矿用巷道内架空乘人装置关键零部件的结构性能分析.pdf

第 卷第 期能源与环保 年月 收稿日期：；责任编辑：郭海霞 ：基金项目：山西省科技厅青年基金资助项目（）作者简介：何亮（），男，山东泰安人，工程师，年毕业于山东科技大学，现从事运输安全技术管理工作。引用格式：何亮，夏恩磊，黄彪，等 矿用巷道内架空乘人装置关键零部件的结构性能分析 能源与环保，（）：，（）：矿用巷道内架空乘人装置关键零部件的结构性能分析何亮，夏恩磊，黄彪，王磊，李涛，马士金，王勇，姬昌兴，杜双利（内蒙古福城矿业有限公司，内蒙古 鄂尔多斯 ；太原理工大学 安全与应急管理工程学院，山西 太原 ）摘要：基于矿用巷道内架空乘人装置的基本工作原理，结合架空乘人装置各关键部件原有参数及使用情况，介绍一种架空乘人装置关键零部件参数设计方案。具体设计过程采用计算机辅助，所形成的设计方案通过仿真分析方法进行有限元分析，获取关键零部件参数优化改造后矿用巷道内架空乘人装置关键零部件结构性能，初步确认改造后架空乘人装置关键零部件参数设计可行性。另外，将改造后的架空乘人装置应用于工程实践，在保障工程实践过程安全性情况下，综合分析改造后乘人装置的改进优势、经济效益以及社会效益，确认改进后矿用巷道内架空乘人装置的应用价值。关键词：矿用巷道；架空乘人装置；关键零部件；结构性能；有限元分析中图分类号：文献标志码：文章编号：（），（，；，）：，：；矿用巷道内架空乘人装置主要用于煤矿井下斜巷和平巷人员运输，其基本原理与地面高空索道较为类似，主要通过电动机驱动减速机上摩擦轮实现装置驱动。近年来，面对日益增加的煤矿井下自动化、智能化发展要求，传统架空乘人装置实现自动化发展已经成为必然趋势。但结合实际情况来开，现有架空乘人装置关键结构件综合性能难以满足煤矿井下自动化、智能化发展要求，需对其进行结构优化调整。因此，基于架空乘人装置各关键部件原有参数及使用情况，介绍一种架空乘人装置关键零部件参数设计方案，为后续架空乘人装置关键零部件优化设计提供参考，推动架空乘人装置实现智能化、自 年第 期能源与环保第 卷动化发展，将具有一定的现实意义。架空乘人装置关键零部件参数设计基于矿用巷道架空乘人装置关键零部件原有参数及使用情况，借助计算机辅助，介绍一种架空乘人装置关键零部件参数设计方案。具体参数设计方案获取中，在计算机辅助软件中输入以下参数，进而直接获取矿用巷道架空乘人装置关键零部件参数。根据某煤矿回采巷道实际情况，具体计算分析过程中输入以下参数：巷道总长度和总水平长度分别为 、；巷道总垂直高度为 ；钢丝绳运行速度和阻力系数分别为 和 ；托绳轮间距为 ；乘人质量为 ；吊钩间距为 ；传动系统效率为 ；钢丝绳与驱动轮之间摩擦系数为 ；换向绳阻力系数为 ；许用摩擦力备用系数为 。优化后关键零部件参数如下：下行无人乘坐时阻力为 ；乘人时钢丝绳最小下垂量为 ，钢丝绳最小张力 ，最大张力 ；设备总牵引力为 ；电动机功率为 ；最大输送能力 人 ；制动时减速度 ；制动器制动力矩为 ；拉紧装置拉紧力为 ；减速机额定输出扭矩为 ，型号为 。另外，拉张紧装置、单绳索道运输绞车尺寸设计过程中应满足以下要求。张紧装置。张紧装置主要用于张紧行程，其需要在设计中预留出足够的长度来实现接头更换，并在设计中根据要求合理补偿钢丝绳永久伸长行程和弹性伸长行程，为简化计算过程，张紧装置的设计中应满足拉紧行程 的要求，进而综合分析后确定张紧装置的拉紧行程为 。