基于有限元的斜井跑车辅助挡车器动力学仿真

宋国栋

(1. 应急管理部信息研究院，北京 100029；2. 矿山安全无线定位与监控技术实验室，北京 100029；3. 中安智讯(北京)信息科技有限公司，北京 100029)

1 引言

煤矿跑车现象是斜井运输中常见的事故类型，对人身安全和巷道设施危害性较大[1]，2019年2月23日，内蒙古锡林郭勒盟某矿业公司井下发生运送工人车辆事故，造成21人死亡29人受伤。《煤矿安全规程》第370条要求“在倾斜井巷内必须安设能够将运行中断绳、脱钩的车辆阻止住的防跑车装置”。传统的单一形式的挡车装置对于小倾角巷道具有一定的防护作用[2-4]，然而对于斜巷倾角大、矿车载重大的斜井运输，单一的拦截方式难以满足防护需要。

目前，国内的跑车防护制动装置多采用钢丝绳拦网式挡车栏[5-7]，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。压力小了钢丝绳容易抽出，压力大了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；传统产品的误动作率高、可靠性差、无法承受高速冲击，严重威胁着煤矿的安全生产。国外技术发展呈现两个方向，一类是英国、美国、澳大利亚等国采用的塞尔达制动器[8-10]，即通过变形吸能作为缓冲装置，利用辊轮在平行交错中的钢带变形吸收碰撞能量；另一类是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。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防护技术的研究情况，本文根据煤矿斜井实际运输需要，对于撞击能量大、巷道环境复杂的斜井运输有必要增加多种形式的跑车防护措施。

2 跑车防护受力分析

在矿车发生正面碰撞的瞬间，由于碰撞力的作用，矿车在碰撞力的作用下会产生较大的加速度，与矿车的运动方向相反；同时，由于惯性，矿车内物体会产生加速度，与矿车运动方向相同，与矿车碰撞后的加速度相反。

由于矿车载重大、失速时速度高等特点，单一的挡车装置难以满足需要，辅助挡车器配合主要挡车机构能够减少单一挡车装置的受力，提高拦截效率，辅助挡车器的机械结构如图1所示。当跑车从巷道高速滑落时，由传感器捕捉跑车速度以及预计跑车所到达斜井跑车辅助装置所处位置的时间，当跑车到达跑车辅助装置所处位置时，控制电磁铁收缩，致使压住挂钩的挡板移开，挂钩由于受到扭簧的作用，向上翻起，勾住跑车的车轮轴，起到了防止跑车翻车的作用。

图1 辅助挡车器机械结构

假设在矿车发生碰撞时，车内所载矿石与矿车的加速度值相同(均为加速度)，那么将矿车所载矿石与矿车的简化为一个整体矿车模型，建立在矿车发生碰撞时的简化模型并进行受力分析。

对于矿车，一般进行沿倾斜巷道方向和垂直于巷道方向进行受力分析计算[11-13]，根据上面的模型，将矿车的受力集中于一点进行简化，并进行如下的受力计算。

矿车发生碰撞时的简化模型及受力分析示意图如图1所示。

图2 碰撞简化模型

图中相关符号的意义如下：

a-矿车发生碰撞时矿车的加速度；

Fa、Fb-为矿车重力的分力；

R-挡车栏的制动阻力；

F1-挡车栏受到矿车的压力；

Fn-倾斜巷道对矿车的支持力；

α-斜坡倾角30°；

f-矿车与倾斜巷道之间的摩擦力。

在发生碰撞时，缓冲器强度足够大，在碰撞过程中不发生变形，可以看作为刚体。在沿倾斜巷道方向上，将缓冲器与矿车视为一个整体受力，则由力学知识可知

F1=R

(1)

式中，F1为挡车器受到矿车的压力，R为挡车器的制动阻力。

当缓冲器受到的制动力与制动阻力和摩擦力平衡时，满足平衡条件。将上述公司合并，得出

F1=G·sin α-u·mg·cosα

(2)

式中，G为矿车总重力，m为矿车质量。

矿车的最大的制动力为

F2=G·sin α+u·mg·cosα

(3)

缓冲器制动过程的吸能量

E=mgL[sinα﹣ωcosα]

(4)

式中，L为挡车距离，ω为矿车运行时阻力系数。

考虑巷道倾角和制动过程中箕斗的稳定性及斗箱承受最大制动阻力的能力，初选作用于箕斗上的最小制动阻力：

R′=mg·[sinα-ω·cosα+j/g]

(5)

式中，j为设定的制动减速度。

3 辅助挡车器仿真

3.1 模型简化

一般矿车2-8台不等，其总体质量不大于16000kg，这里将模型简化，将小车建立成一个模型[14，15]，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30°夹角。

