架空人车楔形钢丝绳断绳抓捕装置设计与仿真分析.pdf

200/矿业装备 MINING EQUIPMENT装 备0 引言结合架空人车日常进行的人员输送工作，在实际运行中主要装置钢丝绳容易受到环境影响出现锈蚀，同时在电气故障和日常使用中也容易使钢丝绳受到冲击、超载、负荷变化不均和疲劳等方面影响，最终导致断绳问题，引发较大的安全事故。因此有必要结合断绳隐患进行钢丝绳安全抓捕装置的研究，提高架空人车的运行安全性，尤其在大倾角工作面的开采中，该抓捕装置的研究具有重要意义。不过在进行抓捕装置设计后还需进行一定的仿真分析和实验工作，从而证明设计的合理性和应用的有效性。1 断绳抓捕整体方案设计 1.1 设备整体结构断绳抓捕装置主要由 PLC 控制、张力监测和楔形抓捕三部分组成。张力监测部分涵盖张紧油缸、尾轮和张力在传感器等，目的是对断绳信号进行识别和数据传输；PLC 控制部分主要用于接收和处理断绳信号并进行对应指令输送；楔形抓捕部分则主要包含楔形块、滑轨、电磁换向阀和液压推杆等部件，主要作用是结合 PLC 控制信号落实具体的断绳抓捕动作1。1.2 非抓捕状态当 PLC 对张紧绳张力的检测一直处于正常数值时，PLC 会控制电磁转向阀使液压推杆处于推出状态中。因此在非抓捕状态下，借助液压推杆可以确保楔形块在沿滑道运动方向上与钢丝绳留有一定距离，不会对钢丝绳的应用造成其他影响。1.3 抓捕状态断绳抓捕流程包括：在架空人车的钢丝绳出现断裂问题时，与尾轮连接的张紧绳会失去张力，这时 PLC会检测到尾轮张紧钢丝绳的张力异常，在与设计值进行比较分析后，给予电磁换向阀动作指令，使液压推杆收缩。液压推杆的收缩会使楔形块滑动进而和钢丝绳接触，会使两者产生较大的摩擦力。在楔形块重力、液压杆推力和钢丝绳与楔形块间的摩擦力的作用下，楔形块和钢丝绳会出现越楔越紧的现象，进而锁紧钢丝绳使其静止。在抓捕器完成抓捕动作后，能借助复位按钮取消抓捕器的抓捕动作，当做好有效的维护与检修下，再次借助复位按钮使整体系统恢复待抓捕状态。2 断绳抓捕器的仿真分析 2.1 断绳抓捕器运行原理 在进行断绳抓捕器的仿真分析中，需先了解断绳抓取的原理，确保实验分析可以明确主要的配件并做好力、条件的施加。实际抓捕利用楔形夹紧原理，具体借助楔形块在滑轨中的移动对断绳进行楔紧，最终使钢丝绳停止运动。一般在断绳保护中，主要部分为楔形抓捕部分，会借助对称的两个楔形块共同楔紧钢丝绳，为了验证以上设计和合理性，下面进行仿真分析2。2.2 断绳抓捕器静力学分析为了确保以上设计具有合理性，需要进行静力学仿真分析，确保装置中滑轨、楔形块、连接板和安装板等主要部件具有较高的安全系数。具体会借助 ANSYS 软件进行装置主要零部件的应力、应变分析，同时结合仿真架空人车楔形钢丝绳断绳抓捕装置设计与仿真分析许坤（晋能控股集团轩岗煤电有限责任公司梨园河矿，山西忻州 036799）摘要：随着煤矿井下生产深度的增加下，架空人车的应用有着较大价值，在其良好的辅助运输作用下可以维持井下正常的开采效率。不过受到井下多种因素的干扰，架空人车易出现断绳问题，对井下作业人员有着较大的安全威胁，需要设计一款楔形钢丝绳断绳抓捕装置，完成对断绳的有效处理。通过对断绳抓捕整体方案的阐述，借助 ANSYS、ADAMS 软件分别进行装置的静、动力学分析，最后通过试验台完成对装置的实验及讨论，以期望可以满足矿企井下安全运输的需要。关键词：架空人车；楔形钢丝绳；断绳抓捕2023.8 矿业装备/201流程依次做好材料定义、网格划分、施加约束条件和载荷等方面工作，最后得到装置各部件的应力云图。具体应力数值中：连接板的最大应力值为 151.86MPa，位于连接板伸出部分的中间位置应力较为集中；楔形块的最大应力为20.55MPa，位置在楔形块底部接近端面处；滑轨和安装板整体的最大应力为 32.51MPa，位置在整体底部靠近滑轨右侧。