煤矿用架空乘人装置检测检验探析

徐草新，石 凯，罗文利

(陕西煤矿安全装备检测中心有限公司，陕西 西安 710199)

0 引言

架空乘人装置作为矿井辅助运输人员的主要手段之一，随着国家安全监管总局《淘汰落后安全技术工艺、设备目录(2016年)》的正式发布，普通轨道斜井人车逐渐被淘汰，架空乘人装置更是成为许多新建、改扩建矿井人员输送的首要选择之一。要保证架空乘人装置安全可靠地运行，除日常的维护保养、检查检修外，对于装置的定期检测检验也是必不可少，检测检验可以看作是对装置进行一次全面且较为深入的体检，能够帮助矿方发现潜在的安全隐患，进而及时消除危险。架空乘人装置抱索器有固定式、活动式和可摘挂式，固定式最大适应坡度为28°，活动式最大适应坡度为18°，可摘挂式最大适应坡度为25°，分别使用在不同坡度巷道中。

1 基本工作条件检查

现场工作开展之前首先应对猴车的相关设计文件进行检查，确认装置有专项设计。接下来是检测现场对装置安装环境的检查，测量工作现场空气温度、湿度，并对装置的海拔高度进行确认。对与钢丝绳比值相关的参数取值，应以具体的检测检验报告中的参数为准，由于无极绳的特殊性，猴车钢丝绳送检只能在安装前进行，安装后无法截取样品。所以，猴车换绳前的检测报告原则上不应标注有效期，至于钢丝绳报废和磨损锈蚀等条件的确认，可以通过猴车运行状态下的在线无损检测检查断丝情况，用游标卡尺测量钢丝绳直径缩小量以及结合人工目检等，判断是否应该更换新绳。当实际情况限制，钢丝绳安装前未进行送检或检测报告遗失时，可以就钢丝绳合格证中的参数进行取值，但应在报告中添加标注说明。距离的粗略测量用钢卷尺即可，巷道倾角的测定使用架空乘人装置多参数检测仪，至于埋深的检查一般通过设计图纸和说明书进行确认。此外，需要特别注意的是，国家煤矿安全监察局发布的《禁止井工煤矿使用的设备及工艺目录(第四批)》文件中，已对铸造抱索器和蜗轮蜗杆减速器实行了限时淘汰(蜗轮蜗杆减速器的禁止使用范围为运输距离超过1 000 m或驱动功率大于55 kW)，2019年12月28日后已正式禁止使用。实际检测中，应认真检查对照相关条件是否符合规定要求，减速器形式可以结合设备说明书确认，抱索器制造工艺可通过出厂检验报告进行确认。

2 安全保护系统检查

对于安全保护系统的检查是保障猴车安全运行的重中之重，系统的各种保护功能，主要是通过控制各种电机(主电机、工作制动器电机、液压泵站电机)的起动、运行和停止来实现的，制动器作为最终的执行机构，首先应检查工作制动器和轮边制动器是否已按照要求安装，确认其是否采用了失效安全型结构，即液压开闸，失压合闸，这样可以保证系统意外或故障断电情况下的停车安全。猴车安全保护常见的有欠速、过速、打滑保护，过流、过压、欠压保护，防脱绳保护，变坡点掉绳保护，固定吊椅防过摆保护，沿线急停保护，张紧小车限位保护，重锤落地保护，越位保护，乘人间距保护，动力供给中断保护，液压站过压、超温保护，减速器油温、油位保护，以及保护闭锁、互锁、隔离等。主要是通过人为观察和模拟触动开关装置或改变设定值等试验保护效果。此外，还有以下几种保护。