图3 辅助挡车器简化模型

建立动力学仿真模型，做如下设置：

1)滑车与铁轨是滚动摩擦，摩擦系数0.05；

2)滑车与制动器之间为碰撞接触；

3)制动器运动方向阻尼初设为40N·s/mm；

4)箕斗满载条件下的总质量16000kg。

根据式(3)最大制动力919789N，最小的制动力为64822N。选取均值作为制动力，制动力为78400N。

3.2 动力学仿真

根据式(4)可知，制动距离越大，挡车器承受的碰撞力越小。依据煤矿安全规程，本文设定制动距离为7m，在设定制动力为78400的前提下，设置仿真时间为5s，通过简化后的模型进行动力学仿真前后的状态得出碰撞力为344kN。

图4 制动时间与位移关系图

图5 瞬间碰撞力曲线图

通过力学模型可知，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。

辅助挡车器的计算机仿真采用的工具为SolidWorks Simulation，仿真流程如图6所示。

图6 挡车器仿真流程

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，上述步骤中涉及的相关参数设置如图7所示。

图7 挡车材料参数设置

在SolidWorks Simulation中对挡车器添加运动副，定义挡车器与矿车的接触关系，随后添加制动力、阻尼系数和防身时间，对阻车过程进行仿真，施加载荷如图8所示。

图8 施加载荷仿真

完成材料和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9所示。

图9 辅助挡车静应力分析结果

通过进行动力学仿真可以看出，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344kN，辅助挡车器有效制动距离为7m，对挡车栏进行了有限元分析，得出辅助挡车栏在撞击的一瞬间的形变为0.2mm。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。

利用仿真软件对矿车与吸能制动器联动的碰撞过程进行动态模拟，由仿真得到跑车防护装置可以提高车挡系统的柔性，延长矿车与车挡的碰撞时间，从而有效地减小矿车对车挡的碰撞力，保护矿车及跑车防护装置。吸能制动器制动力、矿车质量及矿车速度是影响吸能制动器制动距离的重要因素，由极差、方差分析可见上述各因素对制动距离作用的主次顺序为：矿车速度>矿车质量>吸能器制动力。

通过SolidWorks 软件的联合使用，能够对柔性缓冲器的整体及受力局部进行有效且可靠的分析，使设计时间和可靠性有了明显的提高。

4 系统设计与工业试验

辅助挡车器是跑车防护装置的重要组成部分，在跑车防护中起到导向和防侧翻功能。跑车防护装置使用钢丝绳网式的结构，网式阻车器由防翻托架、主动摇臂、托绳矩形管、托绳摇臂、制动绳、主从连杆组成。阻车器的尺寸根据斜井人车的尺寸大小定制，升起方式为上提式，提升时间2～3秒，安装后巷道空间变小，安装巷道空间要足够大，以免影响大型设备材料的运输。

发生跑车时，放翻托架与主摇臂轴分离，与矿车同步移动，辅助挡车器打开，支撑车辆前端，与车辆同步运行，并在车辆运行过程中不断施加阻力。挡车栏和辅助挡车器避免人车与阻车器的刚性碰撞，降低事故对人车的破坏。挡车过程中，人车两侧拉力由制动钢丝绳牵制缓冲器产生，并且作用力大小相等，可以有效防止翻车事故的产生，避免失控车辆的二次事故。

除挡车栏和辅助挡车器等机械阻车装置之外，系统还包括监控显示箱、电控箱、收放绞车、声光报警箱、光电传感器、接近传感器等组成部分。

跑车防护系统通过缓冲器采用的阻尼力柔性可调的多级、逐级、吸能缓冲结构，以及挡车栏和辅助挡车器的导向作用，对跑车起到阻挡和防护作用，从而起到缓冲的目的。黑龙江双福煤矿工业现场设备布置和防护试验如图10和图11所示。

图10 工业现场试验关键设备安装图

图11 工业现场试验辅助挡车效果图

5 结论

辅助挡车器作为煤矿斜井跑车防护系统的重要组成部分，配合挡车栏对失控车辆进行拦截，并在拦截过程中起到导向作用，避免对巷道其它设施带来二次危害，模拟跑车故障时可自动打开挡车装置给予拦截。系统能够在绞车房值班室对运输车辆和防护装置进行实时监控，对提高斜井轨道运输安全防护水平具有重要意义。

黑龙江某煤矿工业现场应用表明，由柔性缓冲器、辅助挡车器以及矿用隔爆兼本质安全性可编程控制箱等设备组成的煤矿斜井跑车防护系统在阻车装置抗冲击能量、阻车装置制动距离、缓冲器制动力、缓冲器两侧的阻力值相差、跑车触发状态识别速度、误动作率等方面的性能指标均能满足8节运输矿车防护要求，起到安全防护作用。以力学建模、动力学分析及有限元分析为铺垫，能合理充分的对煤矿斜井跑车高能碰撞柔性缓冲器进行设计，省去的大量的设计成本和时间。