架空乘人装置安全保护装置研制与应用

赵德超

(郑煤集团公司 大平煤矿， 河南 登封 452473)

0 引言

架空乘人装置是煤矿井下专用的一种乘人工具，属于无极绳运输系统，主要由驱动部分、站点部分、尾轮部分、张紧部分、钢丝绳、安全保护装置及电控系统组成。经张紧装置张紧后，由驱动装置输出动力带动驱动轮和钢丝绳运行，从而实现输送矿工的目的，可缩短通勤时间，减轻矿工体力消耗。它具有人员运送量大、运行安全可靠、上下方便、随到随行、不需等待、一次性投入低、动力消耗小、操作简单、便于维护、操作人员少等特点[1]。据统计，目前架空乘人装置在煤矿运行中拥有量达4 000～5 000台，每天在同一时间内约有40万～50万名矿工在乘坐架空乘人装置，相当于地面上300多列火车同时运行。由于架空乘人装置是运人的特殊设备，与副井提升机运人设备一样，其运行安全的重要性和监管的紧迫性不亚于地面上的汽车交通。该装置的安全运行不仅关乎煤矿的安全，更事关矿工的生命保障与和谐社会的建设。所以，架空乘人装置的安全至关重要，应该尽快将之纳入国家层面高度集中管理。

大平煤矿井下有4部架空乘人装置，分别安装于14东翼扩大区皮带下山、15轨道下山、21轨道下山上、下段，担负着采区运送人员任务。每部架空乘人装置均安装有超速、打滑、全程急停、变坡点防掉绳、张紧力下降、越位等安全保护[2]，各种保护动作灵敏可靠。沿线托、压绳轮架和急停吊杆处均安装了机械式吊椅防偏摆保护,每部架空乘人装置驱动系统均设置有失效安全型工作制动装置和安全制动装置，制动力均满足要求。但在实际运行中存在钢丝绳掉槽脱绳，驱动轮主轴受到冲击载荷产生裂纹，斜巷施工人员未提前语音告知，架空乘人装置与轨道提升系统同巷布置时未设置电气闭锁，乘人平台距轨道近，保护误动作等安全隐患，严重威胁人员和设备运输安全。随着架空乘人装置的广泛应用，系统的安全性能和安全保护装置完善越来越被关注，近年来架空乘人装置在山东、山西使用过程中发生过人员伤亡事故，造成生命财产损失[3-4]。根据2016年新版《煤矿安全规程》及AQ标准要求，结合实际运行情况及现场出现的问题，技术人员利用煤矿现有元器件研制完善相关保护、电气闭锁功能，使其更加安全可靠的运行，保障乘人安全。

1 架空乘人装置安全保护装置研制

1.1 防脱绳保护装置结构及工作原理

架空乘人装置在安装时，每侧所有托轮、压轮的轮衬绳槽中心必须在同一条直线上，且与钢丝绳恰好接触，如果有偏差，钢丝绳容易在该处从托轮上脱离出来，造成掉绳现象。其次，长期使用后安装托轮吊架的U型螺栓发生松动，托轮吊架容易在钢丝绳的牵引和抱索器经过所产生的振动下发生偏移，进而发生掉绳。另外，人员在上、下站点处摘吊椅时容易掉绳等。钢丝绳从托轮上脱离之后如果不马上停车，一是乘人经过掉绳处时摔倒地上或蹭底挂道，造成人身伤害；二是钢丝绳在掉绳之后，掉落在该托绳轮一侧，造成钢丝绳磨损。

防脱绳保护装置结构主要由承接装置、跑偏传感器和传输线组成。在架空乘人装置上、下人站点处两侧托绳轮架的圆心位置各焊接一个承接装置，该装置用长度为50 mm，直径为70 mm的圆钢加工而成，外圆直径70 mm,内圆直径50 mm，外侧钢丝绳挡绳位置厚度为10 mm。

架空乘人装置运行时，当牵引钢丝绳从托绳轮上脱落时，钢丝绳触动传感器，同时直接掉落在承接装置上，托绳轮上的承接装置托住钢丝绳随着转动，不至于磨损钢丝绳。同时架空乘人装置电控PLC系统采集到信号时，架空乘人装置装置停止运行，如图1所示。

1-承接装置； 2-托绳轮； 3-钢丝绳； 4-跑偏传感器； 5-电缆。

1.2 断轴保护装置结构及工作原理

架空乘人装置驱动轮主轴的设计一般都有足够的安全系数，但是井下环境比较恶劣，且部分架空乘人装置运行时间长，负载大，驱动轮主轴是承受负载最大的部件，同时承受驱动轮转动所需的大扭矩及沿钢丝绳方向的径向拉力，还时常会受到一些冲击载荷，这些因素都可能会缩短主轴的使用寿命，产生裂纹甚至断裂，存在较大的安全隐患[5]。