2.1 断轴保护

断轴保护主要是防止断轴事故发生后，驱动轮、尾轮和钢丝绳飞出伤人以及“飞车”现象的发生。随着《煤矿安全规程》(2016版)对猴车断轴保护要求的提出，矿方和猴车设备制造厂积极响应规程要求，各类断轴保护形式层出不穷，其中，活动和可摘挂吊椅相比较固定吊椅，其断轴保护布置形式更加灵活，因为无需考虑吊椅通过驱动轮和尾轮的情况。就目前而言，各类断轴保护形式大体由2部分组成。机械承接部分和断轴信号检测部分。机械承接装置作用主要是断轴后托住或卡住驱动轮和尾轮，阻止其飞出和转动；断轴信号检测能够在断轴后及时控制系统停车并发出警报。考虑到猴车实际运行中，驱动主轴承受的载荷最大(对比尾轮主轴)，同时需要提供驱动轮转动所需的大扭矩以及承受冲击载荷的影响，断轴保护通常只设置在驱动轮位置。主轴超声波探伤，能够及时发现主轴出现的机械和使用性能缺陷，应将其作为预防断轴的重要手段，定期组织探伤检查。

现场检测应结合说明书介绍或矿方说明，目测检查机械承接装置设置的合理性，模拟断轴信号，检查保护动作情况。

2.2 安全制动器失效保护

安全制动失效主要表现为系统启动后制动闸无法打开和制动间隙过大。制动器无法打开时，猴车启动，会对电动机和制动器造成很大损伤；间隙过大，保护动作时驱动轮无法可靠制动。保护装置一般设置为感应式闸间隙检测或行程开关限位，当系统启动后，相应开关对间隙信号进行捕捉，检测到间隙异常后，发出报警信号并停止猴车运行。现场检验通过模拟触动相应间隙检测开关进行。

2.3 断绳保护

断绳保护一般设置为机械式的断绳抓捕结构，依靠液压驱动进行动作，一般以断绳后钢丝绳速度的瞬间增大作为断绳取样信号。与此同时，断绳信号检测系统既要反应灵敏，又要防止保护装置误动作，所以还会设置其他形式的断绳取样信号，例如，负载突然降低时电机电流的突变，张紧装置张紧力的突变以及重锤位置的变化等。实际断绳信号的确认一般需检测到多种形式的信号时才能确定，否则容易导致误动作，对正常运行的钢丝绳造成损伤。标准中对于捕绳器的设置一笔带过，没有介绍更多的细节，现场一般也只在机头附近设置2副抓捕机构，对于猴车几百至上千米的运行区间而言，其作用只能用“聊胜于无”来形容。就目前的实际使用来看，不应该仅依靠断绳保护，应该加强钢丝绳实时在线监测并结合定期的人工目检，及时发现断丝、断股、恶性锈蚀，直径明显缩小等问题，做到防患于未然。现场试验保护应该结合使用说明书，找到装置动作的触发条件，然后人为模拟动作试验。需要注意的是，断绳保护试验可能会对钢丝绳造成一定损伤，为尽量降低这种情况的发生，试验应在空载低速运行状态下进行，同时应尽量降低张紧重锤的配重。

3 牵引力和制动力测试

拉力和制动力测试之前首先应该对尾轮预紧张力进行测量和计算。由于张紧装置中有滑轮组，所以尾轮张紧力等于重锤的重量乘以张紧绳数量。重锤重量通过测力装置进行测量，当现场条件受限，也可就配重块单重和数量进行计算，配重吊架重量可用弹簧测力计测量。尾轮最大预紧张力不应超过钢丝绳破断拉力的8%，当钢丝绳检验报告中只有合格钢丝破断力总和时，应就合格证中的钢丝绳破断拉力与合格钢丝破断力总和进行比较，取较小值进行计算(通常钢丝绳破断拉力较小)，如不合格，需调整配重至合格为止。

3.1 牵引力测试

钢丝绳牵引力是依靠驱动轮与钢丝绳之间的摩擦而产生的。测试时，先将测力传感器两端分别与2根钢丝绳(测试用，直径不小于15 mm)的一端连接，将一根测试钢丝绳用专用卡绳装置与牵引钢丝绳紧绳侧连接牢固，另一根测试钢丝绳剩余一端与固定受拉件可靠连接。准备就绪后，启动猴车，直到驱动轮与牵引钢丝绳出现相对滑动，读取仪器拉力值，测试进行2次，取平均值。

