（机械设计及理论专业论文）新型机械式矿车防跑装置设计及动力学建模仿真.pdf

摘要 在煤矿生产过程中对斜井跑车事故进行有效地预防十分必要。但 目前还没有很成熟的防跑车装置j 特别是能实现及时捕捉跑车的可靠 装置，所以有必要设计一种能适应矿井恶劣环境，并能实现及时捕捉 跑车的自动防跑装置。 论文以煤矿生产中应用的m g c l 1 6 固定式矿车为对象，以实际 工况为依据，设计了三种以速度作为制动条件的新型机械式矿车防跑 装置，采用经验评价法对三种方案进行了比较和评价，根据评价结果 选择最优方案，并对其进行详细的结构设计和动态有限元分析。 运用a n s y s l s d y n a 分别对制动爪与枕木、滑块与制动触发板的 冲击碰撞过程进行了动态分析，得到了制动爪各部位所受有效应力， 及其与碰撞时间的关系，并根据分析结果对制动爪的结构进行了优 化；得到了滑块与制动触发板仿真模型的应力云图，及制动触发板u 型槽处中部单元有效应力与碰撞时间的关系，验证了制动触发板预破 坏结构的工作可靠性。 采用气垫导轨实验平台进行了弹簧刚度系数测定实验，确定了所 选弹簧的刚度系数。然后，分别采用键合图理论和虚拟样机技术对超 速感应机构的工作过程进行了仿真。一方面，在2 0 s i m 仿真软件环 境下，建立超速感应机构的键合图模型，进行动力学仿真，得到了超 速感应机构的滑块位移曲线图和转动角速度曲线图；另一方面，通过 运用a d a m s 软件建立超速感应机构的虚拟样机模型，得到了矿车发生 跑车后车轮角速度、弹簧力和滑块质心在y 轴的座标与时间的曲线， 以及滑块在特定点所对应时间与甩出的长度值之间的关系。 通过a n s y s l s d y n a 结构分析、关键零部件实验、以及a d a m s 和 键合图仿真，结果表明，该装置结构设计合理，具有自动防跑、即时 抓捕的功能，可有效的防止跑车事故的发生，对保障矿井的安全生产 具有重大意义。 关键词斜井，自动防跑装置，设计，动力学仿真，l s d y n a a b s t r a c t i t sn e c e s s a r yt op r e v e n te f f e c t i v e l yt h ei n c l i n e dc a ra c c i d e n ti nc o a l p r o d u c t i o n h o w e v e r , t h e r ea r en o tm a t u r ea n t i s l i p p e dd e v i c e sa tp r e s e n t ， e s p e c i a l l yt h er e l i a b l ee q u i p m e n tt ot i m e l yc a p t u r et h et r a m c a r s oi t s n e c e s s a r yt od e s i g nak i n do fa u t o m a t i ca n t i s l i p p e dd e v i c ew h i c hm a y a d a p tt ot h eh a r s he n v i r o n m e n ti nm i n ea n dt i m e l yc a p t u r et h et r a m c a r i nt h i sa r t i c l e ，t a k i n gt h ew i d e l ya p p l i c a b l em g c1 1 - 6f i x e dt r a m c a r i nc o a l p r o d u c t i o n a sa ne x a m p l e ，a c c o r d i n gt ot h ea c t u a l w o r k i n g c o n d i t i o n s ，w ed e s i g n3n e ws t y l e so fm e c h a n i c a la n t i s l i p p e dd e v i c e s w h i c ht a k et h es p e e da st h eb r a k i n gc o n d i t i o n s u b s e q u e n t l y , w i t ht h e a p p l i c a t i o no fe x p e r i e n c ee v a l u a t i o nm e t h o dw ec o m p a r ea n de v a l u a t et h e 3p r e s e n tp r o g r a m s ，t h e r e f o r et