无轨运输车气动落钩柔性拦阻装置的设计

金建成 程建胜

【摘 要】针对井下无轨运输车斜巷下坡运行的安全问题，运用运动学理论对无轨运输车斜巷跑车进行了力学分析，通过参照航母舰载机降落时减速拦阻装置的拦阻索原理，设计了一种保障无轨运输车安全运行的气动落钩柔性拦阻装置。该装置可以根据无轨运输车辆的载重、行车巷道条件、运行模式等不同条件进行现场调试，能有效消除无轨运输车辆大坡度、高湿高滑长斜巷下坡行驶的不安全隐患，保证斜巷运输安全。

【关键词】无轨运输车 斜巷跑车 柔性制动 安全防护装置 拦阻索

无轨运输系统是相对于矿井有轨运输系统的一种新型矿井生产辅助运输系统，在国内各大煤矿得到了广泛的应用。但是，由于国内防爆动力设备生产能力相对落后，车辆的生产标准多参照国外行业标准，致使车辆性能、防爆特性、尾气处理、生产环节等方面滞后进口车辆。而且，受矿井生产环境、巷道倾斜条件、顶底板地质稳定状况、井巷水文地质等现场因素的影响，致使无轨运输系统的制动装置负荷过大，在斜巷下坡运行时容易发生跑车事故。

无轨运输车气动落钩柔性拦阻装置是参照航母舰载飞机降落时减速拦阻装置的拦阻索原理为依据，结合矿上无轨运输车安全运行管理经验和保障无轨运输车安全运行的实际需要设计的一种后备式安全保护装置。该装置在无轨运输车下坡运行制动系统故障发生跑车事故时，可以对车辆进行柔性制动，能有效避免跑车车辆事故扩大，多重保障乘员的人身安全。

1 无轨运输车斜巷跑车运动学原理分析

假设无轨运输车载人后在斜巷下坡时发生跑车事故，则在忽略车身剩余动力阻力仅在车身自重作用下的力学关系为：

车体重力：

车体平行斜巷向下的分力：

车体与斜巷底板的摩擦力：

式中：M——无轨运输车载人后的车身整重，Kg；

g—―重力加速度，取g=9.8m/s2；

θ——无轨运输车行车巷道倾角；

μ——井巷底板与车体的摩察系数；

当F1>F2时，即无轨车辆在自重作用下斜巷运行时具有平行斜巷向下的合力，所以当无轨车辆斜巷运行发生制动系统故障时在忽略车身剩余动力/阻力的情况下，无轨运输车辆就会发生跑车事故。

当无轨运输车辆斜巷运行发生跑车事故时，在忽略车身剩余动力/阻力的情况运动学原理为：

车辆加速度为：

车辆跑车速度：

车辆跑车距离：

式中：V0——斜巷下坡时正常速度，m/s；

T——斜巷跑车下行时间，s；

所以当无轨运输车辆跑车时间T足够大时，已跑车辆具有很大的中车速度和跑车距离，对应的跑车动能也非常大，当已跑车辆具有很大的动能时与巷道侧壁或弯道巷道相撞时就会有很大的冲量，最后就可能造成很大的安全生产事故。

2 无轨运输车气动落钩柔性拦阻装置构造及动作原理

无轨运输车气动落钩柔性拦阻装置主要由无轨运输车辆车尾安装固定的拉伸受力件和巷道底板间隔布置的具有缓冲吸能器的拦阻索两部分组成（如图1所示），通过手动或自动的方式控制装置拉伸受力件升降，当拉伸受力件降下并与巷道底板间隔布置的具有缓冲吸能器的拦阻索作用时就可使已跑车辆柔性制动。

无轨运输车气动落钩柔性拦阻装置的拉伸受力件为一钢性拉伸体，尾部为一“U型”钩，头部为固定在车体尾部横梁上、呈三级受力的装置，中部偏尾方向有一气动伸缩杆，通过导气管、通断阀门与车载气压（也可以是液压/电动）装置（该装置在车辆正常运行时压力要达到2MP以上，在车辆制动系统失灵时压力有效，且外接使用对车辆整体安全性无影响）相连，驾驶员操作（或自动操作）通断阀门开关时可实现控制该拉伸受力件升降。拉伸受力件受力点主要有尾钩与拦阻索钩点处和拉伸受力件与车体固定处，所有强力受力点处均进行倒角处理，以减小受力接触面的剪切效应。车体固定处受力点采用三级受力机制，一级受力为拉伸受力件与车体固定装置，用于固定气动落钩柔性拦阻装置；二级受力为拉伸受力件与车后轮车轴连接钢丝绳，为车辆跑车时的主要受力机构；三级受力为车体固定装置与车后轮车轴连接钢丝绳，为车辆跑车时的辅助受力机构，也具有车辆跑车急停时稳定车身的作用。

无轨运输车气动落钩柔性拦阻装置的拦阻索是由斜巷间隔成对安装的缓冲吸能器和缠绕吸能器内的高强度钢丝绳组成。拦阻索作用钩点处采用主、辅绳制动安装方式，主绳作为车辆柔性制动的主要拦阻索，辅绳作为车辆柔性制动的备用拦阻索或当主绳失效后的二级拦阻索。主绳中间套两个橡胶圈、辅绳在巷道侧壁用强力弹簧张紧，使拦阻索与地面保持50mm以上的间距，确保胶轮车跑车时尾钩能钩住拦阻索。胶轮车将经过拦阻索时，当无轨运输车气动落钩柔性拦阻装置的拉伸受力件处于升起状态时，车辆正常通过；当无轨运输车气动落钩柔性拦阻装置的拉伸受力件处于降下状态时，拉伸受力件尾钩将钩住拦阻索使车辆柔性制动。