结合仿真采用的材料为 45 钢，其极限屈服数值为 600MPa，因此以上配件的最大应力都在安全范围内。此外，借助安全系数数值进行分析，连接板、安装板和滑轨的组合整体、楔形块的安全系数分别为 3.96、19.14 和 29.14，各关键配件的安全数值都大于 3.0，设计具有可靠性。2.3 断绳抓捕器动力学仿真分析在进行断绳抓捕中，可以看作是钢丝绳与两个楔形块的摩擦、碰撞过程，在不断的摩擦和碰撞中消耗钢丝绳的能量，因此断绳抓捕过程可看一个动力学运动过程，需要钢丝绳在滑动一段距离后才会停止运动。结合实际摩擦和碰撞的钢丝绳只有很短一部分，为了提高仿真计算，需将钢丝绳假设为钢体。具体的仿真准备需要先利用 SolidWorks 软件构建抓捕相关三维模型，然后定义材料属性和为模型添加约束力，最后在对仿真时间（1s）和仿真步长（100）进行设置后，使用 ADAMS 软件进行动力学分析。在进行动力学仿真后，为了更直观的了解仿真情况，需要结合楔形块和钢丝绳接触过程的相关数据进行整理，同时也要进行时间和速度、时间与距离的相关信息进行收集。在速度和时间的数据中，可以发现在断绳和楔形块出现碰撞后，在瞬间内钢丝绳存在明显的回弹现象，0.025s 内速度有较大变动，不过在之后之钢丝绳的速度便无限接近于 0。在时间和距离的数据中，钢丝绳会在 0.025s 停止运动，其移动距离大约在 2.5mm。因此在理想状态下，抓捕过程中的耗时及制动距离都有着较高的价值，不过基于制造工艺其环境的多方面影响，还需要借助实际的实验明确该抓捕装置的应用效果3。3 实验结果讨论 3.1 实验准备在对断绳抓捕装置进行研究后，为了证明该抓捕器实际应用的效果，需要借助试验台搭建模拟现场工况，提高实验真实度和有效性，具体需要对钢丝绳、整体机架、脱钩机构、抓捕系统等方面进行合理应用。准备工作包括：需要在整体机架上安装抓捕系统。将钢丝绳缠绕在托绳轮和导绳轮上，借助导绳轮确保钢丝绳和楔形块的运行轨迹满足实验需求。在准备充足后借助脱绳机构能够模拟钢丝绳在完全紧绷状态下的断绳工况，同时断绳冲击力的模拟需要借助十根拉力弹簧（刚度系数 1.5N/mm）的串联进行。需要注意的是，为了提高实验的安全性，需要将弹簧置于护筒中。为了提高实验有效性，还需多次进行模拟实验并进行数据采集。3.2 实验数据分析在多次进行实验后，部分实验数据可以参考表 1。一方面，对抓捕距离进行分析，经过数据统计，实验中抓捕距离在 1.21.5m 之间，能有效满足断绳抓捕所规定的 3m 安全距离。另一方面，对抓捕中的断绳滑动距离、断绳抓捕前后油压、压差等方面的关系进行研究，需要借助 MATLAB 软件进行分析，可得到抓捕距离与抓捕前油压、抓捕后油压和压差之间有着一定的反比关系。4 结束语基于井下架空人车的运行安全隐患，需要结合实际情况进行断绳抓捕保护装置的研究，以预防突发断绳问题所造成的人员伤亡。在完成理论设计后，通过静力学分析可以证明抓捕装置的材料强度满足断绳抓捕需求，且在动力学仿真分析下，可以得到理论方面的断绳抓捕时间。最后为了明确该装置的实际应用效果，需要搭建验台进行断绳抓捕测试，在基于不同油压下得到断绳抓捕距离数据后，抓捕距离在 1.21.5m 范围内，符合 3m安全距离。在断绳抓捕器可以迅速对断绳进行抓捕下，具有较强的实际应用价值。参考文献1 李明航,侯紫清,宋波,等.架空乘人装置断绳抓捕器的设计研究 J.煤炭科技,2022,43(3):54-58.2 毛炜.架空乘人装置楔形断绳抓捕装置研究 D.太原:太原理工大学,2016.3 吴帅.架空乘人装置断绳抓捕器实验台的设计与研究 D.徐州:中国矿业大学,2014.表1 部分抓捕数据显示抓捕前油压/MPa抓捕后油压/MPa压差/MPa抓捕距离/m4.94.10.81.385.75.10.61.456.05.10.91.276.45.21.21.215.84.90.91.32