3.2 制动力测试

猴车制动通过工作制动器和轮边制动器(也叫安全制动器)进行，其动作过程如下。正常启动时，轮边制动器先打开，工作制动器后打开，防止启动瞬间电机堵转；正常制动时，工作制动器先制动，轮边制动器经短暂延时至工作制动器动作完成后再进行制动，这样不会对电机造成大的冲击，也利于猴车平稳停车。经过以上制动过程可知，只有工作制动器参与了猴车的正常制动，所以对于猴车制动力的测量应该分开进行，即工作制动器和轮边制动器应分别满足，达到额定牵引力1.5～2倍的技术要求。制动力测试前，分别打开工作制动器或安全制动器，单独测试另一组制动器制动力，具体测试过程相同。

取测试用钢丝绳一根，一端通过专用卡绳装置与牵引钢丝绳连接牢固，另一端连接测力传感器，传感器另一端与倒链连接，用倒链将测试钢丝绳拉紧，至制动器开始打滑时，读取仪器拉力数值。对于制动器未开始打滑，钢丝绳即与驱动轮发生相对滑动的情况，可以临时增加机尾配重或改变测试位置，测试位置可以选择驱动轮辐条和轮缘的夹角部位，测试应沿驱动轮切线方向进行，测量拉力半径换算为等效驱动轮半径下的制动拉力。

4 制动减速度测试

AQ 1038—2007《煤矿用架空乘人装置安全检验规范》中规定，重车下行、空车上行时工作制动器的平均减速度不应小于0.3 m/s2；重车上行、空车下行时工作制动器的平均减速度不应大于1.5 m/s2。此处提到的是“工作制动器的平均减速度”，由3.2猴车制动过程可知，正常制动减速过程中只有工作制动器参与制动，所以很容易误解为，制动减速度是在猴车正常制动情况下进行测试的。仔细分析制动减速度取值范围的规定，同时对比关于矿井提升机安全制动减速度的规定会发现，提出制动减速度这一参数的出发点在于，紧急情况下系统能够可靠并平稳地停车，结合AQ 1038—2007发布的时间(2007年)，当时并未对轮边制动器提出要求，猴车仅设置有工作制动器(用于正常制动和安全制动)，所以猴车制动减速度应该测试安全制动状态下(工作制动器和安全制动器同时发生作用时)的系统平均减速度。按照猴车实际运行单侧最大载人量和吊椅间距设置吊椅数量，每个吊椅配重按95 kg(乘人75 kg，携带重物20 kg)设置，当实际情况难以满足配重要求时，可适当降低配重，但应据实记录。制动减速度测定应在猴车最大坡度重载上行或下行时进行，正常制动猴车，用测试仪器测量相应的制动减速度。

5 钢丝绳安全系数计算

《煤矿安全规程》(2016版)中提到，钢丝绳的安全系数等于实测的合格钢丝拉断力的总和与其所承受的最大静拉力(包括绳端载荷和钢丝绳自重所引起的静拉力)之比。合格钢丝拉断力总和不同于钢丝绳破断拉力，前者是指对钢丝绳中的所有钢丝做拉断力试验，然后求和；后者是对整根钢丝绳直接做拉断力试验，直接测量出破断拉力。一般来说，合格钢丝拉断力总和应大于钢丝绳破断拉力，因为整根绳承受拉力过程中无法保证每根钢丝同时达到其拉力极限。基于这个考虑，对于某些现场无法提供有效检测报告，而钢丝绳合格证中也只提供有钢丝绳破断拉力(合格证中提供有标准拉力值和实测拉力值，一般安全起见，选用较小值参与计算)的情况，也可以用钢丝绳破断拉力代替合格钢丝拉断力总和进行相关计算。

5.1 钢丝绳安全系数

(1)

式中，m为钢丝绳安全系数；SK为合格钢丝拉断力总和，N；Smax为最大张力点张力，N。

如图1所示，Smax的取值为S1～S4张力中的最大值。

图1 钢丝绳张力计算模型Fig.1 Calculation model of wire rope tension

5.2 钢丝绳匀速运行时各特征点张力

5.2.1 最小张力点张力

Smin=C·q·g

(2)

式中，Smin为钢丝绳最小张力点的张力，N；C为钢丝绳挠度系数，取1 000；q为牵引钢丝绳每米质量，kg/m；g为重力加速度，取9.8 m/s2。

5.2.2 各特征点张力

线路运行阻力：

(3)

