架空乘人楔形钢丝绳断绳抓捕装置的设计与仿真分析.pdf

结构设计andNo.7,2023DevelopmentManagementMechanical2023年第7 期Total243机械管理开发总第2 4 3 期D0I:10.16525/14-1134/th.2023.07.049架空乘人楔形钢丝绳断绳抓捕装置的设计与仿真分析樊嘉楠（阳泉煤业（集团）平定东升兴裕煤业有限公司，山西阳泉045000)摘要：为进一步提升架空乘人装置的安全性，针对其钢丝绳失速、超限问题，设计了楔形钢丝绳断绳抓捕装置。其机械部件以楔形制动为主保证抓捕力，液压系统以差动结构为主保证装置的快速响应特性。经仿真分析表明，所设计的断绳抓捕装置可对架空乘人装置钢丝绳的失速、超限问题进行有效解决。关键词：断绳抓捕装置；架空乘人装置；楔形制动；差动液压系统；快速响应中图分类号：TD52文献标识码：A文章编号：1 0 0 3-7 7 3 X(2023)07-0125-020引言架空乘人装置俗称为“猴车”，作为煤矿生产的辅助运输装置，其主要是完成工作人员的运输任务。据统计，一般煤矿采用架空乘人装置运输人员的比例高达3 3%5 0%。架空乘人装置在煤矿生产中的应用，极大地缩短了工作人员的升降时间，减少了工作人员的劳动强度,间接提升了煤矿的生产效率。架空乘人装置在实际运行中会出现托绳轮、驱动轮、钢丝绳等故障；此外，钢丝绳瞬间加速存在失控的现象,对架空趁人装置的安全运行带来隐患 1-5 。本文将设计断绳抓捕装置，以实现对架空乘人装置加速失控的保护。1断绳抓捕装置的总体设计架空乘人装置由于其结构简单、运输效率高及安全系数高等优势被广泛应用于煤矿对人员的运输任务中。在多年的发展中，架空乘人装置已经具备了较为全面的保护功能，可实现对设备的越位保护、欠速保护、防飞车保护等功能。本文重点对架空乘人装置由于各种问题造成钢丝绳在瞬间加速过快而导致失控的问题,设计一款高可靠性的断绳抓捕装置。为了后续支撑架空乘人装置断绳抓捕装置的设计，列出对计算涉及的架空乘人装置的关键参数如表1 所示。1.1设计原则断绳抓捕装置作为架空乘人装置的辅助设备，所设计的架空乘人装置需遵循如下原则：1)断绳抓捕装置不能影响架空乘人装置的正常运表1架空乘人装置关键参数参数名称参数值应用工作面坡度/）9驱动电机功率/kW55运输速度/(m/s）1.2钢丝绳直径/mm20钢丝绳最大牵引力/kN8最大输送效率/人/h）750同时乘坐人员的数量/人240行，即钢丝绳可顺利通过抱索器；当出现故障时，断绳抓捕装置可及时实现对钢丝绳的抓捕功能。2)鉴于钢丝绳在失控的瞬间会产生非常大的冲击力，要求断绳抓捕装置具备抵抗冲击力的能力。3)鉴于煤矿井下空间有效，断绳抓捕装置应具有体积小、便于安装维护的特点。1.2断绳抓捕装置的整体设计结合架空乘人装置的实际使用工况，对其正常生产工况下钢丝绳加速过快而失控的冲击力进行计算可知，所设计的断绳抓捕装置的制动力应大于2 3 2 7 3 N。架空乘人装置断绳抓捕装置动作的主要依据为对钢丝绳速度的实时监测。当监测到钢丝绳速度超限时，断绳抓捕装置液压系统会驱动机械系统实现对钢丝绳的抓捕。基于上述原理，设计如图1 所示的断绳抓捕装置。109834/5/L6LZ1一液压泵站；2 一电缆；3 一液压管路；4 一电气控制箱；5一通信电缆；6 一蓄能器；7 一集成阀块；8 钢丝绳；9一钢丝绳速度监测装置；1 0 一抓捕装置机械装置图1断绳抓捕装置整体结构由图1 可知，断绳抓捕装置可分为电控分系统、机械分系统和液压分系统，机械分系统为装置的执行机构，液压分系统为机械分系统的抓捕力提供动力。2断绳抓捕装置的详细设计本节重点对断绳抓捕装置的机械分系统和液压分系统进行设计。2.1断绳抓捕装置机械分系统的设计针对钢丝绳的抓捕需求，本装置采用楔形自锁结收稿日期：2 0 2 2-0 5-0 7作者简介：樊嘉楠（1 9 9 3 一），男，山西阳泉人，毕业于中国矿业大学机电一体化技术专业，矿山机电助理工程师。下转第1 2 9 页（编辑：李俊慧）126.第3 8 卷机械管理开发构的形式实现对钢丝绳的抓捕功能。楔形自锁机构的简图如图2 所示。机架楔形滑块钢丝绳图2楔形自锁结构由图2 可知，为了保证楔形滑块能够准确及时地实现对钢丝绳的抓捕功能，重点需要根据“断绳抓捕装置的制动力应大于2 3 2 7 3 N这一要求，确定楔形滑块的倾角。已知：钢丝绳与楔形滑块之间的滑动摩擦系数为0.3 5;楔形滑块与机架之间的滑动摩擦系数为0.1。对应的楔形滑块倾角计算如式(1)所示。Qarctan山I一山(1)1+u山2式中：为钢丝绳与楔形滑块之间的滑动摩擦系数；山为楔形滑块与机架之间的滑动摩擦系数。将上述参数代入式(1)中，得出楔形滑块的倾角应小于1 3.6 O2.2断绳抓捕装置液压分系统的设计为了保证架空乘人装置在钢丝绳失控后断绳抓捕装置能够快速响应，并完成迅速制动的功能，本装置采用机电液联合控制，并采用液压系统为机械楔形机构提供动力。对于液压系统而言，不仅要保证其能够提供足够的动力，更重要的是其能够对抓捕动作快速响应。