打滑保护装置在煤矿架空乘人装置的应用研究

陈林，杨自攀

（湘潭恒欣实业股份有限公司，湖南 韶山 411300）

0 引 言

架空乘人装置是由驱动轮转动从而拖动钢丝绳移动，再由钢丝绳带动吊椅在煤矿井下作业的专门运输人员的设备[1]。由于架空乘人装置的运输距离长、速度快、效率高、安全性好，是煤矿井下主要的人员运输方式之一。然而，该装置也存在一些安全隐患，其中最严重的隐患是打滑飞车现象[2]。打滑飞车是指钢丝绳与驱动轮摩擦力不足，导致钢丝绳打滑，使乘人车失控，高速下坠或上升，容易造成安全事故[3]。

根据2016 版《煤矿安全规程》规定：主要运输平巷或倾斜井巷长度在1.5 km 以上或高差在50 m 以上的，采用机械方式运送人员，以提高煤矿安全生产水平和运输效率[4]。运送人员的车辆必须为专用车辆，禁止使用非乘人装置或混运物料。因此，架空乘人装置作为重要的运人设备，对其安全性能要求越来越高。2016 版《煤矿安全规程》中还规定：架空乘人装置必须装设超速、打滑、全程急停、防脱绳、变坡点防掉绳、张紧力下降、越位等保护，安全保护装置发生保护动作后，需人工复位才能重新启动，并应有断轴保护措施。驱动装置的减速器应设置油温检测装置，油温异常时能进行报警[5]。在巷道的整个线路中需要设置可延时启动声光预警信号[6]。各上下人地点应设置信号通信装置等。根据《GB210008-2007地下矿用架空索道安全要求》中规定：为避免钢丝绳松弛和驱动轮打滑，钢丝绳应通过合适的张紧装置加以张紧[7]。

目前，煤矿井下架空乘人装置上用于防止打滑飞车的安全保护装置较多，但大部分人员对钢丝绳打滑的原因和以及打滑系统构成等不够清晰，对打滑保护装置的配置也不够重视。现有的一些架空乘人装置上也配置了打滑保护系统，单打滑保护系统的可靠性还不够，因此，对架空乘人装置的打滑原因分析以及研制可靠的打滑保护系统尤为重要。

1 架空乘人装置打滑的原因及危害分析

1.1 打滑的原因分析

架空乘人装置造成打滑的原因主要包括以下几个方面：

1）当架空乘人装置出现摩擦系数不足或张紧力不够时，钢丝绳不随驱动轮运转而导致打滑。这是因为钢丝绳与驱动轮之间的摩擦力无法克服钢丝绳的重力和乘人装置的载荷，导致钢丝绳不能传递动力。为了避免这种情况，应该定期检查钢丝绳和驱动轮的磨损情况，及时更换或修理损坏部件，保持钢丝绳和驱动轮的清洁和干燥，调整张紧装置，使钢丝绳保持适当的张紧力。

2）当驱动轮轮衬过度磨损，钢丝绳直接与驱动轮刚体接触，降低了钢丝绳与驱动轮之间的摩擦力，也会导致打滑[8]。这是因为驱动轮轮衬是用来增加钢丝绳与驱动轮之间的摩擦系数和缓冲冲击力的部件，如果过度磨损或脱落，会使得钢丝绳直接与驱动轮刚体接触，造成打滑现象。为了避免这种情况，应该定期检查驱动轮轮衬的磨损情况，及时更换或修理损坏部件。

3）当牵引钢丝绳或驱动轮轮衬上有油污未处理干净，使钢丝绳摩擦系数变小，也会导致打滑。这是因为油污会降低钢丝绳与驱动轮之间的摩擦系数，使得钢丝绳不能有效地与驱动轮接触，造成打滑现象[9]。为了避免这种情况，应该定期清洗牵引钢丝绳和驱动轮轮衬，去除油污和杂物，使用合适的清洗剂和工具，防止对钢丝绳和驱动轮造成损伤。

4）当架空乘人装置超载运行时，也会导致打滑。这是因为超载运行会增加钢丝绳的拉力和乘人装置的载荷，使得钢丝绳与驱动轮之间的摩擦力无法平衡，导致打滑现象。为了避免这种情况，应该严格控制架空乘人装置的运行速度和载重量，遵守安全规程，不要超过设计规定的最大速度和最大载重量。

