斜井轨道跑车柔性戗杠式阻车器的设计

贾 瑞

0 引言

我国作为煤炭资源储量非常丰富的大国，煤炭储量在已探明的化石能源总量中约占94%。然而，随着煤炭工业的发展，煤矿运输事故造成的伤亡人数常年位于煤矿事故的前列，因此研究煤矿运输事故发生的原因对预防煤矿事故的发生具有重要意义【1】。斜井运输是矿井生产的重要组成部分，斜井运输环境条件复杂，线长面广且环节多导致斜井运输是煤矿事故易发、多发之处，斜井运输事故的发生轻者损坏设备，重者造成人员伤亡。

根据《煤矿安全规程》第八章第三百七十条规定：在矿井辅助运输过程中，为了减小或避免斜井跑车事故的危害，在斜井运输线路上必须设置跑车防护装置【2】。防止跑车事故的发生是保障斜井运输安全的一个重要研究课题【3】。目前，国内煤矿企业中使用的阻车器多种多样。有一种称为戗杠式的阻车器，它安装在巷道顶部，通常为常闭状态。当矿车正常通过时，戗杠升起；矿车通过后戗杠降落下来。当发生跑车事故时，矿车与戗杠相碰撞达到阻车目的。此种阻车器存在以下几个问题：

①矿车与戗杠的碰撞为刚性撞击；

②矿车与戗杠在刚性碰撞时可能会发生翻车；

③由于矿车与戗杠的碰撞为刚性撞击，冲击力过大时会造成戗杠的损坏甚至起不到阻车目的。

为了解决刚性碰撞的问题，我们提出了“柔性”的概念。所谓柔性，就是在两个物体相互碰撞时，存在着一种缓冲装置或者是吸能装置，通过吸收一部分能量或大部分能量而使两个物体以尽可能小的速度相互碰撞，使其冲量减小的一种思想方法。故此，本方案采用弹簧导杆缓冲装置和滑行装置来实现矿车和戗杠的柔性碰撞。目的是解决刚性碰撞的问题，并且能够达到柔性阻车的目的。斜井轨道跑车柔性戗杠式阻车器针对斜井跑车事故，在分析现有斜井跑车装置的不完善之处后提出新的设计方案，提出了一种更加有效拦截跑车和降低修复成本的煤矿斜井防跑车装置-斜井轨道跑车柔性戗杠式阻车器，以期改善或杜绝斜井跑车事故的发生。

1 柔性戗杠式阻车器设计

1.1 设计原理

针对目前防跑车存在的问题，对阻车器提出“前钩发出信号，后钩拉住车轴”方案解决。后钩阻车装置提出的设计思路是拉钩捕捉轮轴的方式，应考虑矿车翻滚问题，假设发生跑车事故时，拉钩捕捉到矿车前轮轴，采用前轮轴进行阻车时，在冲击力很大的情况下，矿车极有可能绕前轮轴向前翻滚，发生翻滚事故。采用后钩拉住车轮轴的方式，可避免这一现象，当矿车与阻车装置相撞时，前钩在第一时间与矿车前轮轴相撞，但并不起阻车作用，轮轴带动前钩一起向前滑动，从而带动后钩翻起，此时后钩起阻车作用。后钩附属连带缓冲机构，该附属机构可在冲击力很大的情况下，可有效地将矿车与戗杠的刚性碰撞改为柔性撞击，降低了矿车与戗杠在刚性碰撞时可能翻车几率。由于矿车与戗杠的碰撞为柔性撞击，可以在发生跑车事故冲击力过大时保护戗杠减少损坏，同时有效阻车。

1.2 柔性戗杠式阻车器结构设计

（1）柔性戗杠式阻车器的戗杠挡板及端部拉钩

戗杠端部拉钩采用20MnSi钢，成分见表1。

戗杠端部拉钩结构如图1所示：拉钩底部连接缓冲装置，上部与戗杠连接。

图1 戗杠端部拉钩示意

（2）戗杠与地面的固定通过液压缸来实现。液压缸的选择如图2所示。与其相关的技术参数为：缸径50 mm、活塞杆直径28 mm、速比系数为1.46、推力31 420 N、拉力21 560 N、额定压力16 MP、最大行程500 mm、实际行程330 mm。