h eo p t i m a lp r o g r a mi ss e l e c t e db a s e do n t h ee v a l u a t i o nr e s u l t s a n dw ec a r r yo u tad e t a i l e ds t r u c t u r a ld e s i g na n d d y n a m i cf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i sf o r t h eo p t i m a lp r o g r a m w i t ha n s y s l s - d y n aw ep r e s e n tad y n a m i ca n a l y s i so ft h e c o l l i s i o np r o c e s sb e t w e e nt h eb r a k ec l a wa n ds l e e p e r sa n dt h es l i d e ra n d b r a k et r i g g e rb o a r dr e s p e c t i v e l y t h e no nt h eo n eh a n d ，o b t a i n i n gt h e e f f e c t i v es t r e s so fp a r t so ft h eb r a k ec l a wa n di t sr e l a t i o n s h i pw i t ht h e c o l l i s i o nt i m e a n da c c o r d i n gt ot h ea n a l y z e dr e s u l t st h es t r u c t u r e so ft h e b r a k ec l a wa r eo p t i m i z e d o nt h eo t h e rh a n d ，o b t a i n i n gt h es t r e s sc l o u do f t h es i m u l a t i o nm o d e lo ft h es l i d e ra n db r a k et r i g g e rb o a r dt o g e t h e rw i t h t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ee f f e c t i v es t r e s so ft h ec e n t r a lu n i t so ft h e b r a k et r i g g e rb o a r du g r o o v ea n dt h ec o l l i s i o nt i m e ，w h i c hv e r i f i e dt h e r e l i a b i l i t i e so f p r e d a m a g e ds t r u c t u r eo f t h eb r a k et r i g g e rb o a r d w ec o n d u c t e das p r i n gs t i f f n e s sc o e f f i c i e n tm e a s u r e m e n te x p e r i m e n t i nt h ea i rt r a c ke x p e r i m e n tp l a t f o r mt od e t e r m i n et h es t i f f n e s sc o e f f i c i e n t s u b s e q u e n t l y , p r e s e n t i n gas i m u l a t i o no ft h ew o r kp r o c e s so ft h eo v e r s p e e ds e n s o rb o d y w i t h b o n d - g r a p ht h e o r y a n dv i r t u a l p r o t o t y p i n g t e c h n o l o g yr e s p e c t i v e l y o nt h eo n eh a n d ，e s t a b l i s h i n gt h eb o n d g r a p h m o d e lo ft h eo v e rs p e e ds e n s o rb o d yw i t h2 0 - s i m ，t h e nt h r o u g