1.2 打滑的危害分析

架空乘人装置出现打滑时存在的危害如下：

1）打滑会导致钢丝绳和驱动轮的磨损加剧，降低架空乘人装置的使用寿命和安全性。由于钢丝绳和驱动轮之间的摩擦会产生热量，使得钢丝绳和驱动轮的温度升高，影响其材料性能和结构强度。同时，打滑也会使得钢丝绳和驱动轮之间的接触面积减小，增加其局部应力，加速其磨损程度。

2）打滑会导致架空乘人装置的运行速度不稳定，影响运输效率和舒适性。打滑会使得钢丝绳的张力波动，导致架空乘人装置的运行速度出现突然加速或减速的情况，影响运输效率和舒适性。同时，打滑也会使得架空乘人装置的运行噪音增大，影响环境质量和心理健康。

3）打滑会导致架空乘人装置的制动能力下降，增加飞车的风险，危及人员的生命安全,打滑会使得驱动轮与钢丝绳之间的摩擦力减小，导致制动器不能有效地将制动力传递给钢丝绳，影响架空乘人装置的制动能力下降，增加飞车的风险，危及人员的生命安全[10]。

4）打滑会使得驱动轮与钢丝绳之间的摩擦力减小，导致制动器不能有效地将制动力传递给钢丝绳，影响架空乘人装置的制动性能。如果遇到紧急情况，如电源故障、钢丝绳断裂、乘人车脱钩等，架空乘人装置可能无法及时停止，造成乘人车失控，发生飞车事故，造成人员伤亡和设备损坏。

1.3 防止打滑的防范措施

防止打滑的防范措施主要包括以下几个方面：

1）在设计阶段，根据运输距离、运输人数、运行速度等因素，合理确定驱动轮的规格、数量、位置和围包角，保证驱动轮与钢丝绳之间有足够的摩擦系数和传动效率。同时，选择质量合格的钢丝绳和驱动轮，保证其材料性能和结构强度。

2）在安装阶段，按照规范要求，正确安装驱动轮、钢丝绳、制动器、传感器等部件，保证其位置准确、连接牢固、调整适当。同时，进行必要的试运行和检测，确保架空乘人装置的运行稳定和安全。

3）在使用阶段，定期对架空乘人装置进行检查、维护、更换等工作，及时发现并排除故障。在安装过程中前后的吊椅之间的间距需要进行设定，尽量保持一致，避免因吊椅间距过大或过小造成打滑或飞车。同时，遵守操作规程，控制运行速度和载荷，避免过载或急停等情况。此外，安装必要的安全保护装置和信号报警装置，以便在发生异常情况时及时采取应急措施。

4）当架空乘人装置发生打滑而不能使设备及时报警停车，此时，牵引钢丝绳在负载的作用下速度会越来越快，或者牵引钢丝绳反转的现象（当上山侧坐满人时），严重时可能会引起飞车事故，一旦出现此事故，则沿线的乘人悉数跌落在地面或甩到钢丝绳上，后果不堪设想。

要消除上述安全隐患，一种可靠的方式是在钢丝绳打滑时进行有效的检测报警；因此在架空乘人装置驱动、牵引部位进行打滑检测和设置保护装置，可以实现语音报警、显示故障报警、停车闭锁功能，从而更好地确保猴车的安全运行，对提高煤矿的整体安全生产具有重要意义。

2 打滑保护系统的设计

2.1 打滑保护系统的构成

打滑保护系统安装在架空乘人装置的机头位置，其包括2 个测速轮，分别用于测量钢丝绳和驱动轮的速度，如图1 所示。在钢丝绳的下方安装一个带凹槽的滚轮，钢丝绳在凹槽内运行，运行时可带动滚轮运行，在该滚轮的支架上设置有钢丝绳速度检测装置；另外，在驱动轮的外沿上也安装一个滚轮，该滚轮通过弹簧压设在驱动轮上随驱动轮一起运动，在该滚轮的支架上设置有驱动轮速度检测装置。

图1 打滑保护装置的安装示意图

按正常情况，驱动轮依靠摩擦力带动钢丝绳运动，驱动轮的线速度与钢丝绳的速度相同，出现打滑时，架空乘人装置的驱动轮速度会大于钢丝绳的速度[11]。这是因为打滑会使得驱动轮与钢丝绳之间的摩擦力减小，导致驱动轮不能将其转速完全传递给钢丝绳，造成两者之间的速度差。如果打滑持续发生，架空乘人装置的运行速度会降低，甚至停止。

为了检测和防止打滑现象，通过在架空乘人装置的驱动轮处和出入绳处安装速度检测装置，分别检测牵引钢丝绳和驱动轮的速度并进行比较，当两者速度相差一定值时，触发报警信号，并自动停车或减速。这样可以及时发现打滑问题，并采取相应的措施，保证架空乘人装置的安全运行。