单绳索道运输绞车尺寸。绞车卷筒和导向轮直径应分别控制在钢丝绳直径的 倍和 倍以上，而钢丝绳直径为 ；绞车速度及电动机功能均按照制造厂配置参数进行合理选择；钢丝绳适应单侧乘人的上下钢丝绳布置，并且 根钢丝绳采用扣压式结构，所采用的钢丝绳直径不应超过绞车制造厂所规定的标准限值，绞车的最大静拉力和最大静拉力差均应大于钢丝绳最大静拉力差。架空乘人装置钢丝绳振动分析钢丝绳作为矿用巷道内架空乘人装置的主要挠性结构件，其影响因素及参数分析中存在较大不确定性，如钢丝绳自身挠性、钢丝绳几何变化特征、钢丝绳刚度系数和阻尼系数等，相关数据测量难度较大，易导致仿真分析结果精准性受到影响。同时，钢丝绳可视作为一种等效弦，其在外力的作用下会出现大幅度振动，不仅会消耗架空乘人装置运行能量，还可能会导致钢丝绳受损，引发各类安全风险 。为有效分析架空乘人装置中钢丝绳在外力作用下振动情况，保障安全分析的及时发现和处理，以下根据矿用巷道内架空乘人装置基本结构特征，结合优化后关键零部件参数构建架空乘人装置有限元仿真模型，并以此为基础对钢丝绳进行模态分析。具体模态分析中，结合钢丝绳运行特征，为钢丝绳设置周期性激振，并考虑到钢丝绳相关的拖轮可能会出现不规则转动情况 ，对此种情况进行综合考虑后，具体仿真分析结果如图 所示。图 钢丝绳第一阶模态分析结果 根据仿真结果可知，钢丝绳前六阶模态振型对应的固有振动频率分别为 、，具体振动特征依次表现为钢丝绳沿 轴抖动振动、钢丝绳沿 轴波动振动、钢丝绳沿 轴波动振动、钢丝绳沿 轴抖动振动、钢丝绳沿 轴波动振动、钢丝绳沿 轴抖动振动。通过模态分析结果可知，架空乘人装置中的拖轮与抱索器运行时所产生的激振频率大于钢丝绳正常运行时所产生的各阶模态固有振动频率，所以必会出现同频率共振情况，可有效保障改进后矿用乘人装置中钢丝绳运行稳定性。另外，对 钢丝绳上各点振幅随时间变化情况进行仿真分析，具体分析结果如图 所示。由图 可知，钢丝绳运行中各点振幅均相对较小，基本不会对改进后架空乘人装置的正常运行造成影响，进而确认改进设计方案可满足钢丝绳稳定运行的相关要求。年第 期何亮，等：矿用巷道内架空乘人装置关键零部件的结构性能分析第 卷图 钢丝绳上各点振幅随时间变化情况分析结果 关键零部件结构性能有限元分析 关键零部件有限元模型构建通过 三维模型软件构建矿用巷道内架空乘人装置各关键零部件基本结构模型，适当省略模型中倒角、圆角、沟槽等结构 ，并将省略优化调整后的模型导入到 有限元仿真软件中，为模型配置材料属性和实施网格划分，具体参数设置及网格划分参数见表 。网格划分后各关键零部件网格划分模型如图 所示。关键零部件结构性能有限元仿真分析矿用巷道内架空乘人装置关键零部件主要包括托轮、改向轮、改向滑轮、变坡点托轮、水平改向点托轮等 。表 关键零部件材料属性及网格单元 关键结构件零部件结构材料弹性模量 泊松比屈服强度 网格单元类型网格单元数量 个托轮绳轮底座立柱 钢 改向轮绳轮底座横梁 钢 改向滑轮 图 关键零部件网格划分模型 考虑到其结构中托轮、改向轮以及改向滑轮为重要结构件，因而架空乘人装置关键零部件结构性能有限元仿真分析也针对 种结构件进行 。托轮通过 软件对托轮进行有限元仿真分析，具体仿真分析时不考虑托轮自重以及惯性力所造成的影响，只考虑钢丝绳对托轮所施加的作用力以及架空乘人装置自重及载重。托轮等效应力和等效位移分布云图如图 所示。