ht h e d y n a m i cs i m u l a t i o n ，w eg e tt h ed i s p l a c e m e n tc u r v ea n d r o t a t i o n a la n g u l a r v e l o c i t yc u r v eo ft h es l i d e ro nt h eo v e rs p e e ds e n s o rb o d y ；o nt h eo t h e r h a n d ，e s t a b l i s h i n gt h ev i r t u a lp r o t o t y p i n gt e c h n o l o g ym o d e lo ft h eo v e r s p e e ds e n s o rb o d yw i t ha d a m s ，t h e no b t a i n i n gt h ew h e e l sa n g u l a r v e l o c i t y , t h es p r i n gf o r c e ，t h es l i d e r sc o o r d i n a t ei nt h ey - a x i sv e r s u st i m e ， a n dt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt i m ec o r r e s p o n d i n gt ot h es l i d e ra tas p e c i f i c p o i n ta n d t h el e n g t ht h r o w no u ta f t e rt r a m c a r sl o s i n gc o n t r 0 1 t h r o u g h t h es t r u c t u r e a n a l y s i sb va n s y s l s d y n a t h e e x p e r i m e n t a la n a l y s i so fk e yp a r t sa n ds i m u l a t i o nw i t ha d a m sa n d b o n d g r a p hm e t h o d ，t h er e s u l t si n d i c a t et h a tt h ed e v i c ei sw i t hr a t i o n a l s t r u c t u r ed e s i g n i sw i t ht h ef u n c t i o no fa u t o m a t i ca n t i r u na n di m m e d i a t e a r r e s t ，a n dc a np r e v e n te f f e c t i v e l yt h er u n a w a ya c c i d e n t s i ti so fg r e a t s i g n i f i c a n c et oe n s u r et h es a f e t yo fm i n ep r o d u c t i o n k e yw o r d si n c l i n e dw e l l ，a u t o m a t i c a n t i s l i p p e dd e v i c e ，d e s i g n ， d y n a m i c ss i m u l a t i o n ，l s d y n a i 硕上学位论文 第一章绪论 1 1 课题背景 第一章绪论 1 1 1 矿井轨道运输在生产中的意义及特点 矿井运输的费用在煤炭产品成本中占有很大的比重，其中提升运输机械耗电 就占3 0 州0 【l 】。运输是矿井生产的动脉。从工作面采出的矿产品必须通过巷 道运往地面才能供应用。为了保证矿井生产的正常进行，生产所需的各类机电设 备，必须由地面经巷道运往工作面，而且工作面的各种装备，必须经巷道运往地 面进行维修。轨道运输因其能充分适应距离的变化、巷道的弯曲及路面的平缓， 在矿井运输中被广泛应用，因此，轨道运输在矿井运输中具有很重要的地位，高 效、安全的运输系统对提高矿井的经济、技术指标具有重大意义。 与其他工业的运输环节相比，矿井轨道运输的特点【2 】为： ( 1 ) 运输空间小； ( 2 ) 运输系统环节多，设备类型多； ( 3 ) 运输设备运行速度快，具有很高的动能； ( 4 ) 井筒深，多线路； ( 5 ) 矿井自然条件复杂，运输设备应具有较高的性能。 1 1 2 矿井中的跑车现象及原因 从矿井轨道运输的特点看，其系统复杂，运输设备工作环境恶劣，易发生矿 井运输事故。