猴车驱动轮轴变形断轴保护安全技术研究

孙岩，武成栓，贺永平，常有，李美梅

（山西汾西矿业（集团）有限责任公司曙光煤矿，山西孝义032300）

引言

根据《煤矿安全规程》第383条规定，在猴车主驱动旋转轮轴中心的正下方必须安装断轴保护装置，为了进一步规范猴车运行管理制度，保障猴车安全运行，在猴车已装有机头机尾越位保护、欠速过速保护、重锤下限位保护、全线紧急停车保护、乘人间距控制保护、上变坡点吊绳捕绳停车保护、吊椅防过摆保护、系统防静电保护、头尾轮入省口安全防护装置、减速机油温保护、制动器动作失效保护、机头机尾信号中断保护、驱动装置二级制动保护等13项保护的情况下，结合猴车技术发展的最新动态，主驱动轮轴断轴保护装置必须得以安装，并且要求结构简单，安全牢固，加工安装方便、设计科学合理、使用安全稳定等性能。

1 猴车驱动轮轴的运转特性

根据巷道的设计特性，在巷道入口处把猴车机头安装点的上方固定槽钢、横向稳定连接好，然后把猴车驱动装置总成安装在已装好、固定牢靠的槽钢上，这样既能架空猴车总成，保证猴车座椅的高度，又能落地安装各种适用的保护装置[1]。安装好抱索器总成，并且G型抱索器可以绕驱动轮和尾轮运行。

2 力矩的分布规律设计计算

2.1 巷道参数

巷道总长L=3 250 m；最大坡度α1=28°；平均坡度α2=24.5°。

2.2 主要参数的确定

1）驱动轮直径D=1.6 m。

2）选减速机速比i=63；钢丝绳运行速度υ=K（π D/60）N/i=0.96 m/s。其中：K为钢丝绳运行时蠕动系数，取K=0.98，N为电动机转速，740 r/min。

3）设定乘坐间距λ1=10 m，则运输效率Qr=32 500υ/λ1=3120人次/h。

4）预选钢丝绳直径Φ=26 mm，每米质量q0=2.49 kg/m，抗拉强度为1 670 MPa，钢丝绳钢丝破断拉力总和为452 kN。

5）驱动轮绳槽与牵引钢丝绳的摩擦系数μ=0.25；钢丝绳与托轮间阻力系数ω，动力运行时取ω=0.02，制动运行时取ω=0.012。

6）牵引绳在驱动轮上的围包角α=180°。

2.3 牵引钢丝绳张力的计算

2.3.1 最小点张力

式中：C为钢丝绳的抗挠度系数，取值范围为650～1 000；g为重力加速度，g=9.8 m/s2。

将数据代入式（1）计算得Fmin=24 402 N。

2.3.2 各特征点张力的计算

2.3.2.1 动力运行状态

当下放侧无人乘座而上升侧满员时（动力运行状态）：

线路运行阻力

各特征点张力

式中：F1为驱动轮进绳侧钢丝绳张力；F2为驱动轮出绳侧钢丝绳张力；F3为迂回轮进绳侧钢丝绳张力；F4为迂回轮出绳侧钢丝绳张力，F4=1.01F3；Q1为人和物总重量,取95 kg（AQ规定，人重75 kg、物重20 kg）；Q2为吊椅重量，取15 kg；L为巷道总长。

将数据代入式（2）（3）（4）（5），计算得：f上=37199N，f下=-10 077 N；F3=24 402 N，F1=61 845 N。

2.3.2.2制动运行状态

当下放侧满员乘坐而上升侧无人乘坐时（制动运行状态）：

线路运行阻力

各点张力

3 行人巷道的布局特点

专用行人巷道埋藏深度为497～597 m，地面标高为＋980～+1 030 m。地面全部为红、黄土覆盖，地势为南高北低，东高西低。专用行人巷在山西组中下部2号煤层中掘进，2号煤层走向大致为南北走向，倾角一般0°～10°，局部倾角可能增大[2]。2号煤层平均厚度为2.5 m。本井田为低瓦斯矿井，但须按高瓦斯矿井管理。掘进时应做好通风、降温、灭尘工作。行人巷道设计施工要求见表1[3]。