由图（）可知，矿用巷道内架空乘人装置中托 年第 期能源与环保第 卷图 托轮等效应力和等效位移分布云图 轮的等效应力主要分布于托轮底座和底座轴颈区域，其中最大应力值为 ，该应力值远小于所选用材料的最大屈服强度，证明改进设计中托轮相关设计符合要求。由图 （）可知，矿用巷道内架空乘人装置中托轮的等效位移主要分布于托轮下端以及中断区域，并且表现出托轮由下到上等效位移不断增大的特征。总体来说，托轮的最大等效位移点出现于托轮下端区域，最大等效位移为 ，该位移值处于许用标准范围内，证明改进设计中托轮相关设计符合要求。改向轮通过 软件对改向轮进行有限元仿真分析，具体仿真分析时不考虑改向轮自重以及惯性力所造成的影响，只考虑钢丝绳对改向轮所施加的作用力以及架空乘人装置自重及载重。改向轮等效应力和等效位移分布云图如图 所示。由图（）可知，矿用巷道内架空乘人装置中改图 改向轮等效应力和等效位移分布云图 向轮的等效应力主要分布于改向轮横梁固定端，并表现出从横梁固定端到横梁另一端所承受等效应力持续下降的特征 。其中最大应力值为 ，该应力值远小于所选用材料的最大屈服强度，证明改进设计中改向轮相关设计符合要求。由图 （）可知，矿用巷道内架空乘人装置中改向轮的等效位移主要分布于改向轮横梁非固定端，并且等效位移分布表现出改向轮横梁非固定端到固定端不断下降的特征。总体来说，改向轮的最大等效位移点出现于从改向轮横梁非固定端端部区域，等效位移分布方向与等效应力分布方向截然相反。最大等效位移为 ，处于许用标准范围内，年第 期何亮，等：矿用巷道内架空乘人装置关键零部件的结构性能分析第 卷证明改进设计中改向轮相关设计符合要求。改向滑轮通过 软件对改向滑轮进行有限元仿真分析，具体仿真分析时不考虑改向滑轮自重以及惯性力所造成的影响，只考虑钢丝绳对改向滑轮所施加的作用力以及架空乘人装置自重及载重 。另外模型构建中需要为改向滑轮模型施加 耦合约束，并在模型参考点上施加边界条件，为模型配置 个方向自由度。改向滑轮等效应力和等效位移分布云图如图 所示。图 改向滑轮等效应力和等效位移分布云图 由图 （）可知，矿用巷道内架空乘人装置中改向滑轮的等效应力主要分布于改向滑轮内圈周边以及改向滑轮与轴接触区域，并表现出从该项滑轮与轴接触区域到钢丝绳与改向滑轮接触滑槽区域所承受等效应力持续下降的特征。其中最大应力值为 ，该应力值远小于所选用材料的最大屈服强度，证明改进设计中改向滑轮相关设计符合要求。由图 （）可知，矿用巷道内架空乘人装置中改向滑轮的等效位移主要分布于钢丝绳与改向滑轮接触滑槽区域，并且等效位移分布表现出从钢丝绳与改向滑轮接触滑槽区域到改向滑轮与轴接触区域不断下降的特征。总体来说，改向滑轮的最大等效位移点出现于钢丝绳与改向滑轮接触滑槽区域区域，等效位移分布方向与等效应力分布方向截然相反。最大等效位移为 ，处于许用标准范围内，证明改进设计中改向滑轮相关设计符合要求。综上所述，改进后的矿用巷道内架空乘人装置关键零部件的结构性能符合设计要求，并且留有一定的性能冗余，可有效保障矿用巷道内架空乘人装置的使用稳定性和安全性 ，进而保障井下工作人员人身安全，落实安全生产相关要求。改进后架空乘人装置的工程应用 优势（）相较于改进前，改进后的矿用巷道内架空乘人装置可实现静止上下车站以及同一车站静止上下车等效果，并且乘员还可以一直朝向前方，方便乘员根据需要进行架空乘人装置的换向、停车控制。