BF型防墜器緩沖繩在制動過程中的作用分析*

李令德，賀彩龍

(湖南煤礦安全監(jiān)察局安全技術(shù)中心，湖南長沙 410004)

0 引言

防墜器是礦井提升系統(tǒng)的重要組成部分，尤其在立井纏繞式提升機系統(tǒng)中，發(fā)生主提升繩斷繩等緊急情況時，將罐籠平穩(wěn)制動在制動繩上，以避免罐籠墜入井底造成更大的事故。因為其重要性，《煤礦安全規(guī)程》對它的使用性能進行了具體的規(guī)定。BF型防墜器是目前使用較為廣泛的防墜器(如圖1)，它由開動機構(gòu)、傳動機構(gòu)、抓捕器、緩沖機構(gòu)4個部分組成。其中，開動機構(gòu)是當主提升繩斷繩時使得防墜器動作;傳動機構(gòu)是將開動機構(gòu)的動作命令傳遞到執(zhí)行機構(gòu)的橋梁;抓捕機構(gòu)則是防墜器制動的關(guān)鍵部分，負責(zé)將罐籠制動在制動繩上;緩沖機構(gòu)能有效降低突然制動帶來的大減速度，使得制動過程變得更加平穩(wěn)。

防墜器使用過程中的關(guān)鍵點，不僅僅是要能夠在發(fā)生危險的時候制動住，還要考慮制動過程是否平穩(wěn)，尤其是在有人員乘坐時，還要考慮制動過程是否會對人員造成傷害。安全行業(yè)對防墜器的技術(shù)要求很高很具體。要求在進行脫鉤試驗時，動作空行程時間不大于0.25 s［2］，在最小終端載荷下，罐籠的制動減速度不應(yīng)大于50 m/s2，在最大終端載荷下，罐籠的制動減速度不應(yīng)小于 10 m/s2［1－2］。目前，關(guān)于防墜器脫鉤試驗的方法研究較多，但對于制動過程中制動距離、緩沖距離等對制動效果的綜合影響分析較少，一般都是根據(jù)能量守恒定律間接計算制動減速度［3］。通過對制動過程中的減速度進行詳細分析，提出了緩沖繩的緩沖距離對整個制動的影響。

圖1 BF型防墜器結(jié)構(gòu)示意圖

1 制動過程的動力學(xué)分析

設(shè)想罐籠以初速度v0向下運行時制動，如圖2所示。制動減速過程應(yīng)該分為三個主要過程:

(1)罐籠受重力作用，如圖2(b)所示，做有初速度的自由落體運動。開動機構(gòu)動作時，開動彈簧動作將滑楔向上撥動，壓緊制動繩。因為滑楔和制動繩之間有一個允許距離，一般不超過8 mm，彈簧力的作用時間為空動時間。這期間，罐籠受重力作用(系統(tǒng)的向上的阻力忽略)，加速度為g。

(2)滑楔在制動繩上的動作過程，如圖2(c)所示。從滑楔接觸制動繩開始，因為金屬之間的摩擦力比較小，靠加大兩者之間的正壓力來增大摩擦力，所以，還要依靠開動彈簧的力來使滑楔緊緊壓住制動繩。在重力和彈簧力的作用下，這個過程很短，為了便于計算，忽略該過程中的制動減速度對整體的影響。

式中:G為罐籠、防墜器等固定部分的重力;f1+2為系統(tǒng)的摩擦力和滑楔與制動繩之間的摩擦力之和;a1為滑楔作用過程的制動減速度。

式中:x3－x2為滑楔作用過程的位移;t3－t2為滑楔作用過程的持續(xù)時間。

因為t3－t2→0，a1雖然比較大，但是因為持續(xù)的時間很短，所以對整個制動過程的影響并不大。

(3)緩沖過程，如圖2(d)所示。緩沖器發(fā)生作用，提供進一步的制動力，罐籠速度降為零，緩沖繩被拉出x4－x3的距離。在這個過程中，制動繩還有一個彈性伸長量，而且這個彈性伸長量會因為制動繩本身的長度、使用的時間以及磨損情況會有所變化。因為考慮到這個量相對于本文考慮的減速度來說影響不是很大，因此不做具體分析。此過程中的減速度為a2。

因為t3－t2→0，所以式(4)也可寫為:

式中:x4－x2為緩沖繩拉出的距離。

圖2 制動減速過程

上述三個過程的速度位移曲線示意圖如圖3。

2 制動過程的減速度分析

根據(jù)《大眾科學(xué)》最近刊載的一項研究表明，14個g的加速度可以讓人的器官分離，而4～8個g的加速度可以讓人昏迷。在最小終端載荷下，罐籠的制動減速度不應(yīng)大于50 m/s2，在最大終端載荷下，罐籠的制動減速度不應(yīng)小于10 m/s2，同時，防墜器的空行程時間不大于0.15 s。綜合分析制動減速度應(yīng)該滿足 g≤a≤5 g。

圖3 減速過程的速度時間曲線

緩沖繩拉出的距離和防墜器空動時間都是通過儀器實際測量得到，綜合式(1)、(2)、(5)，整理得到:

即:

式中:H為防墜器空動時間內(nèi)下降的距離;L為緩沖繩被拉出的距離。

根據(jù)g≤a≤5 g的要求，結(jié)合式(7)的要求，有:

由此可知，緩沖繩在緩沖器中抽出的長度并不是隨意的，而是要滿足式(8)的要求。當罐籠下降的初速度較大時，緩沖繩抽出的距離就比較長。在設(shè)定初速度為零的前提下，即重載脫鉤試驗時，要求空動時間小于0.15 s，則 H≥ 0.1125 m，代入式(9)，得出:L≥22.5 mm，即在零速脫鉤的狀態(tài)下，緩沖繩被抽出的距離也不應(yīng)小于22.5 mm。

3 結(jié)語

通過分析可以看出，緩沖器在制動過程中扮演了非常重要的作用。緩沖繩在緩沖器中被抽出的距離不能太小，也不能太大，必須將其控制在一個可靠的范圍內(nèi)，才能保證設(shè)備和人員的安全。

［1］ 國家煤礦防爆安全產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心.MT355－2005礦用防墜器技術(shù)條件［S］.北京:煤炭工業(yè)出版社，2005.

［2］ 國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局.AQ2019－2008金屬非金屬礦山豎井提升系統(tǒng)防墜器安全性能檢測檢驗規(guī)范［S］.北京:煤炭工業(yè)出版社，2009.

［3］ 任中華，王 雷.防墜器現(xiàn)場試驗及其安全性能評價［J］.煤礦機械，2007(6):78－79.