图2 液压缸示意

（3）戗杠与弹簧导杆缓冲系统的连接采用弹簧导杆装置、滑道滑行装置和摩擦吸能装置。如图3、4、5所示。

图3 弹簧导杆装置

图4 滑道滑行装置

图5 摩擦吸能装置

（4）戗杠与液压系统的连接

戗杠与液压缸连接后，通过电磁阀与液压系统相连接。

（5）阻车器示意图如图6所示

图6 阻车器

图6为该防跑车装置的主要机械结构。

1.3 机构工作原理

上下山时，挡车装置、阻车器必须为常闭状态，戗杠开始一直处于阻车状态，即升起状态。柔性戗杠式阻车器的工作起始位置，戗杠为阻车状态图7所示。

图7 戗杠阻车状态

当矿车需要正常通行时，按照规定液压系统开始工作，控制戗杠下落，方使得矿车平稳通过。当运行矿车安全通过后，液压系统使戗杠升起到原来阻车位置。矿车正常通过时如图8所示。

图8 戗杠位于降落位置

当发生跑车事故时，通常矿车的速度远大于矿车正常行驶的速度，会发生猛烈的撞击。通过控制液压系统使活塞杆处于自由伸缩状态，在弹簧导杆缓冲装置和滑道滑行装置的共同作用下，矿车和戗杠发生柔性碰撞，进行吸能式缓冲和柔性减速【4】，通过能量的转化达到阻车目的。

若在弹簧导杆缓冲装置和滑道滑行装置的共同作用下，矿车和戗杠柔性碰撞后速度虽然减小但还会继续滑行，此时戗杠端部的拉钩将会与矿车轮轴相碰，起到阻车作用，阻车破坏性也相对较小。由于碰撞时矿车速度已比与戗杠碰撞时小很多，因此可看成为柔性碰撞。

若矿车和戗杠柔性碰撞后速度足够大，则拉钩将脱离戗杠，此时拉钩后面连接另一个缓冲吸能装置，当发生跑车事故使拉钩与戗杠脱离时依靠此装置将达到最终柔性阻车的目的。

柔性碰撞成为了柔性戗杠式阻车器设计的灵魂之处，该设计在实验室进行模拟试验后，在同煤集团燕子山矿1 400 水平大巷通往层303 斜井进行工业性试验。经过多次试验运行，机构动作灵敏可靠，满足设计要求。总体上，使用效果良好。柔性设计对于井下设施、矿车以及阻车装置都有很好的保护效果。其主动防护的方式为斜井运输安全提供了较为可靠的保障。斜井轨道跑车综合防护系统在燕子山矿的成功应用，不仅消除了人为的操作失误和跑车事故，还大大减少了员工的劳动强度，为本矿提高技术水平，改造传统安全装置，创造良好的经济效益。而且，还为煤矿井下安全生产、提高工作效率创造了条件，带动了煤矿技术进步与发展，具有极高的推广价值。

2 设计特点

斜井轨道跑车柔性戗杠式阻车器始终保持阻车状态，而现在大多数煤矿使用的阻车器系统大部分是在矿车正上方安装阻车系统，日常当矿车安全通过时它是平的，只有发生发生跑车事故时，才会由人工下摆阻车，很容易人工操作失误或者忘记操作而造成事故。该设计很好克服了这一点。斜井轨道跑车柔性戗杠式阻车器避免斜井轨道运输中因跑车事故带来人员和设备的伤亡和损毁，及时消除安全隐患，极大地提高运输的安全性，当出现跑车事故将最大限度的保护设备，又可使被拦截的矿车不受损害；且沿线所敷设的电缆、管线等设施均可免遭损坏。主要起耗能作用，用来消耗矿车跑车中的冲击能量，来达到阻车作用。

3 结语

在煤矿斜井轨道运输过程中，斜井轨道跑车柔性戗杠式阻车器既能满足巷道的通过要求，又能实现发生跑车事故时挡车的作用，并且是柔性挡车装置，可有效缓冲发生事故时强大的冲击力，减少了对矿车和挡车装置的破坏。该斜井轨道跑车柔性戗杠式阻车器装置结构简单，便于安装和维修，可靠性强，能够极大地提高斜井轨道运输的安全性。综上所述，斜井轨道跑车柔性戗杠式阻车器的使用是保证井下工作安全、降低人身财产损失的有效措施。所创造的安全效益和社会效益将是无限的，故在煤矿具有较好的推广应用价值，将会给煤矿斜井轨道运输带来较好的经济效益和社会效益。