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第2卷 第7期 2007 年 7 月 480 矿山运输机械的安全装备研究 葛世荣，张德坤，朱真才，刘金龙，李允旺 中国矿业大学机电工程学院，江苏徐州 221116 摘 要矿山机械运行中发生的安全事故列煤矿生产事故的第四位，其中运输机械发生的事故占多数，因而有 效预防遏制矿山机械的重大事故对于改善煤矿安全生产形势具有重要意义。 本文针对矿井提升机制动器故障预 防以及过卷墩罐事故、带式输送机打滑和断带事故、斜井提升矿车失控跑车事故的防控装备进行了研究，对煤 矿救灾机器人进行了介绍。 关键词矿山机械工程；事故预防；安全保护装备；矿山可靠性；故障机理 中图分类号TD5 文献标识码A 文章编号1673－7180200707－0480－7 0 引言 在复杂地质条件和恶劣环境下，矿山机械安全 运行面临工况多变、载荷随机性大的严峻挑战。根 据 1994～2003 年全国煤矿事故的统计, 机电事故 在各种事故中居第 4 位,运输事故占总事故数的 20～30。同时，机电事故还是引起瓦斯爆炸等重 大事故的一个重要因素，煤矿井下由于电火花引起 的瓦斯爆炸事故占瓦斯爆炸事故总数的40～45。 煤矿机电事故死亡人数平均占总事故死亡人数的 2.14。因此，采取有效促使遏制煤矿机电事故、尤 其是运输事故，对于改变煤矿安全生产面貌、保障 生产能力具有重要意义。 1 矿井提升安全保护装备研究 矿井提升系统是煤矿井下与地面沟通人员、材 料的咽喉要道。实际运行中，由于司机操作失误、 制动器零件故障、电器控制失灵等原因，时常发生 制动器刹车失效事故，导致提升容器过卷过放和断 绳坠落。这种危害性事故对提升机井筒装备破坏严 重，影响生产时间长，经济损失很大。以前，没有 可用于制止制动器失效事故的措施，过卷容器靠罐 道上安装的楔形木罐道实现缓冲制动，靠井架上设 置刚性防撞梁防止容器上冲，存在缓冲能力小、性 能不稳定、事故占用时间长等问题，因此提升机运 行的过卷事故时常发生，严重影响矿井正常生产。 根据系统可靠性理论，矿井提升机的安全保护需要 构建整体联动保护技术，它包括制动器补偿保护装 置、高可靠性液压站、多盘式摩擦缓冲装置、弹性 承接缓冲装置、弹性防撞缓冲托罐装置，形成由制 动保护、井底托罐、井口缓冲三道安全保护环节。 1.1 制动器后备保护装置研究 1.1.1 补偿制动器设计 双作用油缸原理的补偿制动器结构设计如图 1 所示。它由闸瓦、筒体、碟形弹簧、双作用油缸、 基座等部件组成。前油腔 A 是正常定位停车制动的 控制油腔， 后油腔 B 是事故情况下的补偿增压油腔。 当检测到提升机制动力矩不足的情况时，前油腔 A 回油，启动控制阀将液压站蓄压器内储存的压力油 注入后油腔 B，压力油正向推动活塞而带动筒体向 闸瓦施加补偿正压力，从而产生补偿制动力矩。补 偿制动力矩与碟形弹簧制动力矩相叠加，增加提升 机摩擦制动力矩而达到安全刹车的目的。 1.1.2 高可靠性液压站设计 该液压站采用可靠性原理进行设计，满足提升 机的工作制动、安全制动和调绳等功能要求，使提 升机制动器的故障率大为降低。它采用了电液比例 溢流阀的调压功能，把老式液压站的十字弹簧式调 压装置改成电液比例溢流阀调压装置，具有调压线 性度好、调压稳定的优点。设计了双路回油保护功 能，在紧急制动时，为了防止回油管路不畅或堵塞， 在原有的回油管上又并联了一条回油管路，提高了 紧急制动的可靠性。增加了残压保护功能，在系统 残压过高时，能够实现安全制动，提高了系统的制 中国科技论文在线 SCIENCEPAPER ONLINE 第2卷 第7期 2007 年 7 月 481 中国科技论文在线 SCIENCEPAPER ONLINE 动可靠性。设置了电磁阀故障监测功能，对每一个 电磁阀的阀芯都安装监测传感器，当电磁阀出现故 障时，能够报警并显示发生故障的电磁阀，给维修 带来了极大的方便，同时实施安全制动。