面向煤矿斜井跑车防护的柔性缓冲动力学仿真分析与实践
2021-08-04宋国栋
宋国栋
(应急管理部信息研究院,北京 100029)
煤矿跑车现象是斜井运输中常见的事故类型,跑车防护效果关系到斜井运输安全和防护装置重复使用效率[1]。目前,国内的跑车防护制动装置多采用钢丝绳拦网式挡车[2-6],采用压板式缓冲器进行高能碰撞吸收,调节阻力值需用公斤力板手由专业经验的人员进行操作,两侧的阻力值很难调到一致并且误差大。压力小钢丝绳容易抽出,压力大钢丝绳容易断裂造成矿车堆叠,对矿车、巷道破坏性大,容易造成重大人员伤亡;并且跑车拦截后缓冲器容易变形,不能重复使用;现有产品的误动作率高、可靠性差、无法承受高速冲击,严重威胁着煤矿的安全生产。国外技术发展呈现2个方向:①英国、美国、澳大利亚等国采用的塞尔达制动器[7-11],即通过变形吸能器作为缓冲装置,通过辊轮在平行交错中钢带的变形吸收碰撞能量;②俄罗斯研究的柔性缓冲器防护技术,即通过柔性缓冲器变形来达到吸收能量的目的[12-14]。具有制动距离短、抗冲击能力强、装置重复利用率高等特点。
综合国内外斜井跑车智能防护技术的研究情况,柔性缓冲防护及智能识别与预警技术装置具有吸收能量高、识别速度快、误动作率低等优点,代表技术发展的最新方向。
1 高能碰撞理论分析
煤矿斜巷一般采用挡车栏作为跑车防护的措施,挡车栏通过吸收撞击过程中产生的能量进行拦截失控车辆。在拦截过程中期望在较短的缓冲距离内吸收更多的缓冲能量。因此,需要对挡车栏采用高能柔性碰撞技术,利用钢丝绳与缓冲器之间的摩擦力,吸收矿车碰撞中的能量。为了达到较好的缓冲效果,对缓冲器采用多股钢丝绳并联的方式以加大相互之间的摩擦力;同时为了更有效控制该摩擦力,在钢丝绳上方设计调整螺栓将其压住,能够根据不同应用场景灵活调整摩擦力。
在碰撞初期,由于跑车速度较大,挡车栏作用于跑车的作用力会有一个较大的峰值,随着撞击过程的发展,作用力逐渐减小。通常情况下,撞击初期作用力造成的加速度是稳态阶段的2~4倍。根据上述碰撞特性,跑车与挡车栏碰撞过程中,跑车的动能被挡车栏的拦截所用所吸收,该吸收过程可以表述:
(1)
式中,e(t)为跑车的动能随时间的变化函数,s为时间,m为矿车总质量,V1为矿车运行速度,V0为矿车初始速度。
挡车栏拦截矿车的过程中,矿车在缓冲器的作用下产生的加速度为:
a(t)=e(t)/m
(2)
式中,加速度a和动能e均为时间函数,随着缓冲过程的时间变化而变化。
在挡车栏缓冲器的作用下,碰撞初期加速度假定保持不变,速度均匀变化,碰撞持续时间t可以用表示为:
但是也有研究人员显示,皮下注射0.25 mg/kg的蜂毒,对白鼠CCI术后引起的痛觉过敏进行治疗,发现单次注射蜂毒,脊髓NRI磷酸化抑制现象发生,但是仅能对白鼠的热痛敏进行抑制,机械性痛敏则没有任何作用[11]。还有研究显示[12],敲除白鼠脊髓背角NRI基因,对疼痛模型制作,制作形成以后的24 h内并没有发现任何异常现象,但是48 h后却出现了机械性痛敏,证实有其他因素参与在痛敏形成中。
t=v0/a
(3)
跑车制动距离:
(4)
2 柔性缓冲器仿真
2.1 柔性缓冲器建模
实际应用中,挡车栏为整个柔性缓冲系统受到撞击力最大的部件,所以为挡车栏进行动力学仿真十分必要。为了建立矿车柔性缓冲器的实体模型和动力学仿真,利用SolidWorks2014建立斜井跑车高能碰撞柔性缓冲器挡车栏的三维模型[15],将模型导入SolidWorks Motion中,添加运动副,施加载荷和约束条件以及求解,分析显示动力学模拟仿真检验矿车柔性缓冲器设计合理性。利用SolidWorks Motion进行动力学仿真分析步骤如图1所示。