据不完全统计，在煤矿生产中，矿井运输伤人事故时有发生，约占 到煤矿伤人事故的1 3 5 ，其中又以斜巷跑车事故为其多发性事故之一【3 】。 跑车【4 】是指斜井提升时，提运的车辆失去控制，受到重力的作用，沿轨道方 向加速向前运行的现象。 倾斜井巷串车提升运输在矿井运输事故中占很大比重，包括各种因素【5 ， ( 1 ) 司机、信号工、把钩工的误操作； ( 2 ) 某些井巷片帮、局部冒顶、底鼓使轨道局部突起，车辆在运行过程中发 生车体跳动而发生跑车事故； ( 3 ) 连接装置脱钩、断裂，阻车器失灵； ( 4 ) 钢丝绳磨损断裂； 。 硕士学位论文第一章绪论 ( 5 ) 矿井运输系统复杂，设备多。 1 1 3 对防跑车装置的法规要求 目前我国煤矿斜巷运输大部分采用串车提升，有的主要运输斜巷还兼做行人 巷道，一旦发生斜巷跑车事故，会给国家财产和职工的生命安全带来极大的威胁。 因此在斜巷安装使用安全可靠的防跑车装置非常必要【8 j 。为了防范跑车事故的发 生，国家和各相关职能部门出台了一系列法规。1 9 9 2 年公布的中华人民共和国 矿山安全法第九条规定，矿山的提升、运输系统必须符合矿山安全规程和行业 技术规范1 9 1 ；早在1 9 9 5 年化学工业部颁布的煤系硫铁矿安全规程第一百二十 四条中就明确规定，斜井提升都要有防跑车装置，井口和各水平上部平车场都必 须设有阻车器或挡车栏，下部车场应设躲避硐，在井巷内应安设能够将运行中断 绳、脱钩的车辆阻止住的防跑车装置【l o 】；在2 0 0 6 年国家安全生产监督管理总局发 布的金属非金属矿山安全规程( g b l 6 4 2 3 - 2 0 0 6 ) 中，为防跑车装置增加了 术语和定义( 3 7 防跑车装置b u l l ，斜井提升时，为防止坠车事故，安设在矿车上 的叉形止车装置和抓钩，或装在线路上的阻车器和挡车栏) ，还在6 3 2 6 条中强 制性地对斜井跑车防护装置的设置位置和技术要求作了明确规定j ；在2 0 0 9 年国 家煤矿安全监察局发布的煤矿安全规程第八章第三百七十条中，也对倾斜井 巷中的挡车和跑车防护装置作了明确规定l l 引。 根据以上相关规定，斜井必须设置多项防跑车设施，并在井口、中间和斜井 出1 2 1 处都要设置防跑车装置，即“一坡三挡 防跑车装置【1 3 】。 在国外相关法规中，也作了类似的要求。如在美国1 9 7 7 年联邦矿山安全与 健康法第3 1 4 节( a ) 和( e ) 中规定，在用于竖井和斜井运人的罐笼或其他装 置上必须安设防坠器或劳工部部长批准的其它防坠装置；在井工煤矿中使用的每 台机车和矿车必须配备( 在空间允许的地方) 自动刹车器。在空间不允许安设自 动刹车器的地方，机车和矿车必须要有减速器或其他经劳工部部长批准的类似装 型1 4 】。其中提到的防坠器、自动刹车器和减速器等类似装置，实质上相当于国内 的防跑车装置。 1 2 防跑车装置的发展现状 国外有些学者对防跑车装置进行了研究。a g j o h n s t o n 等人研制了新型逐级 吸能式跑车防护装置并进行了1 ：1 样机试验【1 5 】。英国矿山安全研究所( t l l es a f e t y i nm i n e sr e s e a r c he s t a b l i s h m e n t ) 会同英国煤管总局采矿研究所，对逐级吸能式 跑车防护装置进行了动力试验，测定了各部件承受冲击力的能力；不同材质的闸 2 硕七学位论文第一章绪论 瓦在轨道不同污染时的制动参数，包括动摩擦系到1 6 1 。英国u m m 公司和g m t 公 司均有正式产品供矿井使用。 防跑车装置的生产在国内已有十几年的历史，各矿均能够制造适应自己生产 规模的防跑车装置，其主要类型及特点如下所述。 1 2 1 “一坡三挡”防跑车装置的发展现状 按结构和工作原理分类，目前比较常用的“一坡三挡防跑车装置有以下几 种类型17 】： ( 1 ) 手动防跑车装置 a 、手动单门防跑车装置 在主斜井的上部平车场接近变坡点处，安设能够控制车辆进入摘挂钩地点的 阻车器，手动操作柄使阻车器开闭运行，是最简单的防跑车装置。 b 、手动双门联动防跑车装置 该装置为手动操作，在井口车场和变坡点下方略大于一列车长度处，各设有 一道挡车栏，彼此联动布置。 ( 2 ) 撞动式防跑车装置 撞动式防跑车系统是根据矿车跑车后其碰撞能量增大的原理设计的。该装 置为常开式，在正常情况时，挡车栏被钢丝绳吊起，钢丝绳的另一端挂在挂板 的上端，撞杆的上端挂在挂板的下部。当矿车正常运行时，矿车碰撞碰杆，由 于摆动角度小，装置不动作，矿车安全通过。当发生跑车事故时，矿车撞击碰 杆，使其绕轴快速旋转，撞击撞杆的下部，撞杆绕轴转动，上端从挂板的开口 槽中脱歼。