采用 PLC 控制，整个液压站的电控部分采用 PLC 控制器，提 高电控系统的可靠性。 图 1 补偿制动器结构图 1.2 过卷过放缓冲保护装置研究 1.2.1 多盘式摩擦缓冲器设计 多盘式摩擦缓冲器是为过卷容器提供稳定强大 的缓冲力而设计，它包括碟形弹簧、内制动盘、外 制动盘、摩擦片、调力盘、中心轴、转动卷筒、钢 丝绳、安装底座和保护罩等，如图 2 所示。内制动 盘两侧端面镶嵌摩擦片，并且通过中心轴与基座固 定连接；外制动盘由碳钢制造，与卷筒连接成为转 动体，卷筒缠绕缓冲钢丝绳。 内置碟形弹簧的压缩力在内外制动盘之间产生 平面接触正压力，当过卷冲撞容器拉动卷筒缠绕的 钢丝绳时，卷筒转动使内外制动盘之间发生滑动摩 擦，由此产生摩擦制动力矩而使钢丝绳具有稳定的 缓冲制动力。缓冲器的保护罩使摩擦副封闭，避免 矿井淋水、粉尘对摩擦副性能的影响，保证了缓冲 制动的可靠性。 图 2 多盘式摩擦缓冲器结构示意图 1.调力盘；2.调力螺母；3.轴座；4.轴套；5.卷筒；7.内制动盘；8.摩擦片；9.外制动盘；10.碟形弹簧； 11.边制动器；12.钢丝绳；13.压绳块；14.密封圈；15.键；16.轴；17.保护罩；18.底板 第2卷 第7期 2007 年 7 月 482 1.2.2 弹性承接缓冲器设计 弹性承接器由摆动托爪、压缩弹簧、保险拉杆、 转换拉杆组成，如图 3 所示。正常提升时，摆动托 爪通过压缩弹簧支撑停车罐笼的轻量动载荷，作为 罐笼停车定位的承接装置使用。当发生过卷事故时， 弹性承接装置的弹簧系统将吸收部分冲击能量，保 险拉杆的弹塑性破断也吸收部分冲击能量，两部分 的协同缓冲作用为过放容器提供第一级保护。如果 过放罐笼动量较小，弹性承接装置的一级缓冲即可 起到制动保护作用。 对于较大动量的过放罐笼冲击情况，保险拉杆 被拉断，摆动托爪让开通道使罐笼进入第二级缓冲 阶段，由多盘式摩擦缓冲器提供更大的缓冲制动力， 实现防蹲罐保护。多盘式摩擦缓冲器安装在井底的 上口位置，避免井底水窝潮湿、沉积废料的损害， 其使用可靠性得以保证。 图 3 弹性承接装置及摩擦缓冲器联合保护示意图 1.转换手柄；2.拉杆；3.强力弹簧；4.缓冲杆；5.活动轨道； 6.机架；7.基础后梁；8.基础前梁；9.托爪；10.安全销； 11.多盘式摩擦缓冲器；12.钢丝绳；13.缓冲托梁 1.2.3 弹性防撞缓冲托罐装置设计 弹性防撞缓冲托罐装置由橡胶弹簧、防撞梁、 弹簧悬挂装置、摆动式托爪、限位销轴、复位弹簧 等部件组成，如图 4 所示。摆动式托爪是开弧形槽 的三角块结构，托爪以限位销轴为轨迹可以向上摆 动，为过卷的提升容器让道放行，复位弹簧的拉力 以及托爪的偏心自重使上摆托爪复位，承接托爪通 过钢丝绳与弹簧悬挂装置连成一体。过卷上冲容器 与防撞梁的橡胶弹簧碰撞后被限位卡住，防止过卷 容器冲出井架。一旦提升钢丝绳受冲击破断，坠落 容器将被托罐装置的摆动托爪承接，坠落容器的冲 击动量由弹簧悬挂装置吸收，实现缓冲防坠托罐， 达到减轻冲击载荷、防止容器坠落的安全保护目的。 图 4 弹性防撞缓冲托罐装置示意图 1.防撞梁；2.弹簧悬挂装置；3.橡胶弹簧；4.钢丝绳； 5.井架；6.滑槽；7.限位销轴；8.托爪；9.转动销轴； 10.固定梁；11.拉簧 1.3 斜井提升防跑车实时捕捉装置设计 在煤矿生产中，斜井提升跑车是矿井运输中最 为严重的事故。目前，煤矿使用的防跑车装置种类 较多，主要有摆杆式、电动式、雷达探测式、轨道 感应式防跑车装置，它们都无法实现实时捕捉过速 矿车，存在灵敏度不够高、误动作多的问题。根据 煤矿安全规程要求，斜井防跑车装置必须灵敏 可靠，动作准确，但结构不宜过于复杂。 能够实时捕捉失控矿车的新型防跑车装置如图 5 所示。 它主要由钢丝绳抓捕机构、 钢丝绳和缓冲装 置三部分组成。缓冲装置被安装在斜井的最上端， 和钢丝绳相连接，在斜井绞车的轨道上铺设钢丝绳， 使其从缓冲装置到井底。