BF型防坠器缓冲绳在制动过程中的作用分析*

2015-06-11李令德贺彩龙

机械研究与应用 2015年2期

李令德，贺彩龙

(湖南煤矿安全监察局安全技术中心，湖南长沙 410004)

0 引言

防坠器是矿井提升系统的重要组成部分，尤其在立井缠绕式提升机系统中，发生主提升绳断绳等紧急情况时，将罐笼平稳制动在制动绳上，以避免罐笼坠入井底造成更大的事故。因为其重要性，《煤矿安全规程》对它的使用性能进行了具体的规定。BF型防坠器是目前使用较为广泛的防坠器(如图1)，它由开动机构、传动机构、抓捕器、缓冲机构4个部分组成。其中，开动机构是当主提升绳断绳时使得防坠器动作;传动机构是将开动机构的动作命令传递到执行机构的桥梁;抓捕机构则是防坠器制动的关键部分，负责将罐笼制动在制动绳上;缓冲机构能有效降低突然制动带来的大减速度，使得制动过程变得更加平稳。

防坠器使用过程中的关键点，不仅仅是要能够在发生危险的时候制动住，还要考虑制动过程是否平稳，尤其是在有人员乘坐时，还要考虑制动过程是否会对人员造成伤害。安全行业对防坠器的技术要求很高很具体。要求在进行脱钩试验时，动作空行程时间不大于0.25 s［2］，在最小终端载荷下，罐笼的制动减速度不应大于50 m/s2，在最大终端载荷下，罐笼的制动减速度不应小于 10 m/s2［1－2］。目前，关于防坠器脱钩试验的方法研究较多，但对于制动过程中制动距离、缓冲距离等对制动效果的综合影响分析较少，一般都是根据能量守恒定律间接计算制动减速度［3］。通过对制动过程中的减速度进行详细分析，提出了缓冲绳的缓冲距离对整个制动的影响。

图1 BF型防坠器结构示意图

1 制动过程的动力学分析

设想罐笼以初速度v0向下运行时制动，如图2所示。制动减速过程应该分为三个主要过程:

(1)罐笼受重力作用，如图2(b)所示，做有初速度的自由落体运动。开动机构动作时，开动弹簧动作将滑楔向上拨动，压紧制动绳。因为滑楔和制动绳之间有一个允许距离，一般不超过8 mm，弹簧力的作用时间为空动时间。这期间，罐笼受重力作用(系统的向上的阻力忽略)，加速度为g。

(2)滑楔在制动绳上的动作过程，如图2(c)所示。从滑楔接触制动绳开始，因为金属之间的摩擦力比较小，靠加大两者之间的正压力来增大摩擦力，所以，还要依靠开动弹簧的力来使滑楔紧紧压住制动绳。在重力和弹簧力的作用下，这个过程很短，为了便于计算，忽略该过程中的制动减速度对整体的影响。

式中:G为罐笼、防坠器等固定部分的重力;f1+2为系统的摩擦力和滑楔与制动绳之间的摩擦力之和;a1为滑楔作用过程的制动减速度。

式中:x3－x2为滑楔作用过程的位移;t3－t2为滑楔作用过程的持续时间。

因为t3－t2→0，a1虽然比较大，但是因为持续的时间很短，所以对整个制动过程的影响并不大。

(3)缓冲过程，如图2(d)所示。缓冲器发生作用，提供进一步的制动力，罐笼速度降为零，缓冲绳被拉出x4－x3的距离。在这个过程中，制动绳还有一个弹性伸长量，而且这个弹性伸长量会因为制动绳本身的长度、使用的时间以及磨损情况会有所变化。因为考虑到这个量相对于本文考虑的减速度来说影响不是很大，因此不做具体分析。此过程中的减速度为a2。

因为t3－t2→0，所以式(4)也可写为:

式中:x4－x2为缓冲绳拉出的距离。

图2 制动减速过程

上述三个过程的速度位移曲线示意图如图3。

2 制动过程的减速度分析

根据《大众科学》最近刊载的一项研究表明，14个g的加速度可以让人的器官分离，而4～8个g的加速度可以让人昏迷。在最小终端载荷下，罐笼的制动减速度不应大于50 m/s2，在最大终端载荷下，罐笼的制动减速度不应小于10 m/s2，同时，防坠器的空行程时间不大于0.15 s。综合分析制动减速度应该满足 g≤a≤5 g。

图3 减速过程的速度时间曲线

缓冲绳拉出的距离和防坠器空动时间都是通过仪器实际测量得到，综合式(1)、(2)、(5)，整理得到:

即:

式中:H为防坠器空动时间内下降的距离;L为缓冲绳被拉出的距离。

根据g≤a≤5 g的要求，结合式(7)的要求，有:

由此可知，缓冲绳在缓冲器中抽出的长度并不是随意的，而是要满足式(8)的要求。当罐笼下降的初速度较大时，缓冲绳抽出的距离就比较长。在设定初速度为零的前提下，即重载脱钩试验时，要求空动时间小于0.15 s，则 H≥ 0.1125 m，代入式(9)，得出:L≥22.5 mm，即在零速脱钩的状态下，缓冲绳被抽出的距离也不应小于22.5 mm。