由于挡车栏的重量作用拉动钢丝绳，使挂板钢丝绳摆动，钢丝绳从 挂板上端脱离，挡车栏靠自重掉下，挡住跑车。 ( 3 ) 测力式防跑车装置【1 8 j 测力式防跑车系统是通过测量钢丝绳张力的有无，来确定车辆是否正常运 行。以松车为例，车辆连接完毕后，首先由信号工按打点器，发出松车信号， 开始松车，车辆松至变坡点以下，钢丝绳张紧，上坡点处的钢丝绳松紧传感器 因受钢丝绳压力，传感器面位于受金属感应状态，此时整个系统传感器得电， 也就是说当钢丝绳压在传感器上时，传感器使得整个系统通电，处于完全工作 状态；当车辆行至前位传感器，受车轮感应，电控气阀得电，气缸开始运作， 挡车拦打开，让车辆通过，车辆通过挡车拦后，到达后位传感器时，电控阀失 电，气缸自复，使挡车拦关闭恢复挡车状态，车辆反向运行，原理相同。 ( 4 ) 测距式防跑车系统【1 9 】 测距式防跑车系统的操纵与绞车旋转编码器连锁使用，实现自动控制。该 3 硕士学位论文第一章绪论 系统主要由挡车门、驱动装置、平衡重锤和电控系统四部分组成。 在正常情况下，挡车门处于闭合状态，挡车门在门式立柱上可以上下滑动， 当矿车下放到一定位置后，深度指示器的指针触动开关，驱动电动机将挡车门 提起，同时平衡重锤下降到预定位置触到下放限位开关，则驱动电动机断开电 路停止运转，此时，挡车拦已提至需要高度，使矿车通过。当矿车全部通过挡 车门后，深度指示器指针继续运转，接通驱动电动机使之反向转动，将挡车门 下放，平衡重锤上升到预定位置并触动上方限位开关，则驱动电动机停止运转， 此时，挡车门处于闭合状态。当跑车事故发生时，矿车位置比深度指示器位置 超前，挡车门处于闭合状态，从而防止了跑车事故的发生。 ( 5 ) 测速式防跑车系绀2 0 l 测速式防跑车系统通过测量矿车的速度作为输入信号对挡车门进行控制。 主要装置为p l c 主机，测速装置，减速吸能器，执行机构和挡车门。现有的测 速装置一般为速度传感器，还有雷达速度探测器。该装置利用光学系统发射或 接收被测对象的红外线辐射，并将这些辐射能汇聚到探测元件上，由探测元件 将辐射能转变为电信号。确定矿井正常的提升速度为标准信号，一旦矿车速度 超过标准信号，探测元件将输出控制信号传送到控制器( p l c ) 。通过p l c 控制继 电器的触点动作来控制挡车栏的运动，使其达到防止跑车的作用，如需复位通 过人工启动按钮即可。 以上几类装置，通过现场调查发现，使用效果好的所占比例偏低，主要存 在以下几个情况【2 l 】：原有的防跑车装置在安装和使用上都比较繁琐；费用 比较高，需占用巷道，需外接电源；安全可靠性不高，由于一条巷道内不可能 设有很多的捕捉点，它只能局限于某一区段内，如果捕捉点设在一条斜巷的中 段，则下段得不到保护；如果捕捉点设在斜巷的下段，那么在上段或中段发生 跑车时，必然要等到飞速下跑的矿车跑到捕捉位置时才能得到拦截，在此过程 中，飞速下跑的矿车其动能相当大，有可能造成脱轨事故；即使不脱轨，也会 在拦截过程中对阻车器或挡车拦及矿车本身造成很大的冲击，普通的挡车拦基 本上只能使用一次，矿车也有可不同程度损坏。如龙固煤矿7 3 0 轨道斜巷全长 6 6 0 m ，全长上虽布置了4 套z d c 3 0 3 0 型防跑车装置，但因矿车从上车场跑车 至下车场动能较大，危险较大，增高第2 道挡车栏仅仅起到阻挡作用，第3 、4 道挡车栏才可以可靠的拦住跑车 2 2 1 ；易引起二次灾害事故。发生跑车时，可 能撞坏电缆等线路，易导致短路发生火灾；同时，机械的摩擦碰撞易产生火花， 这些明火在煤矿井下是极端危险的，可引发井下瓦斯、煤尘爆炸事故，直接威 胁整个矿井的安全。 由上可知，目前的“一坡三挡防跑车装置不能在发生跑车的第一时间就 4 硕士学位论文第一章绪论 将矿车挡住或制动，也就是说，只能被动防止跑车事故的发生，而不能彻底杜 绝跑车事故，安全可靠性不够，因此有必要设计一种矿车的自动防跑装置，能 够在发生跑车后立即对矿车进行自动制动。因此如何对发生跑车的矿车实现即 时抓捕成了大家关注的焦点【2 3 】。 1 2 2 防跑车装置在矿车上的出现及发展 目前已有能对跑车的矿车实现即时抓捕的产品在矿山企业上使用，大多是 采用防跑矿车的形式，即在矿车上安装一种防跑车装置，当矿车发生跑车后， 防跑车装置的制动机构立即做出反应，对矿车实现紧急制动。 在目前矿山企业中使用得最常见的是在矿车上设置制动扳手，由扳手控制 制动爪对地作用从而实现紧急制动。 另外，也有专利文献公开了井巷矿车防跑车装置的技术。 ( 1 ) 专利权人张巨魁于1 9 9 5 年9 月1 3 日申请的专利“煤矿倾斜井巷防 矿车跑车装置”( 专利号：9 5 2 1 9 5 6 4 x ) 阱j 。