架空乘人装置新型断轴保护装置设计应用*

韩学敏

(晋能控股煤业集团 挖金湾虎龙沟煤业有限公司，山西 大同 037000))

0 引 言

我国地下煤层储量丰富，随着煤矿开采技术的不断提高，煤层开采深度逐渐增加，随之带来的是井下作业人员升降出入问题较多。架空乘人装置可以快速上下斜井，减少煤矿作业的辅助时间，提高人员进出的效率[1]。架空乘人装置安装有乘人座椅，采用滑轮组及钢丝绳的形式对座椅进行固定及移动，实现上下井的操作运行。架空乘人装置运行速度低、人员上下方便，一次性成本投入较小[2]，在使用过程中对设备运行维护操作简单，目前在煤矿开采中得到广泛应用[3]。由于井下环境的复杂性，架空乘人装置长期运行中，驱动轮主轴及尾轮主轴的承载较大，同时承受驱动轮的扭矩及沿钢丝绳的拉力作用，存在一定的冲击载荷作用，对传动轴的使用造成影响[4]，容易引发安全事故，因此对传动轴进行保护装置优化改进设计是提高煤矿安全性的重要措施。笔者重点采用机械式保护及电气式保护相结合的方式，通过对断轴保护装置的优化设计及一体化电气控制系统优化改造，实现对架空乘人装置的安全保护，降低设备运行维护费用，为井下安全生产提供保障。

1 架空乘人装置断轴保护功能

架空乘人装置主要由驱动装置、乘人座椅、牵引钢丝绳、尾轮装置及电气控制系统组成，在结构设计上应充分考虑使用的安全性。由于井下环境的复杂性，特别是经过长时间运行，驱动轮承受负载较大，设备启动及制动时受到冲击载荷作用，造成驱动主轴的磨损或断裂[5]。架空乘人装置输送距离较长，必须采取相应保护措施，避免造成乘车作业人员发生安全事故。

断轴保护装置是架空乘人装置关键组成部分，通过断轴保护装置避免驱动轮或尾轮的飞出[6]，防止钢丝绳的脱落，避免乘人座椅及人员出现意外飞出受伤。断轴保护装置可以采用机械式及电气式两种形式[7]，机械式保护即对机械结构进行一定的设计保护，当断轴有危险时，在结构上能及时进行保护；电气式保护即采用电气系统连接传感器的形式，对主轴相应的位置进行信号检测，当存在断轴危险时，采用电气控制系统进行保护。机械保护相对电气保护的安全可靠性高[8]，是架空乘人装置断轴保护的主要方式，但机械式保护装置结构复杂，结构使用及维护困难[9]，在井下环境中运行受到一定的限制，而结合两种保护方式的优点实现对主轴的可靠保护[10]，不仅可实现对架空乘人装置的可靠保护，且便于在井下的环境中广泛使用，可充分满足矿井输送的需求。

2 新型断轴保护装置设计

依据架空乘人装置结构，断轴保护装置的优化设计重点是要保证结构安装的简单易用性，并便于进行系统维护使用。断轴保护装置结构主要分为驱动轮主轴的保护装置及尾轮主轴的保护装置两部分。以下分别对驱动轮主轴断轴保护装置及尾轮主轴断轴保护装置进行设计分析，采用机械式保护与电气式保护相结合的方式，实现对架空乘人装置的可靠保护。

2.1 驱动轮主轴断轴保护装置

架空乘人装置驱动装置结构组成如图1所示，驱动系统安装在整个架空乘人装置的头部机架位置，采用花键轴形式进行动力及扭矩的传递，在传动轴的上端与电机减速器相连接，下端通过花键与驱动轮轮毂相连接，进行驱动装置的驱动。

图1 架空乘人装置的驱动系统1.电动机 2.液压制动器 3.减速器 4.主体固定支架 5.轮缘制动器 6.主转动轮 7.空心轴 8.花键轴

依据驱动系统的结构原理对断轴保护装置设计，其结构组成如图2所示。

图2 驱动轮断轴保护装置结构1.支架 2.主体支架 3.限位机构 4.电器检测元件

采用支架的形式连接于架空乘人装置支架上，保护装置中设计有限位机构，对主轴位置进行机械式限制，并采用电气检测元件，对主轴位置进行电气系统检测及保护。驱动系统主轴发生断裂破坏时，则通过下方保护装置避免主轴脱落，并通过限位机构确保主轴位置变化小。如果主轴断裂造成驱动轮位置发生改变，可通过电气检测元件将信号传输至控制系统中[11]，控制系统及时将驱动系统进行断电闭锁控制，实现主轴断裂后架空乘人装置的保护。