抓捕机构的底座 3 安装在 专门设计的捕捉车上，捕捉车后端连接运输矿车， 机构上钢丝绳连接滑轮 1 和绞车钢丝绳相连接。钢 丝绳穿过抓捕机构上的钢丝绳导向滑轮 4。 在矿车正 常运行时， 钢丝绳拉动滑轮 1 到位置 1， 并通过限位 块 2 使钢丝绳保持一定的拉力。这时，细钢丝绳 5 拉动油缸 7 上的活塞杆，带动楔形块 6 运动并张开 一定距离，钢丝绳可以从该间隙中通过，矿车可以 正常运行。一旦绞车出现断绳事故，抓捕机构上的 滑轮 1 在弹簧力的作用下立即回收，在细钢丝绳 5 的拉力下退到位置 2， 油缸 7 的活塞杆在弹簧作用下 带动楔形块 6 向右运动，楔形机构闭合，靠楔形机 矿山运输机械的安全装备研究 第2卷 第7期 2007 年 7 月 483 中国科技论文在线 SCIENCEPAPER ONLINE 构夹紧钢丝绳，而且越夹越紧。抓捕机构抓住钢丝 绳后会继续向下冲击，钢丝绳在摩擦式缓冲装置的 作用下会缓冲其冲击力。 3 2 9 1 45678 2 图 5 斜井跑车实时捕捉装置示意图 1.钢丝绳连接滑轮；2. 限位块；3. 底座；4. 钢丝绳导向滑轮；5. 细钢丝绳； 6. 楔形块装置；7. 油缸；8. 滑轮；9. 滑杆 2 矿山带式输送机安全保护装备研究 2.1 电流变软启动技术 随着煤矿生产不断向集约化发展，矿井胶带输 送机朝着大运距、宽胶带、高速度、大功率方向发 展，软启动、软停机和节能问题就成为大型输送机 的关键技术问题。软启动和软停车是指机械系统即 使是在满载的工况下也能够平稳地按照合理的加速 度逐步克服整个系统的惯性而启动或停车。目前国 内外主要的软启动技术有机械软启动技术，例如 液力偶合器软启动、液体粘性软启动、磁粉制动软 启动、低速大转矩液压马达软启动等；电机软启动 技术，例如大功率变频调速软启动、直流电动机软 启动、开关磁阻电动机软启动等；机电结合软启动 技术，例如双电动机差动软启动等。 电流变流体 Electorheological Fluids， 简称 ERF 在电场作用下的粘度将产生明显变化，从而使液体 变稠、变硬直至凝固。当电场消失时，电流变流体 立即变稀，恢复原来液体状态。电流变流体在液态 和固态之间的转换具有可逆、连续可控、控制简单、 响应迅速和能耗低等特性。因此，利用电流变技术 研究矿山机械的软启动技术具有广阔的工程应用前 景。 将电流变制动器与行星差动传动技术相结合， 可以设计出电流变传动装置。在这种软启动传动装 置中，行星减速器的内齿圈是差动的。液体粘性制 动器的动、静摩擦片分别通过花键安装在内齿;圈和 机壳上。 当软启动开始时， 液体粘性制动器处于 “分 离”状态，内齿圈因行星减速器输出轴的;负载较大 而差动空转，因此电动机能够在轻载的状态下启动 运行。当液体粘性制动器逐渐接合制动时，内齿圈 将逐渐减速，而输出轴则加速，从而实现负载的软 启动。这种设计充分利用了电流变流体的电致特性 （如图 6 所示），把电流变特性的柔性接入、离合 简单、无极调速、响应迅速、控制简单等良好性能 引入机械传动,使离合、调速等功能整合为一体。只 通过对电压进行调节和开关选择，即可实现带式输 送机的离合、换向和调速等功能。与调速型液力偶 合器相比，电流变软启动装置具有体积紧凑、控制 特性良好以及在正常工作时传动效率高的优点。 图 6 电流变传动原理 2.2 液压绞车自动张紧装置设计 带式输送机张紧装置的主要功能就是保证输送 带有足够的张力，防止出现打滑现象。自动张紧装 第2卷 第7期 2007 年 7 月 484 置必须满足以下技术要求1随着输送带张力变化 而自动调节张力与张紧行程，始终保持输送带所规 定的挠度；2响应速度快，响应时间要短于输送带 张力变化周期，而且运行平稳，否则就会出现输送 带张力不稳定引发振动，严重时还会发生共振。 图 7 全数字控制液压自动张紧装置原理图 1. 电控柜；2. 电动机；3 . 油泵；4. 过滤器；5. 阀块； 6. 液压绞车；7. 张力调节油缸；8. 蓄能器；9. 张力检测 装置；10. 