煤矿无轨胶轮车失速摩擦板设计仿真与试验研究

2022-01-29李盟洁党文龙卫琛浩李茂庆

矿山机械 2022年1期

李盟洁，党文龙，卫琛浩，马啸，李茂庆

陕西煤业化工技术研究院有限责任公司陕西西安 710100

运输安全是我国煤矿生产运输过程中一个非常重要的环节，尤其是斜巷辅助运输，它担负着矿井生产的人员、物料及设备运输的重要任务。矿井斜巷辅助运输分为有轨运输和无轨运输，近年来无轨运输设备及技术发展迅速，在现代化大型矿井中的应用愈加广泛[1-2]。其中，防爆无轨胶轮车因其灵活方便、高效的优势，在矿井斜巷无轨运输中发挥着重要作用[3-4]；与此同时，无轨胶轮车跑车失速事故呈上升趋势，对矿井的安全生产和工作人员的生命安全造成了极大的威胁。随着安全问题越来越受到重视，针对防爆无轨胶轮车跑车失速事故，安全防护技术和设备的研究受到越来越多的关注[5-7]。当前在煤矿井下使用的防跑车系统主要是针对有轨运输，包括各种挡车器和阻车器[8-9]，而针对无轨运输中防爆无轨胶轮车及巷道附属设施的安全防护装置研究则较少。在实际矿井生产中，无轨辅助运输方式比较灵活，跑车失速事故原因多样，不确定性较大。为了降低由于跑车失速事故引起的经济损失和人员伤亡，针对无轨胶轮车在井下斜巷长坡运行时的失速现象，设计了一种新型缓冲装置——纳米吸能摩擦板。

1 纳米吸能摩擦板结构设计

目前针对斜巷有轨运输跑车事故的预防，主要采用各种跑车防护装置对车辆进行拦截，从而保护斜巷附属设施及乘员的安全。根据防护原理的不同，跑车防护装置主要分为撞击式、雷达式和电动式，但针对斜巷无轨运输的研究较少。鉴于煤矿井下斜巷无轨运输安全防护设施的行业标准和产品标准还未完善，笔者采用新型纳米缓冲吸能材料，针对煤矿斜巷设计了一种安装在长坡斜巷壁上的纳米吸能摩擦板。该摩擦板使用的纳米吸能材料具有优异的缓冲吸能性能，行业内对纳米流体吸能材料已有大量的研究[10]。该材料主要由功能流体和纳米多孔材料组成，在外力 (冲击、碰撞)作用下，随着功能流体在临界压力值以上进入纳米孔，可将外界机械能转化为固-流体界面能和摩擦热能。纳米多孔材料因其巨大的比表面积，吸能密度可以达到 30 J/g 以上。

当无轨胶轮车发生跑车失速事故时，车辆与安装在巷道壁上的纳米吸能摩擦板进行碰撞，摩擦板吸收失速车辆的瞬间碰撞动能，使得无轨胶轮车速度减慢直至停车，以减小对附属设施的破坏以及对作业人员的伤害。根据牛顿第二定律F=ma和冲量定理Ft=Δmv，在碰撞初期车辆速度较快，短时间内车头碰撞力会很大，故车辆的加速度也会增大；因此，设计纳米吸能摩擦板时前部采用柔性结构和材料吸能，中间填充纳米吸能结构，并在四周加装钢板以增强其刚度，整体形成循序渐进的缓冲吸能方式。纳米吸能摩擦板主要由柔性缓冲层、钢板、纳米吸能结构和锚固组件等组成，结构如图1 所示。车辆碰撞到吸能摩擦板后，填充纳米吸能结构的柔性缓冲层延缓碰撞时间，使失速车辆减速直至平稳停车。该纳米吸能摩擦板具有安装方便、能耗少、价格低、结构简单以及维修更换方便的特点，具有较好的推广价值和市场潜力。鉴于煤矿井下环境的特殊性，所有材料均符合阻燃抗静电等安全使用要求。

图1 纳米吸能摩擦板结构Fig.1 Structure of nanometer energy-absorbing friction plate

2 有限元仿真

2.1 仿真模型的建立

纳米吸能摩擦板通过锚固组件固定连接在巷道壁上。利用 ANSYS/LS-DYNA 软件建立摩擦板与无轨胶轮车碰撞的仿真模型，如图2 所示。

图2 碰撞仿真模型Fig.2 Collision simulation model

为了简化计算，模型中对某些细节进行了简化，锚固组件与巷道壁的连接采用面-面接触方式，无轨胶轮车模型以四边形壳单元为主，无轨胶轮车和纳米吸能摩擦板之间采用自动单面接触，无轨胶轮车载重以配重方式调整。纳米吸能摩擦板各部件材料属性如表 1 所列。

表1 纳米吸能摩擦板各部件材料属性Tab.1 Material properties of each part of nanometer energy-absorbing plate