2.2 尾轮主轴断轴保护装置

架空乘人装置尾轮部分安装在机尾的位置处，其结构组成如图3所示，尾轮系统的整体结构在架空乘人装置中属于随动系统，工作过程中，行走轮在架空乘人装置机尾支架导轨上，通过钢丝绳对迂回轮的牵引作用实现尾轮系统的移动。在系统移动过程中，可实现对承载钢丝绳长度的调节，从而保持架空乘人装置整体载荷状态的稳定性，保证对人员输送的安全及平稳。

图3 架空乘人装置的尾轮系统1.导轨 2.行走轮 3.尾轮架 4.(尾)迂回轮 5.张紧导向双滑轮

依据架空乘人装置尾轮系统的结构及运行原理，对尾轮的主轴进行断轴保护装置的设计，其结构组成如图4所示。尾轮主轴保护装置同样与架空乘人装置主体之间采用支架的形式连接，随着尾轮系统移动而移动，尾轮系统主轴发生磨损断裂时，尾轮系统的结构发生一定位置改变，刚好落入到保护装置支架中，从而限制其位置进一步移动，避免钢丝绳位置变化引起乘人座椅的脱落等；主轴断裂造成尾轮位置改变，通过电气检测元件将信号传输至控制系统中，使控制系统将尾轮系统进行断电闭锁控制，实现尾轮主轴断裂后架空乘人装置的保护。

图4 尾轮断轴保护装置结构

3 架空乘人装置电气控制系统优化改造

对架空乘人装置电气控制系统进行一体化的优化改造，采用变频自动控制方式实现对架空乘人装置的自动化控制。自动化电气控制系统的组成包括硬件系统及软件系统，系统结构如图5所示。硬件控制系统部分主要包括操作控制台、PLC的控制站及传感器，传感器负责对运行状态进行监测，控制系统中的报警装置负责对工作异常进行报警提示。操作控制台负责相关运行参数的显示，并可对架空乘人装置的运行参数进行调整，实现人机交互控制。

图5 自动化控制系统硬件结构示意图

控制系统PLC采用西门子S7-1200型控制器，选择具有40个I/O口的226型号，实现对架空乘人装置的主机及断轴保护装置所有接口的控制。

架空乘人装置自动化控制系统流程如图6所示。

图6 自动化控制系统的流程图

输入信号包括结构的位置、钢丝绳的速度、操作的驱动、断轴保护装置的传感器信号等，对所用传感器与PLC采用profibus协议进行匹配通信。系统采用液晶曲面显示屏进行数据显示。软件系统采用组态王进行PLC的组态及控制程序编写，控制程序主要包括系统主控制程序及相应的初始化参数设置、数据的传输与处理模块等。

系统在矿井集控系统下工作，当检测有人员上车时，依据系统发出的指令进行自身系统启动，并对自动系统的运行进行校验，当有异常时进行手动操作启动，依据检测到的人数及矿井的集控数据进行运行参数的判定以保证系统的正常运行。运行过程中，对断轴保护装置等信号进行监测，当监测有保护信号时及时进行停车操作并报警，系统运行正常时送至下车点，人员下车后系统自动停止运转。

4 断轴保护装置的应用及效果分析

对架空乘人装置进行断轴保护装置优化设计，是煤矿安全生产的必要措施，特别是对人员生命安全保护至关重要。新型保护装置结合机械式及电气式保护的优点，设计独立的保护装置模块，在结构设计上与主机的结构连接简单，机械结构坚固耐用，电气保护装置与主机的控制系统直接对接，系统的灵敏度高，实现机械保护与电气保护的双重安全保护。断轴保护装置结构简单，可进行模块化安装，且与系统的整体设计一致，便于进行运行维护，能够实现对架空乘人装置的安全保护，提高煤矿运行的安全性。

对某煤矿使用的四部架空乘人装置进行断轴保护装置改造后，经过安装施工等共花费5.68万元，与添加同等功能的独立保护装置相比可节省40余万元，具有较高的经济效益。在实际进行应用过程中，采用架空乘人保护装置设备运行时仅需1名工作人员操作，全年可节省人工费用20余万元。对设备进行运行维护方面，所需的维护材料及维修的工作量可大量减少，全年约可节省人工及维护配件费用50余万元。通过对断轴保护装置的使用，可以提高架空乘人装置的安全性，保障人员的安全，降低了设备的运行费用，可有效的避免恶性事故的产生。

5 结 语

架空乘人装置是煤矿生产中进行上下巷道的人员输送装置，在煤矿生产中具有广泛应用。架空乘人装置采用滑轮组运行原理，在井下长期运行中，驱动轮及尾轮主轴的承载较大，且容易受到冲击载荷的作用，容易发生磨损甚至断裂的问题，造成煤矿的安全事故。为避免主轴断裂时对人员的伤害，对架空乘人装置的驱动轮及尾轮设计断轴保护装置，依靠机械保护与电气保护相结合的方式，对主轴断裂时进行可靠的保护，及时进行断电操作，避免驱动轮及尾轮的坠落，从而保护作业人员免受伤害，提高煤矿的安全性，保证煤矿的安全开采。