表1 行人巷道设计施工要求

4 行人巷道猴车机械运动产生的力模拟（见图1）

图1 行人巷道猴车机械运动产生的力模拟

5 猴车主驱动轮轴变形断轴保护装置的特性

驱动轮在断轴后向下移动500 mm，中心坐落在三级横挡系统的O型旋转盘内，在盘式轴承支撑力的作用下，能够继续正常旋转，起到缓慢停止的作用；当驱动轮在轴断裂下移时，在钢丝绳张力作用下向前移动，三级横挡系统总成能够及时防止驱动轮前移，同时断轴保护装置的电子报警系统开始工作，并能在第一时间切断电源[4]。

5.1 上压防倒系统

上压防倒系统主要包括U型固定卡、连接螺栓、调整安装蹄及防火星摩擦片，它是在驱动轴断裂后，驱动轮在钢丝绳张力的作用下，乘坐人员和物的重量向前拉力的作用下，迫使驱动轮翻翘前移，容易造成恶性事故。为了防止此类事故的发生，上压防倒系统显得更为重要。

5.2 驱动轴变形断裂电子报警系统

此系统驱动轴在疲劳变形时，能够第一时间发出警报，告诉猴车司机，轴已变形，驱动轮运转已经不平稳，需要及时更换。若不更换就会出现断轴，产生严重后果。

5.3 中央支撑三级横挡系统

中央支撑是在猴车驱动轴的正下方用挖坑、混凝土浇筑锚杆来固定，它是通过固定底板、可调行伸缩管架、组合式稳定装置组成，主要是支撑猴车断轴保护器的全部重量，保证猴车驱动轴断裂后能够承受各种力矩，确保乘坐人员不受伤害，机械设备不受损坏[5]。

6 断轴后覆灭性试验

6.1 安装位置概况

猴车断轴保护装置安装在猴车机头位置，猴车总驱动由四根工字钢横梁支撑，横梁离地面的距离为2.5 m，猴车机头宽度为4 m。专用行人巷道的永久支护采用“锚、网、索、喷”联合支护。所有锚杆全部使用300 mm的“一字”钢带，“一字”钢带全部顺巷道方向安装，要求紧贴网面与巷道轮廓面，巷道断面为半圆拱形永久支护。

6.2 设备的布置

猴车断轴保护装置安装在行人巷道最南端50 m处，猴车总成安装在固定横梁的上方，驱动轴垂直向下方，驱动轴末端安装有驱动轮，驱动轮带动钢丝绳和猴车座椅运行，为了防止驱动轴扭曲、变形、断裂造成伤人事故和机械设备的损坏，必须在驱动轴的正下方安装断轴保护[6]。

6.3 试验效果

猴车断轴保护装置在模拟主驱动盘轴断裂后，产生的各种力在100 000 N的冲击下，猴车断轴保护装置固定支撑调整系统没有损坏和变形。三级横挡系统的支撑连接铁板没有变形和断裂，其他各种保护系统能够在第一时间内起到作用，保护乘坐人员不受伤害，机械设备和机电设备不受损坏[7]。从根本上消灭了猴车运转时断轴的安全隐患，从实际上夯实了安全基础。

7 结语

针对矿用猴车驱动轴发生突然断轴的一项保护装置，实现了猴车在运行过程中驱动轴发生断轴时，对乘坐猴车的人以及机械设备起到保护作用，也是一个更加科学、安全的保护装置。猴车断轴保护装置的运用更大程度地降低了机械设备的损坏，防止恶性事故的发生。

[1]朱龙根.简明机械零件设计手册[M].北京：机械工业出版社，2011.

[2]国家安全生产监督管理总局.煤矿安全规程[M].北京：煤炭工业出版社，2001.

[3]纪名刚.矿井辅助运输的计算和设备选择[M].北京：煤炭工业出版社，2011.

[4]哈尔滨工业大学理论力学研究室.理论力学[M].北京：高等教育出版社，2002.

[5]孙恒，陈作模.机械原理[M].北京：高等教育出版社；2010.

[6]程居山.矿山机械[M].徐州：中国矿业大学出版社，2003.

[7]中国纺织大学工程图学教研室.画法几何及工程制图[M].上海：上海科学技术出版社，1997.