因此,在液压分系统中采用差动式的结构,该结构能够提供液压系统中活塞杆的移动速度，从而实现对钢丝绳的快速抓捕。断绳抓捕装置液压分系统原理如图3 所示。3断绳抓捕装置抓捕性能仿真分析根据所设计的断绳抓捕装置结构，基于ADAMS软件建立数值模拟仿真时间，重点对该装置在钢丝绳出现超速情况下对其的抓捕响应时间进行仿真分析。在模型中，尤其注意钢丝绳与楔形滑块之间滑动摩擦系数、楔形滑块与机架之间滑动摩擦系数的设置。仿真条件设置：设定钢丝绳的初始速度为1.5 m/s，模拟架空乘人装置遇到故障出现钢丝绳速度超限的工况，并对其抓捕性能进行仿真分析，对应的钢丝绳的速度变化仿真结果如图4 所示。由图4 可知，架空乘人装置在实际运行中由于某种原因导致其速度在短时间内超出其限值，并达到3.1m/s。在此情况下，断绳抓捕装置迅速动作，并在速度达到最高值0.0 8 s后将钢丝绳的速度降为0，达到818171615Xhs13肉1 210%X1198-07621341一液压油箱；2 一液位计；3 一空气过滤器；4 一液压油过滤器；5截止阀;6、1 3 一溢流阀；7 一电动机;8 一液压油泵；9一单向阀；1 0 一压力监测表；1 1 一三位四通电磁换向阀；12、1 4、1 5 一电液换向阀；1 6 一压力变送器；1 7 一蓄能器；18一位置传感器图3断绳抓捕装置液压系统原理35003000A(s/u)/率2.5002000150010005000.10.20.30.40.50.6时间/s图4钢丝绳速度变化仿真结果对钢丝绳及时抓捕的效果。4结语架空乘人装置为煤矿生产中对人员进行运输的关键设备，其间接提升了煤矿综采工作面的生产效率。在多年发展中，架空乘人装置的保护功能已经逐渐全面,其安全性也较高；但是,缺乏对钢丝绳的断绳抓捕功能，即对钢丝绳超速的现象无法保护。为此，本文以楔形机械结构和差动式液压系统为核心设计了能够快速响应、抗强冲击力的断绳抓捕装置。经仿真分析表明，所设计的断绳抓捕装置能够在钢丝绳速度超限至最高值后0.0 8 s内实现对钢丝绳的制动，即完成对钢丝绳的抓捕功能。参考文献1 5史书林，侯友夫，赵海峰.变频液压技术在斜井架空乘人装置中的应用 J.机床与液压，2 0 0 6(1 1)：1 3 1-1 3 4.2袁旭虹，钱军，赵朝国，等.矿用架空乘人装置电控系统的现状及其发展方向探讨 J.工矿自动化，2 0 1 2(7)：3 2-3 4.3肖公平.浅谈煤矿架空乘人装置中平面转弯机构的设计 刀.煤矿开采,2 0 0 9(1):7 2-7 4.4刘海平.新型固定抱索器架空乘人装置水平转弯技术的应用 J.煤矿安全，2 0 1 0（6)：6 5-6 7.5孙健.架空乘人装置用隔爆兼本安型控制箱的研制 .工矿自动化,2 0 1 2,3 8(1 2)：9 0-9 3.ceDesig上接第1 2 6 页）（编辑：土意方）2019,38(3):35-42.:129.赵军：煤矿液压支架中自动加压装置的设计及应用研究2023年第7 期40应用后26应用前24222001020304050 60708090100110120130140150160170测试点编号7-1负载对比12应用前10f应用后8/回相64F2OL101020 30 4050 60 70 8090100110120130140150160170测试点编号7-2调节时间对比图7试验结果对比示意图可以得出结论，使用加压装置进行二次加压不影响支架的设置速度。加压装置应用后所有试验支架的阻力增加时间都小于应用前的值，主要是由于支架的设定载荷增加，与工作阻力的差异变小，阻力增加。从图7中可以看出，不同支架的沿线压力损失和管道阻力损失的微小差异导致不同支架对相同数据参数的偏差很小，但整体趋势是一样的，满足工程要求。4结论通过理论设计、样机制作和现场试验等方面对试验现象进行分析，主要得出以下结论：1)根据加压控制回路和机组设计，采用基于加压结构和辅助结构的自动加压装置进行理论设计。通过分析和改进，将加压控制结构设计为双推杆结构，可以快速、简单地控制油路的连接/断开。加压装置设计简单，安装使用方便，机械自动化程度高，原系统回路改造量小。加压装置的设计不局限于具体工作面条件和型号，具有较强的通用性和良好的推广应用价值。2)试验中使用支架柱回路位置选择阀提升支架柱和支架。支撑顶梁接触顶板2 s后，复位位置选择阀停止向立柱供应液体。可见以下现象：加压装置安全阀溢流口有少量液体喷涂，据观察统计，立柱底腔压力计约为3 2 MPa。与施压前的压力相比,立式柱的底腔压力增加了8.5 MPa，设置荷载符合设计要求。参考文献1毛加宁，李鸿维，王绍留，等.轻型支撑式液压支架在构造复杂矿井综采工作面中的应用 J.昆明冶金高等专科学校学报，2 0 2 1,3 7(3):43-49.2任怀伟，李帅帅，赵国瑞，等.基于深度视觉原理的工作面液压支架支撑高度与顶梁姿态角测量方法研究 J.采矿与安全工程学报,2 0 2 2,3 9(1):7 2-8 1;9 3.3张红兵.四柱式综采放顶煤液压支架架型结构特征及适应性分析J.