根据21轨道下山上段减速器驱动的架空乘人装置现场实际运行情况，计算弯曲剪切力，利用16 mm钢板自行加工安装断轴保护装置。断轴保护装置结构主要由断轴保护装置上托盘固定螺栓、上托盘、驱动轮、下托盘、驱动轮轴、U型卡、压板、下托盘固定螺栓、控制回路行程开关等组成，如图2所示。

1-上托盘固定螺栓； 2-上托盘； 3-驱动轮； 4-下托盘；5-驱动轮轴； 6-U型卡； 7-控制回路行程开关。

在驱动轮装置平台下方利用减速器4条直径为M30螺栓安装两块对称半圆的上托盘，同时在驱动轮轮副上方用12条直径为M16型U型卡固定两块对称半圆的下托盘。当驱动轮正常运行时，上托盘与下托盘之间存在16 mm间隙，上托盘圆盘与下托盘圆盘之间存在14 mm间隙，不会影响驱动轮正常运转。为监测主轴弯曲量，防止断轴事故发生，在驱动轮前安装行程开关，行程开关和轮沿间距为4 mm，并接入电控PLC主控制回路。当主轴断裂导致驱动轮掉落时，下托盘随着驱动轮掉落到上托盘上，阻止其继续下落。此时，驱动轮触碰行程开关动作，架空乘人装置电控PLC系统采集不到信号时，系统自动停车并报警。

1.3 延时启动声光预警信号结构及工作原理

当人员在斜巷施工或行走时，由于未提前语音告知，可能会导致其他异常情况发生或人员蹭伤。

延时启动声光预警信号由电源模块(输入AC 127 V、输出DC 12 V)、YU04型4路隔离语音控制器、2个继电器(24 V)、8台KXH-127矿用隔爆兼本质安全型语音声光信号器(语音箱)、4台KXH-127矿用隔爆兼本质安全型语音声光器(红绿灯)、电缆等部分组成。

在架空乘人装置平台处矿用隔爆兼本质安全型语音声光信号器(语音箱)内安装2个继电器J1、J2(36 V)、YU04型4路隔离语音控制器(提前录制语音或下载语音,音频输入语音控制器)；由原来PLC控制箱内引出DC 24 V电源接在继电器J2线圈上，从矿用隔爆型信号照明综保上引出127 V电源接在电源模块输入端，输出DC 12 V供红绿灯电源。由J2控制原音响与新录制声音转换，同时J2控制继电器J1，J1控制红绿灯。

利用原来PLC控制箱内开车预警按钮，在语音箱内加装J2继电器，在4个车场口加装红绿灯，红绿灯电源从PLC控制箱取AC 127 V变为DC 12 V电源，红绿灯装置内部自带有红灯、绿灯、语音模块。

停止状态下各车场的红绿灯装置显示为绿灯，启动时，首先按下开车预警按钮，继电器J2(24 V)通电，YU04型4路隔离语音控制器会发出语音“猴车正在启动，请注意安全”，提醒乘坐人员，架空乘人装置准备启动，常开点吸合，红灯开关闭合，绿灯变为红灯。延时5 s后J1点自动闭合，红灯开关打开，红灯变绿灯，如图3所示。

图3 延时启动声光预警信号原理

1.4 电气闭锁结构及工作原理

大平煤矿主斜巷安装了架空乘人装置和矿用运输绞车各一部，用于运送人员和提升物料，混合作业。绞车运行时，架空乘人装置操作台因误操作启动运行架空乘人装置，从而造成斜巷运输事故发生。为避免事故发生，在现用架空乘人装置的控制开关(矿用隔爆型真空电磁起动器)控制回路和绞车控制开关(矿用隔爆型真空可逆电磁起动器)控制回路加装电气闭锁线路，实现绞车和架空乘人装置闭锁。

电气闭锁结构由两档按钮、电源模块(输入AC127 V、输出DC 12 V)、继电器J1、中间继电器J2、40 A接线盒，KXH-127矿用隔爆兼本质安全型语音声光器(红绿灯)、电缆等部分组成。

将红绿灯、中间继电器ZJ、控制红绿灯的双挡按钮(QA控制红灯、TA控制绿灯)接在BZX-2.5型信号照明综合保护回路中，并将中间继电器J2的一个常开触点(CM1或CM2)串在绞车电控回路中，架空乘人装置一个常闭触点CM3并在绞车红绿灯常闭点上，并按电气闭锁原理图进行连接。

当绞车未启动时，从信号综保引出的三相127 V交流电中，只有A、B两相有电，公用线无电，中间继电器J2不动作。此时绿灯亮，红灯H不亮，喇叭无声，绿灯L亮，架空乘人装置常闭触点CM3闭合，形成闭合控制回路，架空乘人装置运行，此时绞车不能启动运行，实现了电气闭锁控制。当绞车启动提升时，按下启动按钮QA，J2吸合，公用线与B相接通，继电器J1吸合，常闭点J1断开，架空乘人装置常闭触点CM3断开，此时架空乘人装置控制开关断电，无法构成合闸控制回路，即合不上闸，绿灯L熄灭，继电器常开接点接通红灯电路和音响电路，喇叭发出“正在行车，严禁行人”的语言提示，同时红灯按一定频率闪烁。绞车启动时断开了架空乘人装置的控制线CM3，实现了绞车运行而架空乘人装置不能启动的闭锁控制，电气闭锁工作原理如图4所示。

