架空乘人断绳抓捕装置研究

王 禄

（华阳新材料科技集团有限公司装备管理部，山西 阳泉 045000）

引言

煤矿生产运输分为主运输和辅助运输两种形式。其中，主运输系统主要包括带式输送机、刮板输送机、提升机等大型机电系统；而辅助运输主要包括绞车、架空乘人装置等。随着煤矿生产的不断深入以及综采工作面相对恶劣的环境等对人员的运输任务提出了更高的要求。针对斜井，传统采用导轨人车的方式运输存在安全性低、投资成本高以及维护烦琐的问题。架空乘人装置具有离地面近、钢丝绳速度小以及运输效率高等特点[1]。为进一步保证人员运输的安全性，防止系统断绳所带来的安全隐患，本文将针对性地完成架空乘人装置断绳抓捕系统的研究。

1 架空乘人断绳抓捕装置的整体设计

架空乘人装置作为煤矿生产运输人员的主要设备，由于其结构简单、运输效率高、安全维护简单且成本低等优势被广泛应用。架空乘人装置已经具备基础的保护功能，包括越位保护、掉绳保护以及防飞车保护等。但是，当架空乘人装置瞬间速度较快时，极易引发事故，导致乘坐人员受到伤害；此外，恶劣的使用环境导致架空乘人装置钢丝绳出现锈蚀、波动性载荷冲击等问题，使其安全系数降低，可能出现最常见的断绳事故[2]。本小节将重点完成架空乘人断绳抓捕装置的设计。

1.1 断绳抓捕装置设计依据

为保证架空乘人装置高效、安全，发挥其运输工作人员的功能，要求其断绳抓捕装置满足如下要求：

1）架空乘人装置正常运行时，断绳抓捕装置不得影响其稳定运行；且当架空乘人装置出现飞车或者断绳事故时，要求断绳抓捕装置及时发挥保护功能，并保证动作的准确率。

2）鉴于架空乘人装置运行期间会受到不规律的载荷冲击，要求断绳抓捕装置具备承受不规律载荷的功能。

3）鉴于煤矿工作面空间狭小，要求断绳抓捕装置体积小巧并方便在现场进行安装实施[3]。

本文所设计的断绳抓捕装置所应用架空乘人装置的关键参数如表1 所示。

表1 架空乘人装置关键参数

1.2 断绳抓捕装置的整体设计

架空乘人装置的运输量越大，对应发生断绳事故后装置出现下滑的情况就越严重。以架空乘人装置满载工况且在驱动轮附近发生断绳事故为例，在上述最为严苛的工况下发生断绳事故时要求断绳抓捕装置制动力大于23 273 N，才能够保证对架空乘人装置的有效抓捕。

结合断绳抓捕装置的实际功能，要求其具备对钢丝绳速度检测、信号接收、信号处理、信号发送、机械液压执行机构发挥抓捕的功能，所设计的断绳装置如下页图1 所示。所设计的架空乘人断绳抓捕系统主要包括有钢丝绳速度检测系统、数据分析处理系统、液压及机械执行机构等。具体工作原理为：由检测系统对架空乘人钢丝绳的实时速度进行检测，一旦检测到钢丝绳的瞬间速度增加时，断绳抓捕装置电气控制系统发出相关控制指令，对机械和液压执行机构进行控制，以实现对钢丝绳的抓捕功能[4]。

图1 架空乘人断绳抓捕系统整体设计方案

2 架空乘人断绳抓捕装置的详细设计

本节重点完成架空乘人断绳抓捕装置的机械结构和相关液压控制系统的设计。

2.1 机械结构的设计

当架空乘人装置发生钢丝绳断裂的事故时，在钢丝绳自重和乘坐人员重力的作用下，人员及装置会沿着钢丝绳发生快速下滑。本断绳抓捕系统将采用自锁原理的楔形自锁结构对钢丝绳实施抓捕功能，机械结构如图2 所示。

图2 断绳抓捕装置机械执行机构示意图

2.2 液压系统的设计

液压系统主要为断绳抓捕装置的机械结构提供动力，并为其配置蓄能器装置提升整个系统的效率，降低动力消耗；同时，为系统配置多种压力传感器和液压阀，实现对其压力的监测和控制，实现对液压系统元器件的保护。

液压系统原理如图3 所示，断绳抓捕装置在基础液压控制功能上为其配置了差动式结构，该结构的实施极大增加了液压油缸活塞杆的运动速度，保证液压系统在得到指令后快速动作，达到快速抓捕功能。

图3 断绳抓捕装置液压系统原理图

3 断绳抓捕系统性能仿真分析

对于断绳抓捕系统而言，能够正常发挥断绳抓捕功能且不影响架空乘人装置的正常运行，其关键指标为能否在事故发生的很短时间内实现对钢丝绳的抓捕，以避免事故的进一步扩大。因此，本节将基于AMESim 软件对上述所设计的断绳抓捕系统液压系统的响应时间进行仿真分析。

参照图3 所示的液压系统原理和AMESim 软件中的模型库建立仿真模型，并根据表1 中架空乘人装置的关键参数完成模型参数的设置。仿真时长设定为100 s。蓄能器为实现系统抓捕功能提供动力。因此，考虑到成本和抓捕响应时间，需合理设定蓄能器的充气压力。因此，本节对蓄能器充气压力为3 MPa、4 MPa、5 MPa 三种情况下系统的动态进行仿真分析，仿真结果如表2 所示。

表2 蓄能器不同充气压力系统的动态性能

由表2 可看出，随着蓄能器充气压力的增加，对应系统的响应速度明显增加，活塞杆完全伸出的速度极大地缩短了抓捕时间。因此，在合理范围之内应采用较大的蓄能器充气压力，以保证系统在最短的时间内完成抓捕功能。

4 结论

架空乘人装置为煤矿生产的辅助运输装置，具有效率高、安全性较高的优势。为了解决架空乘人装置由于断绳事故所引发的一系列事故，本文针对性地完成架空乘人断绳抓捕系统的设计，并对系统的抓捕时间进行验证，总结如下：

1）本系统的机械执行机构基于自锁原理的楔形自锁结构对钢丝绳实施抓捕功能；

2）本系统液压系统在基础液压功能的基础上配置了差动式结构，从而实现了对钢丝绳的快速抓捕功能；

3）经仿真分析，在合理范围之内提高液压系统蓄能器充气压力可加大缩短抓捕时间，进一步提升了系统的可靠性和安全性。