新型气动单向阻车器的设计与研究

位于济宁市微山县的山东能源枣庄矿业（集团）公司高庄煤矿和中国矿业大学、河北工程大学、北京航空航天大学针对煤矿井下斜巷上平车场防跑车装置存在的缺陷，设计新型气动单向阻车器，使上平车场处于单向常闭状态，上行车时顺利通过、下行车时自动阻车。 正常下行车时必须按下气阀，气动打开阻车器，车体驶过后松开气阀，气缸自动复位，阻车器在回复力（重力）的作用下迅速恢复常闭状态；上行车时车底部压下阻车臂，矿车顺利通过，车体驶过后恢复常闭；发生溜车时自动阻车。

⑴阻车器现状及存在的问题

各种矿用车辆是煤矿井下所需材料、物料的主要运输工具。由于井下运输轨道受巷道底板限制，在车辆运输及装卸过程中需要使用阻车器以阻车和稳车， 否则斜巷运输极易发生跑车事故。阻车器在很大程度上决定运输安全的可靠度。目前的防跑车装置操作不便，有很多不能有效防止跑车，致使安全运输上存在很大隐患。 国内煤矿企业中使用的阻车器存在的主要原理性缺陷有：广泛使用的手动阻轮式阻车器非单向常闭，上下行车都需要人工操作，铰点多、机构较复杂、成本高、对操作环境要求较高，实际操作中容易出现操作工离职等违章作业现象， 无法实现远程控制；红外检测元件测速、电磁式传感器防跑车检测、电磁传感与时间继电器速度检测等高端阻车器，成本高、可靠性低、结构复杂、维修困难，效果都不太理想；脚踏式阻车器等各种简易阻车器常闭但笨重而不可靠，操作工由于思想麻痹误将阻车器置于开态或为避免被矿车擦伤和节省体力用石块代压踏板，难免发生跑车事故。

⑵新型阻车器的实现

①新型阻车器结构。新型阻车器主要由执行机构——阻车臂， 传动部分——推齿和推杆，驱动气缸及其控制部件组成。推齿和推杆端面组成准高副连接，气缸不发生动作时推杆平底与推齿渐开线齿面相互脱离。 气缸固定于机架上，推杆中心线与渐开线齿面的基圆水平切线重合。 1 对阻车臂立于轨道内侧，推齿置于中间位置与气缸对应。 气缸由可靠性极高的手动换向阀控制，气源为巷道中的公用压缩空气。系统只有2 个铰接点，机构简单。1 对缓冲弹簧置于机架对应的阻车臂下端。 机架固定于轨道上，系统植根于轨道之下，有效实用。

②单向常闭的实现及工作过程。 a.上行车通过。对上行车单向常开，无需操作。当矿车被钢丝绳由斜坡轨道牵进上平车场时， 阻车臂随之摆下，车体驶过后，阻车臂在回复力的作用下迅速复位。 气缸不发生动作。 b.下行车通过。 按下气阀，打开阻车器。当矿车由上平车场正常驶下，需要由阻车器操作工按住气阀， 气缸推杆随即推出，经过若干秒气缸推杆达到最大行程时阻车臂也转至水平，下行矿车通过后松开气阀，系统在回复力的作用下迅速复位。 c.发生溜车。 当矿车意外下滑发生溜车时，车体在车轴高度处与阻车臂上端发生碰撞， 阻车臂下端与机架形成死点，矿车被阻车臂挡住，自动阻车。 碰撞的冲击能主要由系统下端的缓冲弹簧吸收。整个碰撞过程中气缸不接触推齿，故不会受到任何冲击。

⑶关键技术

①推齿渐开线齿面的设计。为了避免阻车臂动作时对气缸的冲击和减少铰接点以简化系统机构，他们将推杆与推齿设计成可以脱离的准高副连接，保证系统可靠性的关键在于推杆与推齿的准高副连接机构。渐开线的发生线在基圆上滚过的线段长度等于基圆上被滚过的弧长，渐开线上任意一点的法线必与基圆相切。根据渐开线的性质可以证明任意位置处发生线为渐开线在交点处的法线。 他们通过对3 种推齿的比较发现，使用普通直杆推齿时推杆运动不平稳，运动副易出现严重磨损， 即使保证润滑传动效率也不高。关键技术为阻车臂和气缸推杆连接形式为凸轮连接，凸轮轮廓为渐开线，凸轮轮廓对气缸的反作用力沿气缸轴线方向，气缸只受轴向力，有效保护气缸。

②阻车臂摆角与气缸推程的设计。为使下行矿车顺利通过， 将阻车臂最大放行摆角设计成δ。 由渐开线性质知推杆有效推程为S=eδ，参数e 为形成推齿齿面渐开线的发生圆半径。 由此可以方便地根据实地情况设计摆角，计算气缸所需推程和安放位置。

⑷体会

这种新型的单向气动阻车器高副接触面采用渐开线齿面，不仅实现零度压力角传动而且减少铰接点，降低对气缸推程的要求；阻车时推杆并没有接触推齿， 发生溜车时气缸不受任何冲击；阻车臂于车轴高度处阻住车体，避免对车轮轴承的冲击；单向常闭，闭锁可靠，利用机构死点原理确保万无一失（即使气动系统失灵，系统处于死点自锁状态，可以避免二次事故的发生），使上平车场处于常闭状态，杜绝斜巷运输过程中跑车事故的发生，确保安全生产；操作简单轻松，操作环境灵活安全，从原理上避免误操作和违章作业的发生，可以实现远程控制；结构简单紧凑，占用空间小，安放于轨道之下，环境适应性强，不受场地因素限制，为工人行走节约空间。 应用实践表明， 这种新型的单向气动阻车器具有制作容易、效益高、减轻工人劳动强度、提高操作环境安全系数、防止误操作及违章作业、安装方便、成本低的优点，其气缸推杆与渐开线齿面高副连接的创新应用和系统本身都具有很高的推广价值和广阔的应用前景。