2.2 打滑保护装置的硬件设计

通过分析当钢丝绳打滑时出现的钢丝绳与驱动轮速度不一致的情况，确定了以下设计方案：打滑保护装置主要由传感器采集部分、架空乘人装置电控系统、稳压电源箱组成。传感器采集部分有2 个霍尔转速传感器，将装有一定数量磁钢的特制托轮靠近运动物体摩擦使托轮转速与被测物体保持同步速度，然后通过霍尔转速传感器感应托轮上按设计安装的磁钢的转动速度，最终由电控装置收集并且通过一系列算法得出被检测物体的运行速度，当两者的速度差达到设定值时则判断为钢丝绳出现打滑，此时电控装置通过短时间持续检测排除可能出现的误动作后将会控制架空乘人装置保护停车，同时电控装置操作台输出语音报警“请注意，打滑保护”，操作台触摸屏显示故障信息，此时需由操作人员排除故障后进行手动复位才允许继续启动设备，打滑保护装置硬件设计的结构框图如图2 所示。

图2 打滑保护装置硬件设计的结构框图

为方便配接不同厂家的电控系统，我们设计了可以单独使用的打滑保护装置，其信号接口为无源信号和电平信号，故能适用于大多数电控系统。这种打滑保护装置只需检测电控系统的运行信号，由声光报警器采集2 个转速传感器的信号并进行运算比较，当发生打滑保护时输出故障停车信号给电控系统，同时声光报警器声光提醒“请注意，打滑保护”。打滑装置的声光报警器采集转速传感器的信号的结构框图如图3 所示。

图3 声光报警器采集转速传感器的信号的结构框图

2.3 打滑保护装置的软件设计

在打滑保护装置中，稳定可靠的硬件和程序算法是保证打滑保护能长期有效运行的关键，我们选用西门子PLC 作为整个架空乘人装置电控系统的核心，在PLC 程序中分别检测单位时间内2 个转速传感器的脉冲信号得出频率值F，已知测速托轮周长为L，托轮上均匀分布磁钢数量N，对应每个磁钢一个脉冲信号，计算速度的公式如下：

其中：S为速度，m/s；F为频率值，Hz；L为测速托轮周长，m；N为磁钢数量。

再通过滤波算法，差值比较，和误动作排除算法实现钢丝绳是否打滑的判断。见图4。

图4 判断钢丝绳是否打滑的PLC 程序

当电控系统出现打滑保护，架空乘人装置保护停车，同时电控系统语音报警“请注意，打滑保护”，系统中人机界面的故障界面显示“驱动轮打滑，请检查”，等待人工排查复位故障。

对原有的架空乘人装置进行升级改造则使用声光报警器代替电控系统，声光报警器采用Cortex-M3内核的32 位嵌入式微处理器STM32F103 作为控制核心，128X32 点阵作为显示界面，8Ω10W 喇叭提供语音报警，2 个霍尔转速传感器输出的脉冲信号，进入控制核心模块来进行速度计算，由控制核心模块经过一系列运算处理后进行打滑保护判断、声光报警、输出故障停车信号，达到打滑保护停车的目的，此种设计方案的打滑保护装置正常运行时由128X32 点阵实时显示驱动轮和钢丝绳速度。

当装置判断为打滑保护时向架空乘人装置输出保护停车信号，并同时显示和语音报警“请注意，打滑保护”，由维护人员进行故障排除后再次启动设备。适用于原有架空乘人装置改造升级的打滑保护装置工作流程。架空乘人装置改造升级的打滑保护装置的框图如图5 所示。

图5 架空乘人装置改造升级的打滑保护装置的框图

3 结 论

本文介绍了架空人员装置安全要求以及保护装置对其的重要性，然后分析了架空乘人装置打滑的原因和危害，并提出了防止打滑的措施。文章详细介绍了打滑保护系统的设计，包括系统结构、硬件设计和软件设计。这些设计方案旨在通过检测和防止打滑现象，保证架空乘人装置的安全运行。本文提供的打滑保护系统结构简单、运行可靠，容易安装，对各种架空乘人装置均适用，目前该装置已经投入使用，并取得了很好的效果。

通过将打滑保护装置应用在架空乘人装置上，可使矿山的工作人员可在第一时间内获得设备的运行速度情况，可提高对架空乘人装置的安全管理，是实现安全煤矿、煤矿智能化建设一种可靠防护。