该技术方案如下：将防跑车装 置装在矿车上，该装置结构为：在矿车任一车轴上装一可插入轨枕一侧的阻车 插爪，在矿车底架一侧装一能勾起阻车插爪的限位勾头，限位勾头的一端与固 定在底架侧面的拉力弹簧连接，另一端与装在底架侧面的杠杆控制机构连接， 杠杆控制机构的另一端与矿车底架端部长圆孔内的受力插销连接，当发生脱勾 或断绳时，受力插销失去牵引力，在长圆孔内向相反方向运动，与其连接的杠 杆控制机构失去控制，与杠杆控制机构连接的限位勾头同时在复位弹簧的作用 下，解除对阻车插爪的限制作用，阻车插爪在自重作用下插轨枕或者底板面阻 止矿车下滑。 ( 2 ) 专利权人章丘市矿山设备机械厂于1 9 9 6 年7 月1 0 日申请了专利“一种 自动防跑矿车( 专利号：9 5 2 3 3 9 4 5 5 ) 【2 5 1 。该矿车属于自动机械制动防跑装置， 本目的是提供一种矿车在斜巷运输中跳销、断绳时自动制动的机械装置。该自 动防跑矿车由底盘、车轮、车箱等组成，底盘上设有防跑装置，底盘上固定设 有推叉组件的弹簧盒总成、驱动板支架和捕爪支架，驱动板的中孔通过螺销固 定在驱动板支架上，驱动板一端通过连接销与推叉组件相连，另一端通过螺销 与捕爪相连，捕爪通过螺销固定在捕爪支架上，推叉组件连接设有挂头的驱动 装置。矿车底盘上固定有闭锁装置，矿车底盘上设有推动连片支架、闭锁手柄 支架、闭锁定向套，闭锁手柄支架通过螺销固定连接闭锁手柄，闭锁手柄的一 端设有闭锁销，闭锁销插置于闭锁定向套内。其目的是闭锁制动装置，在正常 运输过程中不会出现无为的中途制动。驱动装置是推叉组件的连接头与推动连 硕士学位论文第一章绪论 片相连，推动连片的两端分别设有一孔，通过螺销分别与连接头和挂头相连， 推动连片中部设一孔，通过螺销与固定在矿车底盘上的推动连片支架连接，挂 头通过底盘上所设的槽。矿车底盘两端各设一防跑装置。当矿车跳销或断绳失 控时，挂头在弹簧盒总成中弹簧的作用下回位，带动驱动板，驱动捕爪向下运 动，挂住轨道枕木，完成矿车制动。 ( 3 ) 专利权人刘夫臣于2 0 0 6 年5 月3 日申请了专利“矿车自动防跑车装置 ( 专利号：2 0 0 5 2 0 0 8 0 8 2 2 1 ) 【2 6 1 ，其采用的技术方案如下：一种矿车自动防跑 车装置，它包括一个作用于轨道枕木的制动装置，其特征是：它还包括有防爆 发电机、防爆电路箱、电磁锁，制动装置、防爆发电机、防爆电路箱、电磁锁 都发装在矿车架体上，制动装置主体为一制动爪，制动爪一端与矿车轴相连， 并可围绕矿车轴转动，制动爪另一端为工作端，制动爪靠近工作端部位由电磁 锁位，电磁锁与防爆电路箱内的控制电路电连接，防爆发电机的转子上安装有 电机齿轮，矿车车轮内侧也加工有齿，电机齿轮与矿车车轮啮合，防爆发电机 与防爆电路箱内的控制电路连接。矿车正常运转时，矿车车轮带动防爆发电机 产生电流，但不能使控制电路中的单结晶体管的集电极和发射极导通脉冲变压 器，只有当矿车的车速达到一定值时，发电机产生的电压增加到某值时单结晶 体管导通，给电磁锁供电使其工作，从而控制制动爪的落下。为使矿车双向运 动时都可制动，在控制，电路中安装有一水银形状，水银形状为一长形密闭容 器，其两端分别有向上的隆起，每一隆起部分内设计有上触点，上触点下部为 隔板，隔板下为水银兴衰成败，下触点浸在水银液面下。当水银形状随矿车上、 下山发生倾斜时，就会使一侧的水银液面漫过隔板导通上触点和下触点，从而 使某一方向的制动装置的电磁锁控制电路进入触发状态。 上述的第一种矿车制动装置，它自动性差，在矿车高速运动时，制动本身 就具危险性；上述第二、三种矿车制动装置都采用了纯机械的制动方式，制动 装置结构比较复杂，传动过程中易发生故障，且因它根据矿车牵引钢索的拉力 变化来控制矿车制动爪的工作，在正常运输中当牵引钢索拉力变小时可能出现 误操作制动，除此之外，第二种防跑矿车的制动爪没有限位机构，制动过程中 制动爪可能出现翻转，从而顶起车身，导致矿车脱轨；上述第四种矿车制动装 置采用了机械与电磁感应装置相结合的防跑装置，由控制电路根据矿车车轮的 转速来控制，使控制变得更加科学，而且可根据不同矿山企业的需要通过电位 器实现对制动临界电压的调整，制动机械部分结构较前两种简化，安装也较为 方便，但因矿井运输环境恶劣，其采用的电子元件适应性不强，有可能因失效 而导致事故发生。 防跑车装置的研究在国内虽有十几年的历史，但从现有的产品来看，仍处于 6 硕上学位论文 第一章绪论 初级水平，国内未形成定型产品，且大多局限于“一坡三挡 的形式，被动防跑。 除此之外，因装置大多采用电子感应设备，不仅成本高，而且使用寿命短。相反， 安装在矿车上的能够实现可靠即时抓捕的自动防跑装置多采用机械结构，制造成 本较低，也比较适宜矿山恶劣的工作环境，是防跑车装置的一个发展方向。 