3 无轨运输车气动落钩柔性拦阻装置设计及计算

假设（图2）无轨运输车斜巷行车时发生跑车事故，驾驶员能够沉着应对、及时启动（或车载测速装置能可靠自动启动）无轨运输车气动落钩柔性拦阻装置的拉伸受力件下降并钩住底板间隔布置的拦阻索发生柔性冲击，当无轨运输车跑车冲击作用时，服从以下条件：

（1）拉伸受力件为刚体，冲击变形忽略不计；

（2）被冲击拦阻索可以看成是一个弹簧，它的质量相对无轨运输车很小，可忽略不计；

（3）冲击中拉伸受力件与拦阻索接触，就相互附着成为一个自由度的运动系统；

（4）冲击载荷不是过分的大，保证被冲击构件受力后仍服从胡克定律；

（5）忽略不计冲击过程中能量损失。

则冲击作用时的动、静载荷比为：

即：

式中：——静变形量，m；

——动变形量，m；

Pd——冲击载荷，N；

当无轨运输车以速度V与拦阻索冲击作用时，根据能量守恒有：

即：

令：，，；

则有：

取：

则无轨运输车气动落钩柔性拦阻装置尾钩与拦阻索冲击作用时的动荷系数为：

所以，无轨运输车气动落钩柔性拦阻装置拉伸受力件与拦阻索作用时的冲击力为：

又因为，当无轨车辆跑车时，在忽略无轨运输车气动落钩柔性拦阻装置拉伸受力件与拦阻索作用时冲击能量损失时，跑车动能全被吸能器吸收，则有：

即：

式中：E0——吸能器的额定吸能量，J；

所以，当跑车车辆具有最大跑车距离时，有最大跑车速度和跑车动能，同时具有最大冲击力，即当时，FC有最大值：

又因为当拦阻索弹簧模型具有最大形变量时（忽略钢丝绳张力变形）具有最大弹性势能，即吸能器吸能量全转化为弹性势能有：

式中：K——弹簧模型弹性系数；

S——弹簧模型形变量；

则有：

又因为当无轨运输车斜巷自重下滑作用于拦阻索静变弹力由胡克定律有：

即：

所以：

（1）

又由材料力学知当无轨运输车气动落钩柔性拦阻装置的拉伸受力件正常动作受力时，整个拉伸体的最大拉伸应力为具有最小截面的集中应力区，所以拉伸受力件的最大受力点为尾钩与拉伸受力件主体的连接处。则对拉伸受力件的拉伸强度校验如下：

（2）

式中：σ——容许拉正应力；

A——集中应力区的截面面积，m2；

即当无轨运输车气动落钩柔性拦阻装置的拉抻受力件的集中应力区的截面大于应力

集中区的最大作用力Fmax与容许拉正应力σ的比值，便能满足无轨车辆跑车柔性制动的强度要求。

当按吸能器吸能量和最大防跑距离进行校验时有：

式中：LM——无轨运输车跑车距离，m；

则有：

（3）

当按钢丝绳的破断拉力进行校验时有：

（4）

式中：FN——钢丝绳最小破断拉力，N；

D——吸能器的安装间宽，m；

当按拉伸受力件尾钩与拦阻索作用点处铆钉的剪切强度进行校验时有：危险截面铆钉剪切面的最大剪力，则对应的正应力MPa，容许正应力MPa（n为安全因数，对于静载荷塑性材料一般取值为1.5～2.0，这里取2.0），所以铆钉的容许切应力MPa（0.5为安全系数，一般取0.0～0.8，这里取0.5），则铆钉的剪切面截面积：

（5）

式中：FQ——危险剪切面的最大剪力，N；

τ——危险剪切面的容许切应力；

d——钢丝绳的截面直径，m；

AQ——危险剪切面截面面积，m2；

通过式（1）、式（2）、式（3）、式（4）和式（5）的计算，便可得到无轨运输车气动落钩柔性拦阻装置拉伸爱力件及拦阻索的材质选型和相关尺寸的定型了。

4 结语

无轨运输车气动落钩柔性拦阻装置的设计主要是基于无轨胶轮车斜巷跑车时的运动学原理进行力学分析，通过对拉伸受力件的拉伸强度、剪切强度及拦阻索的破断拉伸强度进行安全性分析、校验，根据无轨运输车辆的载重、行车巷道条件、运行模式等不同条件进行现场适应，可以有效应对无轨运输车辆大坡度、长斜巷、高湿高滑巷道行车的不安全隐患。

参考文献：

[1]刘星.矿井防爆无轨胶轮车辅助运输系统的应用[J].科技情报开发与经济，2012，22（17）.

[2]和嫣梅.斜井防跑车装置的设计计算[J].煤矿机械，2003（10）.

[3]钱济成，徐道远，刘丽丽，符晓陵.材料力学[M].南京：河海大学出版社，1993.

[4]范钦珊，王波，殷雅俊.材料力学[M].北京：高等教育出版社，2000.

[5]孙训方，胡增强.材料力学（第四版）[M].北京：高等教育出版社，2002.