(4)

式中，W4-1为上行运行阻力，N；q为牵引钢丝绳每米质量，kg/m；Q1，Q2为分别为吊椅、乘员的质量，kg；λ1为吊椅间距，m；ω为摩擦系数，动力运行时，取0.02，制动运行时，取0.012，为简化计算，统一取值0.02；α为钢丝绳线路倾角，(°)；L为驱动轮和尾轮中心距，m；g为重力加速度，取9.8 m/s2；W2-3为下行运行阻力，N。

各点张力：当W4-1>0、W2-3>0时，S2=Smin；S4=1.01S3；S1=S4+W4-1；S3=S2+W2-3；当W4-1>0、W2-3<0时，S2=Smin；S4=1.01S3；S1=S4+W4-1；S2=S3-W2-3(即S2=S3+|W2-3|)

式中，S2为张力点2，N；S4为张力点4，N；S1为张力点1，N；S3为张力点3，N。

最大张力点张力Smax分析：由公式(3)、(4)可知，在α一定的情况下，影响W4-1和W2-3绝对值大小的变量只有Q1和Q2，再结合S1和S2的计算过程，最终得出,最大张力计算，只需考虑猴车上升和下降侧同时满员时的线路张力即可，选出其中最大值。根据规程规定，α的最大取值范围为[0°，28°]，下面分别分析W4-1>0、W2-3>0和W4-1>0、W2-3<0时的α取值范围，方便计算分析，ω统一取值为0.02。

由式(3)可知，(ωcosα+sinα)>0，则W4-1>0，得出tanα>-ω，则α的范围为(0°，28°]。

由式(4)可知，(ωcosα-sinα)>0，则W2-3>0，得出tanα<ω，则α的范围为[0°，1.15°)。同理可得W2-3<0时，α的范围为(1.15°，28°]。

最终得出，①W4-1>0、W2-3>0时，α取值范围(0°，1.15°)。结合S1～S4相应关系式，有S1>S4>S3>S2，故最大张力点张力为

Smax=S1=S4+W4-1=1.01S3+W4-1=1.01(S2+W2-3)+W4-1=1.01(Smin+W2-3)+W4-1

(5)

②W4-1>0、W2-3<0时，α取值范围(1.15°，28°]。结合S1～S4相应关系式，有S1>S4>S3和S2>S3。比较W4-1和W2-3绝对值大小。

(6)

式中，α取值(1.15°，28°]，2ωcosα>0，则W4-1>|W2-3|，S1=S4+W4-1>S3+|W2-3|=S2，最大张力点张力为

Smax=S1=S4+W4-1=1.01S3+W4-1=1.01Smin+W4-1

(7)

根据图1计算模型标注各特征点(S1、S2、S3、S4)，结合钢丝绳线路实际倾角，选择公式(5)或(7)带入公式(1)，即可得出钢丝绳安全系数m，钢丝绳安全系数不得小于6。

6 结语

架空乘人装置检测检验能够有效地帮助矿方及时消除潜在的事故隐患，同时现场也发现检测检验工作本身存在的一些问题，标准文件和《煤矿安全规程》(2016版)相互间存在不统一的情况。相比于2016年发布的《煤矿安全规程》，MT/T 873—2000《煤矿固定抱索器架空乘人装置技术条件》和AQ 1038—2007《煤矿用架空乘人装置安全检验规范》分别发布于2000年和2007年，已明显有些“不合时宜”。随着国家对安全生产工作重视程度的不断提高，许多存在安全隐患的设备和工艺都被淘汰，这在促进了矿用产品升级换代的同时，也进一步使得老旧标准无法满足安全生产的需要。《煤矿安全规程》(2016版)作为通用性的宽泛规定，对于具体设备的安全要求也只是浅尝辄止，不可能达到相关行业标准的深度。文中安全保护系统检查和钢丝绳安全系数计算结合了《煤矿安全规程》(2016版)和相关标准规范GB/T 25652—2010《地下矿用架空索道设计规范》要求的同时，也参考了部分猴车制造厂家的企业标准和设计文件。希望相关标准化管理部门和技术委员会能够尽快组织制定适应安全生产要求的新标准。