图1 动力学仿真分析步骤
按照实际尺寸在SolidWorks分别建立柔性缓冲器挡车栏零件模型,零件模型建立完成之后通过条件约束进行总体装配。碰撞瞬间的装配图如图2所示。
图2 柔性缓冲器挡车栏装配示意
2.2 动力学仿真分析
2.2.1 模型简化
一般矿车2~8台,其总体质量不大于16 t,这里将模型简化,将小车建立成一个模型,但是总体质量达到最大值。针对整个滑车和制动系统,模型系统与水平方向保持夹角30°。
2.2.2 分析模型前处理
建立动力学仿真模型:①滑车与铁轨是滚动摩擦,摩擦系数为0.05;②滑车与制动器间为碰撞接触;③制动器运动方向阻尼初设为40 N·S/mm;④箕斗满载条件下总质量16 t;⑤最大制动力919.789 kN,最小的制动力为64.822 kN,选取均值78.400 kN作为制动力;⑥矿车铁轨与水平方向的角度为30°,矿车垂直方向的下落距离为3 m。
2.2.3 动力学仿真
设置仿真时间为5 s,通过简化后的模型进行动力学仿真前后的状态得出碰撞瞬间的制动距离约为3.6 m,碰撞力为287 kN。受力方向如图3所示,瞬间撞击力曲线如图4所示。
图3 受力方向示意
图4 瞬间碰撞作用力曲线
2.2.4 SolidWorks Simulation有限元分析
通过之前的力学模型可知,在碰撞的瞬间挡车栏受到的冲击力是巨大的,把矿车视为刚体,提取挡车栏的模型进行力学的有限元分析,通过力学分析查看挡车栏是否能在巨大的冲击力下实现多次循环使用。
首先将抽取的挡车栏模型导入SolidWorks Simulation,定义挡车栏的材料,这里将其设置为钢材料,下一步进入SolidWorks Simulation界面对挡车栏进行接触设置、划分网格、施加约束以及求解等。上述步骤如相关参数设置如图5所示,施加载荷如图6所示。
图5 挡车材料参数设置
图6 施加载荷仿真
完成材料,载荷等条件的设定后,便可进行挡车的静应力分析。得到的结果如图7所示。
图7 挡车静应力分析结果
通过之前力学模型,可以得出进行动力学和有限元分析的数据。当小车为满载时,沿着轨道向下运动,其撞击挡车栏瞬间为最大撞击力,用之前动力学分析出的最大撞击力,对挡车栏进行了有限元分析,得出挡车栏在撞击的一瞬间的形变为0.2 mm。金属一般会产生回弹,对挡车栏后续工作的影响不大,可以反复多次使用以便减少成本。
3 结论
煤矿斜井轨道运输的过程中,以2~8节矿车的运输方式最为常见,本文针对斜井车辆失控时撞击能量大、巷道环境复杂的情况,设计了跑车防护柔性缓冲器,建立了煤矿斜井跑车碰撞的数学模型,分析了斜井跑车高能碰撞柔性缓冲器在矿车失控时的受力状态,得出进行动力学和有限元分析的数据。
利用SolidWorks Motion对柔性缓冲器挡车机构进行了动力学仿真,根据实际应用场景,通过参数给定,结合用动力学分析出的最大撞击力,对挡车栏进行了有限元分析,得出挡车栏在撞击的一瞬间的形变为1.4 mm,变形率为0.12%,金属一般会产生回弹,对挡车栏后续工作的影响不大,因此可以反复多次使用。实验证明,本文采用的柔性缓冲器挡车机构对煤矿跑车能够有效拦截,并具备多次重复使用的特点,对于提升煤矿斜井安全水平和减少跑车防护设施维护强度具有重要意义。