架空乘人装置断绳抓捕器性能模拟分析

伊文平

（晋能控股集团同发东周窑煤业有限公司， 山西 大同 037003）

0 引言

煤炭是我国重要的矿产资源，在我国的煤矿开采中，大部分采用地下开采的方式。在地下煤矿开采的过程中，架空乘人装置是重要的辅助设备，用于输送作业人员及设备，实现井上与井下的互通[1]。架空乘人装置的作业距离长、输送效率高、输送过程中的安全性至关重要。在煤矿长期开采过程中，架空乘人装置使用过程对钢丝绳产生一定的磨损、疲劳及冲击振动等，容易引起钢丝绳的断裂[2]，对煤矿的安全造成威胁。在架空乘人装置使用过程中，断绳抓捕装置是保证安全的重要结构，可以对断裂的钢丝绳快速抓捕，保证架空乘人装置的安全，避免造成较大的安全事故[3]。针对架空乘人装置使用的断绳抓捕器进行设计，并采用有限元数值分析的形式进行性能模拟分析，从而确定断绳抓捕器的有效性，保证煤矿人员输送的安全。

1 架空乘人装置断绳抓捕器的整体设计

架空乘人装置采用钢丝绳进行运动传递，钢丝绳在井下复杂的环境中，受到冲击、磨损等影响，存在断裂的风险。采用液压推杆式架空乘人装置断绳抓捕器保证钢丝绳运行的安全。抓捕装置的整体方案如图1所示[4]，主要由楔形抓捕器、张力监测机构及PLC 控制系统组成。楔形抓捕器主要由楔形块、滑轨、液压推杆组成，通过PLC 控制系统的指令对电磁换向阀的动作进行控制，张力监测机构采用张紧油缸及传感器、尾轮等对断绳信号进行采集[5]。

图1 断绳抓捕装置示意图

断绳抓捕装置在使用过程中，当不需要进行抓捕动作时，张紧绳在张紧油缸的作用下保持恒定的张力，通过PLC 控制液压推杆处于伸出状态，此时抓捕装置的楔形块在液压推杆的作用下保持张开状态[6]，与钢丝绳没有接触，不影响钢丝绳的运行。当架空乘人装置钢丝绳突发断裂时，通过尾轮传递到张紧绳上的张力突然消失，即触发抓捕信号[7]，PLC 控制液压缸电磁阀动作，液压推杆收缩使楔形块对钢丝绳形成抓捕，且液压推杆越收缩，楔形块对钢丝绳的夹紧力越大，从而锁紧钢丝绳，保证架空乘人装置的安全[8]。

液压推杆式抓捕器主要通过楔形装置对钢丝绳的夹紧实现断绳抓捕，通过楔形块在滑轨中的移动实现对钢丝绳的夹紧锁死。楔形抓捕装置的结构如图2所示[9]，当钢丝绳断裂触发抓捕信号时，楔形块与钢丝绳之间接触，并在液压力及钢丝绳的摩擦力作用下在滑轨中产生移动，实现自锁，实现钢丝绳的停止。楔形抓捕装置是实现钢丝绳断裂抓捕的重要部分，为保证楔形抓捕装置的稳定可靠[10]，设计采用两个楔形块同时动作的方式保证抓捕的性能。

图2 楔形抓捕装置的结构示意图

2 架空乘人装置断绳抓捕器性能模拟分析

2.1 抓捕装置静力学性能分析

架空乘人装置断绳抓捕器在钢丝绳发生突然断裂进行抓捕时，要承受钢丝绳较大的冲击力及摩擦力作用，对抓捕装置的性能具有较高的要求，采用有限元仿真模拟的形式对抓捕装置的静力学性能进行分析。ANSYS 是常用的有限元分析软件，对于结构受力具有较好的分析性能，适用于对抓捕装置的静力学性能进行分析[11]。

