驅(qū)動(dòng)輪的速度并進(jìn)行比較，當(dāng)兩者速度相差一定值時(shí)，觸發(fā)報(bào)警信號(hào)，并自動(dòng)停車或減速。這樣可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)打滑問(wèn)題，并采取相應(yīng)的措施，保證架空乘人裝置的安全運(yùn)行。

2.2 打滑保護(hù)裝置的硬件設(shè)計(jì)

通過(guò)分析當(dāng)鋼絲繩打滑時(shí)出現(xiàn)的鋼絲繩與驅(qū)動(dòng)輪速度不一致的情況，確定了以下設(shè)計(jì)方案：打滑保護(hù)裝置主要由傳感器采集部分、架空乘人裝置電控系統(tǒng)、穩(wěn)壓電源箱組成。傳感器采集部分有2 個(gè)霍爾轉(zhuǎn)速傳感器，將裝有一定數(shù)量磁鋼的特制托輪靠近運(yùn)動(dòng)物體摩擦使托輪轉(zhuǎn)速與被測(cè)物體保持同步速度，然后通過(guò)霍爾轉(zhuǎn)速傳感器感應(yīng)托輪上按設(shè)計(jì)安裝的磁鋼的轉(zhuǎn)動(dòng)速度，最終由電控裝置收集并且通過(guò)一系列算法得出被檢測(cè)物體的運(yùn)行速度，當(dāng)兩者的速度差達(dá)到設(shè)定值時(shí)則判斷為鋼絲繩出現(xiàn)打滑，此時(shí)電控裝置通過(guò)短時(shí)間持續(xù)檢測(cè)排除可能出現(xiàn)的誤動(dòng)作后將會(huì)控制架空乘人裝置保護(hù)停車，同時(shí)電控裝置操作臺(tái)輸出語(yǔ)音報(bào)警“請(qǐng)注意，打滑保護(hù)”，操作臺(tái)觸摸屏顯示故障信息，此時(shí)需由操作人員排除故障后進(jìn)行手動(dòng)復(fù)位才允許繼續(xù)啟動(dòng)設(shè)備，打滑保護(hù)裝置硬件設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)框圖如圖2 所示。

圖2 打滑保護(hù)裝置硬件設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)框圖

為方便配接不同廠家的電控系統(tǒng)，我們?cè)O(shè)計(jì)了可以單獨(dú)使用的打滑保護(hù)裝置，其信號(hào)接口為無(wú)源信號(hào)和電平信號(hào)，故能適用于大多數(shù)電控系統(tǒng)。這種打滑保護(hù)裝置只需檢測(cè)電控系統(tǒng)的運(yùn)行信號(hào)，由聲光報(bào)警器采集2 個(gè)轉(zhuǎn)速傳感器的信號(hào)并進(jìn)行運(yùn)算比較，當(dāng)發(fā)生打滑保護(hù)時(shí)輸出故障停車信號(hào)給電控系統(tǒng)，同時(shí)聲光報(bào)警器聲光提醒“請(qǐng)注意，打滑保護(hù)”。打滑裝置的聲光報(bào)警器采集轉(zhuǎn)速傳感器的信號(hào)的結(jié)構(gòu)框圖如圖3 所示。

圖3 聲光報(bào)警器采集轉(zhuǎn)速傳感器的信號(hào)的結(jié)構(gòu)框圖

2.3 打滑保護(hù)裝置的軟件設(shè)計(jì)

在打滑保護(hù)裝置中，穩(wěn)定可靠的硬件和程序算法是保證打滑保護(hù)能長(zhǎng)期有效運(yùn)行的關(guān)鍵，我們選用西門子PLC 作為整個(gè)架空乘人裝置電控系統(tǒng)的核心，在PLC 程序中分別檢測(cè)單位時(shí)間內(nèi)2 個(gè)轉(zhuǎn)速傳感器的脈沖信號(hào)得出頻率值F，已知測(cè)速托輪周長(zhǎng)為L(zhǎng)，托輪上均勻分布磁鋼數(shù)量N，對(duì)應(yīng)每個(gè)磁鋼一個(gè)脈沖信號(hào)，計(jì)算速度的公式如下：

其中：S為速度，m/s；F為頻率值，Hz；L為測(cè)速托輪周長(zhǎng)，m；N為磁鋼數(shù)量。

再通過(guò)濾波算法，差值比較，和誤動(dòng)作排除算法實(shí)現(xiàn)鋼絲繩是否打滑的判斷。見圖4。

圖4 判斷鋼絲繩是否打滑的PLC 程序

當(dāng)電控系統(tǒng)出現(xiàn)打滑保護(hù)，架空乘人裝置保護(hù)停車，同時(shí)電控系統(tǒng)語(yǔ)音報(bào)警“請(qǐng)注意，打滑保護(hù)”，系統(tǒng)中人機(jī)界面的故障界面顯示“驅(qū)動(dòng)輪打滑，請(qǐng)檢查”，等待人工排查復(fù)位故障。

對(duì)原有的架空乘人裝置進(jìn)行升級(jí)改造則使用聲光報(bào)警器代替電控系統(tǒng)，聲光報(bào)警器采用Cortex-M3內(nèi)核的32 位嵌入式微處理器STM32F103 作為控制核心，128X32 點(diǎn)陣作為顯示界面，8Ω10W 喇叭提供語(yǔ)音報(bào)警，2 個(gè)霍爾轉(zhuǎn)速傳感器輸出的脈沖信號(hào)，進(jìn)入控制核心模塊來(lái)進(jìn)行速度計(jì)算，由控制核心模塊經(jīng)過(guò)一系列運(yùn)算處理后進(jìn)行打滑保護(hù)判斷、聲光報(bào)警、輸出故障停車信號(hào)，達(dá)到打滑保護(hù)停車的目的，此種設(shè)計(jì)方案的打滑保護(hù)裝置正常運(yùn)行時(shí)由128X32 點(diǎn)陣實(shí)時(shí)顯示驅(qū)動(dòng)輪和鋼絲繩速度。

當(dāng)裝置判斷為打滑保護(hù)時(shí)向架空乘人裝置輸出保護(hù)停車信號(hào)，并同時(shí)顯示和語(yǔ)音報(bào)警“請(qǐng)注意，打滑保護(hù)”，由維護(hù)人員進(jìn)行故障排除后再次啟動(dòng)設(shè)備。適用于原有架空乘人裝置改造升級(jí)的打滑保護(hù)裝置工作流程。架空乘人裝置改造升級(jí)的打滑保護(hù)裝置的框圖如圖5 所示。

圖5 架空乘人裝置改造升級(jí)的打滑保護(hù)裝置的框圖

3 結(jié) 論

本文介紹了架空人員裝置安全要求以及保護(hù)裝置對(duì)其的重要性，然后分析了架空乘人裝置打滑的原因和危害，并提出了防止打滑的措施。文章詳細(xì)介紹了打滑保護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，包括系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)。這些設(shè)計(jì)方案旨在通過(guò)檢測(cè)和防止打滑現(xiàn)象，保證架空乘人裝置的安全運(yùn)行。本文提供的打滑保護(hù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠，容易安裝，對(duì)各種架空乘人裝置均適用，目前該裝置已經(jīng)投入使用，并取得了很好的效果。

通過(guò)將打滑保護(hù)裝置應(yīng)用在架空乘人裝置上，可使礦山的工作人員可在第一時(shí)間內(nèi)獲得設(shè)備的運(yùn)行速度情況，可提高對(duì)架空乘人裝置的安全管理，是實(shí)現(xiàn)安全煤礦、煤礦智能化建設(shè)一種可靠防護(hù)。