1 3 研究内容和技术路线 1 3 1 本论文的研究内容 针对现有产品存在的问题和防跑车装置的发展方向，本论文的主要任务为 设计一种新型机械式矿车防跑装置，并对其动态性能进行分析。该装置具有及 时抓捕的能力，而且采用简单的机械结构，安装方便。本论文的主要内容有： ( 1 ) 超速感应机构的设计 超速感应机构利用车轮旋转时产生离心力的大小作为判断矿车是否发生跑 车的依据，超速感应机构仅由安装在车轮上的箱体、滑块和弹簧组成，与现有 的超速感应机构相比，结构简单，所需安装空间小；采用机械式机构，使用寿 命长，能够适应斜井恶劣的工作环境；以车轮旋转时的速度作为判断矿车是否 发生跑车的依据，可有效防止矿车正常运行时因工作状态的突变而引起误动作。 ( 2 ) 触发机构的设计 触发机构采用预破坏结构，即触发机构的强度是通过结构尺寸的变化使其 存在不均匀性，在保证了矿车正常运行可靠性的同时，也保证了矿车跑车后制 动的灵敏性，打破了现有触发机构设计时遵循的“循环使用的设计理念，有 效的解决了可靠性与灵敏性相互矛盾的问题。 ( 3 ) 制动机构的设计 由于矿车在运输时，可双向工作，因此本项目为了实现双向制动，在车架 上安装了两个制动方向相反的制动爪。具体实施方案为：制动爪通过支架安装 在车体槽钢梁上，另一端通过钢丝绳与制动触发板相连，使制动爪悬挂在车架 下面。在矿车发生跑车后，由于制动触发板被打断，制动爪失去钢丝绳的拉力 作用，在重力作用下落下，与轨道枕木相接触，并通过勾住枕木对矿车实现制 动。 ( 4 ) 运用a n s y s l s d y n a 分别对制动爪与枕木、滑块与制动触发板的冲击 碰撞过程进行动态分析，检验设计结构参数是否合理，并根据分析结果对结构 参数进行优化，确保其工作时的可靠性。 ( 5 ) 运用键合图理论和虚拟样机技术对超速感应机构的工作过程进行仿真， 即基于2 0 一s i m 和a d a m s 软件平台对超速感应机构进行运动学、动力学仿真分析， 硕士学位论文第一章绪论 验证其能否按设计要求滑出，为其设计提供理论依据。 1 3 2 本论文的技术路线 ( 1 ) 初步设计几种方案并确定最优方案； ( 2 ) 对最优方案各零件进行详细设计，运用p r o e 建立各零件的三维模型； ( 3 ) 运用a n s y s 分析软件对装置中的重要零件进行受力分析，优化零件结 构； ( 4 ) 在弹簧刚度系数实验之后j 运用2 0 s i m 和a d a m s 对超速感应机构进行 运动学、动力学仿真，检查设计是否合理，验证装置的可行性，如不合理，则修 改方案。 ( 5 ) 绘制优化后的二维零件图。 其具体技术路线图如图卜1 所示。 1 4 本章小结 图1 - 1 技术路线图 本章主要介绍了本课题的研究背景、跑车和防跑车装置的概念，并在充分 了解防跑车装置发展现状的基础上提出了本论文的主要研究内容和技术路线。 8 硕上学位论文第二章新型机械式矿车防跑装置方案设计 第二章新型机械式矿车防跑装置方案设计 由第一章所介绍的矿车跑车概念可知，跑车是指斜井提升时，提运的车辆 失去控制，受到重力的作用，沿轨道方向加速向前运行的现象。在跑车的过程 中，矿车所受到的牵引力将消失，同时，由于沿轨道方i 句；h l 速运行，因此跑车 后矿车速度将迅速增大，这是造成跑车事故的直接原因。因此，可以矿车跑车 时运动速度的明显变化为设计依据，在矿车车轮上安装速度超速感应机构，以 速度作为触发矿车自动制动的条件。 2 。1 设计方案 以速度作为矿车跑车的感应条件，触发制动机构进行动作，使防跑矿车具 有即时抓捕的功能，符合主动防跑的发展方向。为此，以速度超速感应机构作 为矿车运行速度的超速感应机构，提出了三种新型矿车机械式防跑装置的设计 方案。现分别介绍这三种方案的结构和工作原理。 2 1 1 方案一 本方案主要由离心离合器、一对相互啮合的锥齿轮及制动爪组成，并且都 安装在矿车底部。当矿车速度超过设定值时，离心离合器结合，使制动爪在重 力作用下落下，抓住枕木，对矿车进行制动。具体结构示意图和装配总副2 刀分 别如图2 - 1 、图2 - 2 所示。 1 大锥齿轮；2 小锥齿轮；3 离心离合器；4 钢丝绳；5 销轴 图2 - 1 方案一结构示意图( 二维) 9 硕上学位论义第二章新型机械式矿车防跑装置方案设计 图2 - 2 方案一装配总图( 三维) 在图2 1 中，大锥齿轮( 1 ) 随矿车车轮一起旋转，并与小锥齿轮( 2 ) 啮 合，小锥齿轮带动离心离合器( 3 ) 运动，在离心离合器上绕有两根绕向相反的 钢丝绳( 4 ) ，每根钢丝绳的末端都连有一个销轴( 5 ) ，销轴插在制动爪上，使 制动爪保持水平。 