钢丝绳采用适应单侧乘人装置的上下布局结构，并结合钢丝绳扣压式结构 ，结合其他关键结构参数设计优化内容有利于后续架空乘人装置自动化改造中系统自动化、智能化控制操作，提高控制效果。（）改进后架空乘人装置具体应用成效较为显著，其一方面可以减少井下工作人员上井和下井时间，还可以有效降低井下工作人员的工作强度，提高井下生产效率及效果。另外，虽然设计中未进行架空乘人装置自动化设计，但所设计的方案可以为后续自动化改造提供便利 。通过工程应用分析后确认，相较于改进前，改进后架空乘人装置至少可以减少每人每天 的上下井时间，提高煤矿生产效率的同时，也可以为煤矿辅助运输以及安全生产提供重要保障。经济效益（）设备费用。改进后架空乘人装置所采用的相关装置及设备均为国产装置和设备，其总体成本约为 万元，而某煤矿原采用的进口设备的价格则为 万元，由此可见改进后的架空乘人装置仅在装置及设备采购方面就可以节省 万元的前期成本。（）运行费用。改进后架空乘人装置需要在装置机头处和机尾处各配置 名工作人员，若是使用区域为斜巷区域，则还需要为改进后架空乘人装置配置 名绞车司机、名上下车场信把工以及 名车工。某煤矿中原采用的进口设备则需要共配置 年第 期能源与环保第 卷 名操作人员，即改进后架空乘人装置工作人员减少 名，假设每名工作人员的年工资为 万元，则可以在工作人员成本方面节省每年节省 万元。（）生产效率。采用改进后的架空乘人装置可有效提高煤矿井下劳动生产效率。改进后架空乘人装置的实际运行速度为 ，某煤矿回采巷道全长为 ，运行全程预计需求 。某煤矿原采用的进口设备更侧重于保障生产安全性，其运行全程需 ，即改进后架空乘人装置一个来回可节省 。根据某煤矿实际情况来看，全体员工的工效约为 工，计算后可确定改进后架空乘人装置每天可增产约 ，全年可增产 。社会效益根据煤矿中的具体应用可知，改进后的矿用巷道内架空乘人装置可有效降低架空乘人装置的安装成本、运行费用，并一定程度上提高煤矿井下生产效率，更有利于架空乘人装置普及应用的同时，保障井下工作人员的人身安全，落实煤矿井下安全生产相关要求。安全性能改进后架空乘人装置在某煤矿中的巷道坡度为 ，实际运行速度为 ，符合 煤矿安全规程 中运行速度低于 的要求。同时改进后架空乘人装置的上行 下行制动减速度分别为 和 ；制动力和牵引力分别为 和 ，制动力为牵引力的 倍；尾轮预紧力和钢丝绳破拉牵引力分别为 和 ，钢丝绳破拉牵引力大于尾轮预紧力。改进后架空乘人装置符合安全性能要求。结语综上所述，基于矿用巷道内架空乘人装置的基本工作原理，结合架空乘人装置各关键部件原有参数及使用情况，介绍一种架空乘人装置关键零部件参数设计方案。此架空乘人装置所设计的关键零部件及其参数内容相对较多，所以在具体应用中需要对原有结构进行具体优化调整，保障改进后架空乘人装置的应用成效。在具体应用过程中，分别通过改进后、改进后经济效益以及改进后社会效益 个角度分析改进后矿用巷道内架空乘人装置的应用价值，进而确定改进后架空乘人装置可有效降低矿用巷道内架空乘人装置可有效降低架空乘人装置的安装成本、运行费用，并一定程度上提高煤矿井下生产效率，更有利于架空乘人装置普及应用的同时，保障井下工作人员的人身安全，落实煤矿井下安全生产相关要求。参考文献（）：黄辉，王欣 智能型液压驱动架空乘人装置控制系统设计 中州煤炭，（）：，（）：，计海鑫 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