2.2 仿真分析

为了减少计算量，在不影响计算结果的前提下对模型进行合理简化。初始模型中，无轨胶轮车质量为1.5 t，且由于目前矿井安全防护设施无相关国家和行业标准，参考 JTG B05-01—2013《公路护栏安全性能评价标准》中碰撞试验要求，碰撞角度设置为 20°。此外，结合《煤矿安全规程》相关规定——矿井防爆无轨胶轮车运输人员车辆速度不能超过 25 km/h，碰撞速度设置为 40 km/h。为了进一步增加纳米吸能摩擦板表面的摩擦力，在其表面增加圆弧形凸起结构，有限元分析计算表明，该结构能够在不增加撞击力的前提下延长缓冲时间。无轨胶轮车碰撞仿真结果如图3 所示。从图 3(a)可以看到，当无轨胶轮车碰撞到摩擦板后，行驶速度明显降低，从 40 km/h 降到 30 km/h，降低 25%，车辆回到正常行驶轨道。从图 3(b)可以看到，当车辆与巷道壁碰撞时，车头冲击力接近 5 kN；当车辆与摩擦板碰撞时，车头冲击力约为 3 kN，相比直接与巷道壁碰撞降低了 40%，降幅明显。

图3 无轨胶轮车碰撞仿真结果Fig.3 Collision simulation results of trackless rubber-wheeled vehicle

无轨胶轮车和纳米吸能摩擦板碰撞后二者的变形如图 4 所示。从图 4 可以看到，纳米吸能摩擦板有轻微变形，无轨胶轮车驾驶位位置稍微凹进，但没有明显的变形。

图4 无轨胶轮车和摩擦板碰撞后的变形Fig.4 Deformation of trackless rubber-wheeled vehicle and friction plate after collision

在此基础上，对无轨胶轮车在不同碰撞速度下进行仿真，结果如图 5 所示。从图 5 可以看出，无轨胶轮车的碰撞速度越高，碰撞时受到的冲击力越大。因此在煤矿日常生产中，进行严格的限速管理十分必要。

图5 不同碰撞速度下无轨胶轮车冲击力的变化Fig.5 Variation of impact force of trackless rubber-wheeled vehicle at various collision speed

3 实车碰撞试验

3.1 实车碰撞试验条件

为了进一步验证纳米吸能摩擦板在矿井生产中的防护性能，进行了实车足尺碰撞试验。根据矿井交通失速事故调研资料以及矿井斜巷运输常用车辆的情况，实车碰撞试验采用了输送人员的中型客车和输送物料的中型货车。这些车辆由于总质量较大，一旦失速，碰撞时对车辆冲击更严重。《煤矿安全规程》规定，井下人员运输车辆限速 25 km/h，货物运输车辆限速 35 km/h，为了进一步提高安全系数，中型客车和中型货车的碰撞速度分别设为 40 和 50 km/h。中型客车和中型货车的总质量分别为 3.6 和 6.0 t，碰撞角度均设置为 20°。

实车碰撞试验参照 JTG B05-01—2013《公路护栏安全性能评价标准》的要求，对矿井纳米吸能摩擦板的安全性能要求为：纳米吸能摩擦板构件及其脱离件不得侵入无轨胶轮车乘员舱；碰撞后乘员加速度的纵向与横向分量均不得大于 20g；车辆碰撞后不得翻车等。

3.2 实车碰撞试验结果

实车碰撞试验测试机构为北京深华达交通工程检测有限公司。试验前，首先将纳米吸能摩擦板通过预埋螺栓锚固于混凝土墙体上，混凝土墙体预埋在混凝土路面中，共安装 18 节纳米吸能摩擦板，安装总长度为 14.4 m；然后将车辆牵引至合适位置。实车碰撞试验现场车辆与摩擦板的布置如图 6 所示。

图6 实车碰撞试验现场车辆与摩擦板的布置Fig.6 Layout of vehicle and friction plate in site of real vehicle collision test

按照设定速度以 20°的角度侧碰摩擦板。车辆上方的调整摄像仪记录的中型客车碰撞试验行驶轨迹如图 7 所示(自上而下按时间顺序)，可以看到车辆碰撞到摩擦板后，行驶速度降低，并回到正常行驶方向。

图7 中型客车碰撞试验行驶轨迹Fig.7 Steering trajectory during medium passenger vehicle collision test

实车碰撞试验后纳米吸能摩擦板与中型客车、中型货车的变形如图 8 所示。从图 8 可以看出：中型客车碰撞后，自纳米吸能摩擦板起始端起第 6 节摩擦板破损，车辆与摩擦板刮擦 10.4 m，在距起点 11.40 m 处停下，前保险杠左侧局部刮擦损坏，左前大灯损坏；中型货车碰撞后，自纳米吸能摩擦板起始端起第6～8 节摩擦板破损，车辆与摩擦板刮擦 10.4 m，车辆驶离速度为 21.33 km/h，前保险杠弯曲变形，左前大灯损坏脱落，驾驶室车门变形。