斜巷跑车事故模拟试验台悬承改进与优化_冯海涛.pdf

*基金项目:湖南省重点领域研发计划(2 0 2 2 S K 2 0 9 2).斜巷跑车事故模拟试验台悬承改进与优化*冯海涛1,陈淼2,3,胡长虹2,3(1.安标国家矿用产品安全标志中心有限公司,北京 1 0 0 0 1 3;2.长沙矿山研究院有限责任公司,湖南 长沙 4 1 0 0 1 2;3.金属矿山安全技术国家重点实验室,湖南 长沙 4 1 0 0 1 2)摘 要:对斜巷跑车事故模拟试验台试验过程进行现状调查,研究分析因主要构件制造安装误差和多点悬承的结构方式对试验效率、劳动强度、事故模拟稳定性的不利影响,设计了一种操控便捷、自锁可靠、制造容易、系统兼容的侧向悬承装置,应用S o l i d w o r k sS i m u l a t i o n建模仿真模拟与参数优化,实现了悬支臂/承托板在保证安全系数不小于1.5时的最小质量,结果表明:新型悬承装置能够有效改善试验现状。关键词:斜巷;跑车事故;模拟试验台;侧向悬承装置0 引言随着矿井开采深度的增加,运输提升环节的增多,运输提升系统事故的比重越来越大,其中斜巷中运输提升发生的事故占比最大。根据相关资料可知,造成斜巷轨道运输事故的主要原因之一是跑车,跑车事故容易造成群死群伤,据不完全统计,斜井跑车事故占地下矿山机电事故的3 0%左右,其中9 0%以上会造成人员伤亡1。斜巷轨道运输事故诱因复杂,涉及环节多,管理难度大,斜巷跑车事故模拟试验台作为地下轨道运输事故模拟鉴定分析的专用设备,可真实有效地模拟斜巷轨道运输各种事故并对其进行验证分析,可为斜巷轨道运输事故鉴定分析提供有力支撑。当前,斜巷跑车事故模拟试验台由于悬承方式与结构存在操控不便、使用效率较低等一系列问题。1 工程背景斜巷跑车事故模拟试验台的基本构成如图1所示,承载旋架3用于模拟斜巷地面,其上设置有运行轨道4,用于运行不同规格矿车串车;承载旋架左端通过主铰接座2与基础预埋件铰接,其右端借助起重机7自由升降,从而模拟不同角度的斜巷轨道运输场景。承载旋架与地面的夹角调节范围为0 4 0,从而可用于斜巷人车、阻车器、挡车栏、斜巷跑车防护装置等相关斜巷运输设备设施引发的运输事故的过程模拟与分析鉴定2。1试验轨道 2主铰接座 3承载旋架 4运行轨道 5矿车 6吊钩 7起重机 8定滑轮 9钢缆 1 0绞车 1 1门式塔架 1 2悬承装置(左)1 3悬承装置(右)图1 斜巷跑车事故模拟试验台在试验过程中,操纵起重机,以升降“承载旋架”的右端,从而使其与地面形成所需的夹角;由于起升范围较大、承载旋架的挂钩点在升降过程中需要调I S S N1 6 7 1 2 9 0 0C N4 3 1 3 4 7/T D采矿技术 第2 3卷 第2期M i n i n gT e c h n o l o g y,V o l.2 3,N o.22 0 2 3年3月M a r.2 0 2 3DOI:10.13828/ki.ckjs.2023.02.034整,为安全起见,承载旋架无论是调整挂钩点还是处于特定角度以模拟斜巷,都必须将其“稳固可靠地悬承”,以免发生安全事故。当前试验系统,悬承装置设置于门式塔架内侧,其收放是绕水平轴的旋转实现的。因此,悬承装置即便完全收起,也会占据门式塔架内侧部分空间。悬承装置的结构与工作状态如图2所示。图2 悬承装置结构与工作状态该试验台属大型变幅机构,其中,“承载旋架”的长度约3 0m,门式塔架高度也超过2 5m,受限于构件制造及安装的精度,当承载旋架的右侧在门式塔架内侧因位置调整需要做相对运动时,二者左右间隙的边缝空间的形状及尺寸精度难以精确掌控;且悬承装置的收放运动位于该边缝空间内,极易造成悬承装置收回后,承载旋架通过该区域时卡阻,无法顺利上行或下行通过;悬承装置伸出后,在承载旋架落下悬承时会因左右边缝空间不均衡而发生一侧支撑宽度不足甚至踏空的状况。基于上述原因,在试验过程中,不可避免地需要人为“暴力别撬”承载旋架甚至用手动葫芦对承载旋架“生拉硬拽”以强行纠偏,不仅费时费力,而且会造成承载旋架整体方位的扭曲,影响试验轨道的方位形态,长期使用易给试验系统造成不利影响。