1.5 电控可移动乘人平台结构及工作原理

架空乘人装置乘人平台如果距轨道太近，影响车辆运输；如果距吊椅太远，不方便职工乘坐。为确保乘人和轨道运输安全，设计并安装电控可移动乘人平台。

图4 电气闭锁工作原理

电控可移动乘人平台由电源块(输入AC 127 V、输出DC 12 V)、继电器(36 V)、隔爆兼本安型控制箱、电磁阀(DC 12 V)、电缆、手转阀门、气缸以及乘人平台等部分组成。

提前设计乘人平台以及滑道，安装气缸。然后在架空乘人装置隔爆兼本安型控制箱内安装电源模块和继电器(36 V)，由架空乘人装置控制开关内引出36 V电源接在继电器线圈上，由矿用隔爆型信号照明综合保护器上引出127 V电源接在电源模块输入端，电源块输出端12 V接在继电器的一组常开点上，电磁阀电源接在继电器常开点上。架空乘人装置启动后，继电器(36 V)通电，常开点吸合，导通电磁阀12 V电源，电磁阀打开，风源导通，气缸推动乘人平台动作；反之架空乘人装置不启动，继电器(36 V)无电，常开点断开，电磁阀关闭，气缸风源断开，乘人平台不动作，不影响轨道运输，如图5所示。

图5 电控可移动乘人平台工作原理

1.6 钢丝绳顺利导入装置结构及工作原理

架空乘人装置运行时，在机头驱动轮、机尾迂回轮牵引钢丝绳入绳口处，由于机头、机尾越位保护不到位，人员乘坐吊椅或异物通过机头驱动轮、机尾迂回轮时，容易造成掉绳或人员摔伤事故。

钢丝绳顺利导入装置结构主要由安全防护装置、传感器、磁钢和传输线组成。机头驱动轮或机尾迂回轮入绳口安全防护装置如图6所示，安装在驱动装置机架入绳侧的安装板上，用螺栓与安装板连接，在合适位置拧紧，使抱索器过牵引钢丝绳能从槽口中间通过且抱索器通过时不会碰到防护装置。

架空乘人装置正常运行时，无异物或其他异常情况时，安全防护装置前钢板上磁钢脱离传感器感应范围，不输出信号。当有异物在牵引钢丝绳上运行，经机头驱动轮、机尾迂回轮牵引钢丝绳入绳口处钢板，钢板上一侧磁钢发生位移，另一侧传感器感应磁钢并输出信号，将其传到PLC控制箱，同时通过入绳口安全防护装置阻挡而将异物带入驱动轮或迂回轮，系统自动保护停车，从而避免发生因异物顺利通过机头驱动轮或机尾迂回轮造成掉绳或伤亡人员事故。

图6 钢丝绳顺利导入装置结构

2 应用效果及效益分析

2.1 应用效果

各项安全保护装置在大平煤矿架空乘人装置应用后，效果明显，达到设计目的。具有结构简单，实用性强，安装方便，安全可靠，维修量小的特点，所用元器件均为煤矿企业常用器件，取材方便，可产生一定经济效益和社会效益。

2.2 效益分析

大平煤矿组织技术人员对安全保护装置进行设计改造，共花费3.76万元，与对外采购保护装置花费45万元相比，可节省费用41.24万。通过完善4部架空乘人装置各类保护，延长了设备的使用寿命。原人员配置为绞车兼架空乘人装置司机1人，上下把钩工2人，改造后只需1名工作人员，按每人每年3.6万工资计算，全年可节省人工费用21.6万元。每年可减少抱索器投入84件(每件275元)、轮衬投入320件(每件185元)，减少维修材料费用8.23万元。全年可节约人工和材料配件费用71.07万元。

各项保护的完善能显著提高架空乘人装置安全运行水平，降低设备维护维修费用，确保乘坐人员人身安全，有效提高架空乘人装置在斜巷提升的安全系数，可防止恶性事故的发生，为斜巷运人设备消除安全隐患，符合新版《煤矿安全规程》对架空乘人装置的要求。

3 结论

通过对架空乘人装置防脱绳保护、驱动轮断轴保护装置、延时启动声光预警信号、电气闭锁、电控可移动乘人平台和钢丝绳顺利导入装置研制并应用，完善了架空乘人装置的安全保护装置，降低了架空乘人装置在运行中的安全隐患，确保了乘坐人员的人身安全，在安全保护方面提供了可借鉴的经验，经济效益和社会效益显著，具有一定的推广应用价值[6]。