煤矿机械，2 0 2 1,4 2(1)：8 0-8 2.4田权.大倾角工作面支撑掩护式液压支架稳定性分析与防倒滑设计 J.煤矿机械，2 0 2 0,4 1（8)：1 3 9-1 4 1.5曾庆良，辛正远，杨扬，等.基于Abaqus的煤研颗粒冲击放顶煤液压支架接点应力分析 J.山东科技大学学报（自然科学版），Design and Application of Automatic Pressurization Device in the Hydraulic Support ofCoal MineZhao JunShanxi Coal Group Coal Management Co.,Ltd.,Jindongnan Branch,Changzhi Shanxi 046699,ChiAbstract:According to the hydraulic bracket working conditions,an automatic pressurization device that can directly solve the problem ofpoorly set load of hydraulic bracket without overly modifying the original hydraulic system is designed.The automatic pressurization devicecombines mechanical and hydraulic pressure,so that all structural units can complete the expected action under the action of hydraulic oil,and finally realize the overall function of automatic and rapid pressurization.The working performance of the automatic pressurization deviceand the dynamic characteristics of the control circuit were simulated through engineering tests.The simulated curve of undergroundZY12000/28/63D bracket and the field installation test were compared and analyzed,which finally showed that the device was able toincrease the setting load to more than 30 MPa.The results show that the design of the automatic pressurization device meets the expectedpressurization requirements and provides a basis for the design of the hydraulic bracket structure.Key words:coal mine;hydraulic bracket;initial support force;automatic pressurization devicen and Simulation Analysis of an Overhead Rider Wedge Rope Breakage Catching DeviFan Jianan(Yangquan Coal Industry(Group)Pingding Dongsheng Xingyu Coal Industry Co.,Ltd.,Yangquan Shanxi045000,China)Abstract:In order to further improve the safety of the overhead passenger device,a wedge-shaped rope breakage catching device isdesigned for its wire rope stall overrun problem.The simulation analysis shows that the designed rope breakage catching device caneffectively solve the problem of stall speed over limit of wire rope of overhead passenger device.Key words:rope break arresting device;overhead passenger device;wedge brake;differential hydraulic system;rapid response