张紧小车； A、 B、 C 油管 目前国内常见的带式输送机张紧装置有重锤张 紧和固定绞车张紧，近年推出了液压油缸式张紧装 置。适应大型带式输送机发展需求的液压绞车自动 张紧装置如图 7 所示，它由液压站、液压绞车、电 器控制柜、张紧监控装置和张力控制器五部分组成。 在带式输送机正常运输过程中，张力检测装置实时 监测输送带的张紧力，一旦发现张紧力小于正常张 紧力的下限规定值时，它将通过电控系统重新启动 液压系统，增大输送带张力至正常运行所需值。调 整结束后，液压系统再次自动停止工作。当需要停 止带式输送机运行时，只需按下停机按钮，带式输 送机张紧装置就会停机。需要带式输送机再次起动 时，重复上述操作程序即可。 2.3 楔块式断带保护装置 由于带式输送机的输送带长期承受大负荷连续 运转，同时也遇到一些意外因素（如矸石撞击或金 属物卡阻输送带） ，将会造成输送带突然断裂。一旦 发生断带下滑事故,就会摧毁皮带机机架、 损坏设备、 堵塞运输巷道，造成长时间的停产和重大经济损失， 甚至人员伤亡，后果极其严重。发生断带的位置具 有相对集中且随机性较大的特点，因此需要动作灵 敏、制动可靠的断带捕捉保护装置。楔块式上运皮 带输送机断带保护装置结构简单，安装使用方便， 制动力大，不易损伤输送带。 该装置主要由安装支架、触发辊轮、楔形制动 闸、上闸块、拨板和防偏立辊等部分组成，如图 8 所示。安装支架经 U 形螺栓组固定在皮带输送机中 间架上；在安装支架的中间固定有一单向的触发辊 轮，触发辊轮通过拨板连接了两侧的楔形制动闸， 拨板装置保证了左右楔形闸块与辊轮动作的同步 性。在两侧安装了可摆动、可开闭的上闸块。上闸 块与楔形制动闸块的间距可通过上闸块固定梁来调 节。当皮带输送机正常运转时，承载皮带带动着触 发辊轮正向旋转，上闸块打开。当承载皮带发生断 带时，皮带因纵向张力缺失而压向楔形闸块，皮带 摩擦力带动触发辊轮沿导轨下滑，带动楔形闸块动 作，同时使得上闸块在扭簧的作用下迅速地旋转至 皮带上方参与制动，在皮带的作用力下发生自锁将 皮带的空载边夹紧在楔形闸块与上闸块之间。 a开启待机状态 b闭合制动状态 图 8 楔块式断带保护装置 1. 安装支架；2. 上闸块固定梁；3.扭簧；4.上闸块；5.楔形制动闸； 6.触发辊轮；7.导轨；8.拨板；9.防偏立辊 矿山运输机械的安全装备研究 第2卷 第7期 2007 年 7 月 485 中国科技论文在线 SCIENCEPAPER ONLINE 3 井下电机车摩擦牵引可靠性研究 煤矿井下电机车以车轮与钢轨之间的摩擦作用 牵引矿车，因而电机车的牵引能力和运输成本很大 程度上取决于电机车轮轨之间的摩擦系数；同时， 由于轮轨之间连续滚动接触疲劳，故车轮的疲劳磨 损亦非常严重。当前，煤矿井下环境钢轨与车轮之 间的摩擦系数（或称粘着系数）维持在 0.15 左右； 在潮湿环境下，摩擦系数仅达 0.09；轮轨摩擦系数 过低及其对环境的敏感变化致使现有电机车牵引能 力得不到充分利用，导致电机车运输能力的浪费。 因此研究增大轮轨摩擦系数减少轮轨磨损的新技术 和新材料对煤矿轨道机车运输非常有意义。 图 9 复合车轮结构示意图 1 复合材料轮箍；2 压紧螺栓；3 钢轮芯； 4 定位盘；5 锁定螺栓 0246810 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 0.35 Friction coefficient Cycle/10 4r 图 10 复合材料轮箍的摩擦系数测试曲线 高摩擦系数聚合物轮箍与钢轮毂结合的电机车 复合车轮结构如图 9 所示，它由复合材料轮箍、钢 轮芯、定位盘、压紧螺栓等组成。复合材料轮箍镶 套在钢制轮芯外缘，形成复合材料踏面与钢轮芯组 合一体的复合车轮。定位盘上的止口与钢轮芯导向 面之间为间隙配合；复合轮箍与钢轮芯之间采用锥 面过盈联接；压紧螺栓旋进时，定位盘压紧复合轮 箍，使复合轮箍在钢轮芯外锥面上胀紧；锁定螺栓 对复合轮箍定位，防止复合轮箍切向错动。