在整个试验过程中,由于需要多点悬承,该操作成为整个试验中劳动强度最大、耗时最多的环节,单次试验用时1.52d,该环节的用时总计占比高达6 5%。2 问题分析与结构改进产生问题的根源在于:大型构件制作、安装的精度把控不足,悬承装置又正好设计、安装在承载旋架、门式塔架这两个大型构件相对运动的边缝空间内;在安装时,主铰接座的配焊必须保证承载旋架上运行轨道方位的准确性而很难兼顾边缝空间的对称度,且不同悬承点存在的不对称性并不一致;长期使用过程中的暴力作业进一步恶化了这一状况;面对承托偏置,如果加宽承托板以弥补两侧边缝的差异带来的受力失衡,又会导致收回时整个装置占据的空间增大,加剧了承载旋架旋转升降过程中的空间干涉。大幅提升大型构件制作、安装的精度不仅难度大而且成本高昂,并对已经制造安装的试验台不具备可行性。因此,设计了一种新型自锁侧向悬承装置,收回时,该装置整体退出边缝空间以彻底消除可能的运行干涉;伸出时通过摆动机构进入边缝空间以保证操控性和可靠性,承托板可以适当加宽,以弥补左右边缝的静态和动态差值。3 自锁侧向悬承装置采用S o l i d w o r k s建立结构改进悬承装置数值模型建模3,并借助M o t i o n模块进行了运动模拟4和干涉校验,该自锁侧向悬承装置的构成如图3所示,它同样有两个工作状态:伸出悬承、收回复位。悬承时,承托板2和悬支臂3绕销轴6顺时针旋转,从门式塔架立柱1的侧面进入到门式塔架的内侧,从而进入悬承工作位。由图4可知,靠上方的一组处于伸出悬承状态,靠下方的一组处于收回复位状态。1门式塔架立柱 2承托板 3悬支臂 4立筋 5基座板6销轴图3 自锁侧向悬承装置侧向悬承装置收回时位于门式塔架的侧向,不在内侧占据任何空间,因此,承载旋架自由升降时不会在任何悬承点因干涉而卡阻;由于侧向悬承装置绕竖直轴旋转,操作力很小,因此,伸出、收回操控轻松便捷;由于彻底避免了相互干涉,侧向悬承装置的承托板可以设计得更宽,当处于伸出状态时,能轻松、可靠地托住承载旋架,而不受其制造安装精度的影响。68采矿技术2 0 2 3,2 3(2)图4 自锁侧向悬承装置悬承与收回悬承时,承载悬架施加给承托板的正压力T的水平分量向右,承托板和悬支臂产生绕销轴顺时针旋转的趋势(因立柱的限位而不会转动),而不会产生逆时针旋转趋势从而被锁定在悬承状态;只有提升承载悬架到一定高度,主动操控悬承装置收回才能够解除悬承,如图5所示。图5 自锁侧向悬承装置的自锁4 悬支臂/承托板的优化设计基于S o l i d w o r k sS i m u l a t i o n和悬支臂/承托板的参数驱动模型,针对悬支臂腹板厚度TH1和减重孔直径HD1,以及承托板减重孔直径HD2开展优化设计,如图6所示。图6 悬支臂/承托板(焊接件)模型基本要求:(1)最大负荷(承载悬架上运行的矿车为最大数量和满载)、最不利受力状态下的承托荷载;(2)悬承由前后左右4个悬承装置共同实现,单个悬承装置应能承载该侧的总负载;(3)材质为Q 3 4 5,技术性能见表1。表1 材料技术性能参数弹性模量/G p a泊松比屈服强度/(M P a)2 0 60.33 4 5 经手动粗算和经验估算,对悬支臂/承托板的结构参数初步取值,开展静强度有限元初步分析56,考虑到模型细节的倒角、圆角过渡的影响,单元格划分采用基于混合曲率的网格划分器,以保证后续计算的准确性和综合效率,如图7所示。(a)有限元单元格划分(b)有限元解算云图图7 有限元单元格划分与解算云图经初步强度分析,发现悬支臂腹板厚度TH1=8 0mm时的安全系数为2.5 9,还存在较大的优化空间,而TH1 2 0mm时已经无法保证部分区域的安全系数。考虑到实心构件的质量偏大,而且腹板中段和承托板上中部分受力相对较好无应力集中,具备开设减重孔的基本条件,开孔直径也有优化的必要。确定待优化参数的范围后,进一步采用多维约束最优化的方法进行优化分析,借助S i m u l a t i o n的算例分析功能,通过迭代计算得出最适合的参数值78。