依照楔形抓捕装置的结构，建立结构模型，楔形抓捕装置的主要组成部分包括楔形块、连接板、安装板及滑轨，将楔形抓捕装置进行装配导入到ANSYS 软件中。在ANSYS 中设定楔形抓捕装置材质为45 钢，采用自动网格的形式进行网格划分处理。在楔形抓捕装置动作过程中，受到重力、钢丝绳摩擦力及液压杆的推力作用[12]，设定楔形块的滑移自由度，其余为固定约束，对楔形抓捕装置的应力进行计算分析。

对楔形抓捕装置的应力进行仿真计算，经过计算得到楔形抓捕装置部件的应力分布如图3 所示。从图3中可以看出，在连接板中产生的最大应力为151.86 MPa，最大应力位于连接板伸出位置的中间，存在一定的应力集中现象；在滑轨与安装板组成的结构中最大应力为31.37 MPa，最大应力位于结构体底部滑轨的右端位置，同样存在应力集中现象，最大应力值相对较小；在楔形块中最大应力为20.6 MPa，最大应力位于楔形块底部靠近端面的位置处，最大应力值较小。楔形抓捕装置采用的45 钢屈服极限为600 MPa，则楔形抓捕装置的各组成构件具有加大的安全系数，分别为连接板安全系数为3.95，安装板与滑轨机构安全系数为19.1，楔形块安全系数为29.1。通过上述的分析可知，楔形抓捕装置安全系数均大于3，具有较高的安全冗余，具有较好的静力学性能，能够满足抓捕的性能需求。

图3 楔形抓捕装置各部件应力分布

2.2 抓捕装置动力学性能分析

断绳抓捕装置进行钢丝绳抓捕的过程即楔形块对钢丝绳的摩擦碰撞过程，在抓捕过程中，楔形块与钢丝绳之间会产生多次的碰撞及接触，从而将钢丝绳固定停止。进行钢丝绳断绳抓捕的过程极为短暂，对碰撞过程进行动力学分析，对其抓捕性能进行分析。采用Adams 进行抓捕的动力学分析，将所建立的抓捕装置及钢丝绳模型导入到Adams 软件中，设定模型材质为45 钢，安装板进行固定约束，楔形块受到重力、摩擦力及碰撞接触力作用。在模型中设定仿真作用时间为1 s，步长为100 步，对楔形抓捕装置的运动过程进行计算分析。依据仿真计算结果，对钢丝绳在抓捕过程中的运动速度及移动距离进行曲线绘制，得到钢丝绳的运动变化如图4 所示。

图4 钢丝绳运动曲线

从图4 中可以看出，当钢丝绳发生断裂进行抓捕时，楔形抓捕装置能够在较短的时间内进行动作，在楔形块与钢丝绳碰撞接触的过程中，钢丝绳的速度具有较大的变化，在0.025 s 之内，钢丝绳的速度产生剧烈的变化，快速下降为0；钢丝绳在0.025 s 的时间内达到静止状态，此时产生的移动距离为2.5 m，断绳抓捕装置能够实现较快的抓捕钢丝绳，在2.5 m 的距离实现钢丝绳的静止，具有较好的抓捕性能。在实际的生产使用过程中，由于生产工艺等因素的影响，与理想情况存在一定的差异，应提高断绳抓捕装置的工艺，并留有一定的裕量，保证断绳抓捕装置的安全运行。

3 结论

1）架空乘人装置是煤矿开采中常用的输送装置，针对钢丝绳的磨损断裂突发状况设计了楔形断绳抓捕装置，从而在发生意外状况时进行钢丝绳的迅速捕捉，避免造成煤矿安全事故。

2）采用ANSYS 有限元分析软件对断绳抓捕装置进行静力学性能分析，结果表明，采用45 钢材质的断绳抓捕装置具有较好的静力学性能，安全系数大于3，具有较高的安全冗余，能够满足抓捕的需求。

3）采用Adams 动力学分析软件对断绳抓捕装置进行动力学性能分析，结果表明，采用断绳抓捕装置能够在较短的时间内让钢丝绳达到静止状态，实现快速抓捕。