复合轮 箍磨损更换时，将定位盘拆下，从锁定螺栓孔反推 轮箍，即可拆下复合轮箍。钢轮芯用现有的钢车轮 材料制造，复合材料轮箍用专门的复合材料制造。 试验结果表明，复合材料轮箍的摩擦系数达到 0.25～0.35 之间， 远高于钢轮与钢轨的摩擦系数， 将 大幅度提高电机车的牵引能力和安全性。 4 煤矿救灾机器人研究 近年来，我国矿难事故频发。矿难环境随时有 再次发生危险状况的可能，对救灾工作造成极大困 难。因此，研制一种能够代替救护队员深入事故现 场进行人员搜索和救援的机器人成为一项迫切任 务。2006 年，中国矿业大学研制出我国第一台用于 煤矿环境探测以及煤矿灾难搜救的机器人 CUMT-1 号， 如图 11 所示。 它能够实时探测灾区的瓦斯浓度、 一氧化碳浓度、粉尘浓度和温度，安装有低照度摄 像机，实时传回灾区的视频和环境信息，具有双向 语音对讲功能，可以报告受害者的情况，与受害者 进行对话。车上可携带食品、水、药品、救护工具 等救灾物资。目前，该项目已经列入我国 863 高技 术前沿项目资助。 图 11 CUMT-1 煤矿搜救机器人 [参考文献] [1] 葛世荣，曲荣廉，谢维宜. 矿井提升机可靠性技术[M]. 徐 州中国矿业大学出版社，1994. 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The safety protection equipments for mining conveyer machines Ge Shirong，Zhang Dekun，Zhu Zhencai，Liu Jinlong，Li Yunwang （College of Mechanical Engineering，China University of Mining and Technology，Xuzhou，Jiangsu 221116） Abstract The accidents occurred in mining machinery operation occupy the fourth place of the total accidents in China coal mining, among the most of them belongs to conveying operation, such as hoisting, belt conveyer and inclined hoisting. Therefore, developing new safety protection equipments to avoid the accidents in mining machinery operation is very important to accident reduction in China coal mines. In this paper, the design of hydraulic station with high reliability for hoisting brakes, protection equipments for over-winding and bottom crash of cages, automatic hydraulic tension equipments for belt conveyer, and catch equipments for tramcars are introduced. The rescue robot to be applied in coal mines is also shown. Key words mining machinery engineering；accident prevention；safety protection equipments；mining reliability engineering；failure modes 矿山运输机械的安全装备研究