78冯海涛,等:斜巷跑车事故模拟试验台悬承改进与优化悬支臂待优化参数(变量)共3个:悬支臂腹板厚度TH1、悬支臂腹板减重孔直径HD1、承托板减重孔直径HD2。为提升计算效率,依据待优化参数优化计算的搜索范围及步长分两个阶段进行,逐步缩小搜索范围、减小计算步长,考虑到承托板的承托面积,HD2不宜超过1 1 0mm,第一阶段待优化参数搜索范围及步长如下:TH1 4 0,8 0,步长1 0;HD1 9 0,1 2 0,步长1 0;HD2 8 0,1 1 0,步长1 0。优化计算的约束条件为:安全系数不小于1.5,如下式:m a xS 1.5式中,m a x为最大应力,M P a;S为屈服强度,M P a。优化目标:悬支臂部件质量最小。多个算例的优化计算的部分数据见表2。表2 第一轮优化计算数据步骤TH1/mHD1/mHD2/m最大应力/M P a质量/k g初值0.0 60.1 30.1 12 5 4.46 510.0 40.0 90.0 93 8 3.56 0.0 820.0 50.0 90.0 92 4 7.86 5.3 630.0 60.0 90.0 91 8 9.57 0.6 940.0 70.0 90.0 91 4 4.17 6.0 75 80.0 60.1 20.1 12 2 7.86 5.9 35 90.0 70.1 20.1 11 7 9.67 0.9 26 00.0 80.1 20.1 11 4 6.27 5.9 6 第一阶段优化解算结果如下:TH1=6 0 mm;HD1=1 2 0 mm;HD2=1 1 0mm;质量为6 5.9 3k g。第二阶段待优化参数搜索范围及步长如下:TH1 5 0,6 0,步长1;HD11 2 0,1 3 0,步长1。第二阶优化解算结果如下:TH1=6 0 mm;HD1=1 2 1 mm;质 量 为6 5.8 4k g。5 结论(1)基于跑车事故模拟试验台的现状,针对试验作业过程中存在的因主要构件制造安装误差和多点悬承的结构引发的一系列问题,设计了一种新型的悬承装置,其系统兼容性好,无须对原试验系统进行大幅度变更,只须拆除现有悬承装置,进行替代即可。(2)新装置操控便捷、自锁可靠、制造容易、成本低廉;在彻底解决空间干涉、悬承踏空、试验效率较低、劳动强度较大等问题的同时,增强了试验台事故模拟的稳定性,对试验台的主要构件的制作安装形位、尺寸精度有较大的包容性。(3)对悬臂构件腹板厚度、减重开孔开展了优化设计,在保证安全系数不低于1.5的前提下,将构件质 量 降 到 最 低。优 化 结 果 为:悬 支 臂 质 量6 5.8 4k g,腹板厚度6 0mm,腹板开孔直径1 2 1mm,承托板开孔直径1 1 0mm。参考文献:1 赵清华.地下矿山斜井跑车事故原因分析与预防J.中国矿业,2 0 0 7(4):5 3-5 7+6 0.2李广.斜巷轨道运输事故模拟试验台研制报告R.长沙:长沙矿山研究院有限责任公司,2 0 1 9.3赵罘,杨晓晋,赵楠.S o l i d W o r k s 2 0 2 0中文版机械设计从入门到精通M.北京:人民邮电出版社,2 0 2 0.4吴芬.S o l i d W o r k s设计与仿真一体化教程M.武汉:华中科技大学出版社,2 0 1 6.5安红印.两轴速率转台U型架结构设计及有限元分析 J.锻压装备与制造技术,2 0 1 8(1 2):6 6-6 9.6江洪等.S o l i d W o r k s有限元分析实例解析M.北京:机械工业出版社,2 0 0 7.7杨轶.基于S o l i d W o r k s的某舰载转台支架结构优化设计J.中国设备工程,2 0 1 9(1 6):6 3-6 4.8D SS O L I DWO R K S公司.S o l i d W o r k sS i m u l a t i o n高级教程2 0 2 0M.北京:机械工业出版社,2 0 2 0.(收稿日期:2 0 2 2-1 2-0 2)作者简介:冯海涛(1 9 8 3),男,北京人,工程师,主要从事矿山机电设备的研究与开发,E-m a i l:6 3 6 1 4 5 3 8 q q.c o m。88采矿技术2 0 2 3,2 3(2)