工作原理如下：矿车正常运转时，大锥齿轮与小锥齿轮轴啮合，带动离心 离合器的主动轮旋转，此时，由于主动轮的旋转速度小于离心离合器的接合速 度，从动轮不动作，只有发生跑车事故时，车轮速度变大，离心离合器的主动 轮速度相应变大，当主动轮的速度达到离心离合器的接合速度时，带动从动轮 旋转，从动轮牵引绕向与离心离合器旋转方向一致的钢丝绳运动，把销轴从制 动爪中的销孔内拉出，使制动爪在自重作用下落下，抓住枕木，对矿车进行制 动。 为了实现矿车双向运动时都可制动，在离心离合器的从动轮上绕了两根绕 向相反的钢丝绳，因此，只要从动轮发生旋转，都可以拉动其中的一个销轴运 动，使制动爪落下。为了使两根钢丝绳在制动过程中不发生干涉，两个制动爪 上的销孔不在同一直线上。为了预防销轴因振动而跳出，在销轴上安装有一根 压缩弹簧，舡表示弹簧对销轴的作用力。 2 1 2 方案二 本方案主要由安装在车轮上的滑块与弹簧组成的超速感应机构、制动触发 板及制动爪组成，后二者都安装在矿车底部。当矿车速度超过设定值时，滑块 在离心力的作用下被甩出，并打断制动爪释坏板，使制动爪在重力作用下落下， 抓住枕木，对矿车进行制动。具体结构如图2 3 所示。 1 0 硕_ ：学位论文 第二章新型机械式矿车防跑装置方案设计 卜箱体 2 一滑块3 一弹簧4 一制动触发板5 一钢丝绳6 一制动爪7 一销轴 图2 - 3 方案二结构示意图( 二维) 超速感应机构安装在矿车车轮上并随其一起旋转，制动触发板安装在车架 的槽钢上，制动触发板连有钢丝绳，钢丝绳的末端连有制动爪，使制动爪通过 槽钢梁悬挂在离地面一定的高度。 工作原理是：矿车正常运转时，滑块( 2 ) 在弹簧预压应力及向心力的共同 作用下保持预定设计伸出长度，此时，滑块( 2 ) 与制动触发板( 4 ) 存在一定 的距离，制动爪( 6 ) 不动作；只有当发生跑车时，车轮速度变大，滑块( 2 ) 受到的离心力增强，滑块将不断压缩弹簧( 3 ) 沿离心力方向伸出，当车轮速度 达到预定值时，滑块( 2 ) 将与制动触发板( 4 ) 发生碰撞，并因制动触发板( 4 ) 事先设计了破坏槽而将其打断，因钢丝绳( 5 ) 失去支撑，使制动爪( 6 ) 在重 力作用下落下，抓住枕木，对矿车进行制动。为了实现双向制动，在制动爪支 架上安装两个方向相反的制动爪。 2 1 3 方案三 本方案主要由超速感应机构、滑动轴和抱轨等组成。超速感应机构安装在矿 车车轮外侧面上，抱爪与轨道保持一定的距离，在一对抱爪上安装有扭簧，扭簧 的两个末端分别固结在两个抱爪的侧面上，当抱爪不受钢丝绳强制拉力作用时， 抱爪自动松开，与车轨保持一定问距。具体结构如图2 4 所示。 工作原理是：矿车正常运行时，滑芯6 在离心力的作用下沿滑轨方向来回滑 动，当矿车速度达到一定值时，滑芯6 在离心力作用下甩出，插入安装在支撑板7 上的套环$ l 8 内，带动钢丝绳9 使滑动轴1 0 向前运动，并使抱爪1 1 、1 2 动作，两个 抱爪上都装有强力刹车片1 3 、1 4 ，它们同时抱紧轨道，阻止矿车继续下滑。由于 硕士学位论文第二章新型机械式矿车防跑装置方案设计 滑芯6 牢固地插入套环孔8 内，相当于使车轮提供一个持续的力作用在钢丝绳上， 而后钢丝绳又使抱轨制动，也就能在整个制动的过程中对抱爪产生持续作用，以 使得矿车能在短时间内停车制动。 为了防止矿车减速后，滑动轴1 0 向后运动，滑动轴1 0 两侧有凸起的小三角块， 每对小三角块由贯穿滑动轴的小弹簧连接，与滑动轴1 0 配合的孔内侧有凹陷的小 三角槽，使滑动轴1 0 只能沿轴线方向向前运动。 1 车轮；2 车体；3 套环；4 车轨；5 弹簧；6 滑芯；7 支撑板；8 套环孔；9 钢丝绳；1 0 滑动轴； ”抱爪a ；1 2 抱爪b ；1 3 刹车片a ；1 4 刹车片b ；1 5 扭簧； 图2 4 方案三结构示意图 2 2 方案比较 工业设计所要解决的是复杂、多解的问题。对于每一个设计问题，一般都 会有许多不同的解决方案。从这种意义上说，设计是一种发散一收敛，搜索一筛 选的过程。解决这种多解的问题，其通常的逻辑步骤为：分析一综合一评价一决策， 即在分析设计对象的特点、要求及各种制约条件的前提下，综合搜索多种设计 方案。最后通过设计评价过程，作出决策，筛选出符合设计目标要求的最佳设 计方案。 目前，国内外已提出近3 0 种设计评价方法，概括起来可分为3 大类【2 引。 ( 1 ) 经验性评价方法 当方案不多、问题不太复杂时，可根据评价者的经验，采用简单的评价方 法对方案作定性的粗略分析和评价。 ( 2 ) 数学分析类评价方法 运用数学工具进行分析、推导和计算，得到定量的评价参数的评价方法都 属此类。常用的数学分析类评价方法有名次记分法、评分法、技术经济法及模 1 2 硕 ：学位论文第二章新型机械式矿车防跑装置方案设计 糊评价法等。 ( 3 ) 试验评价方法 对于一些较重要的方案环节，采用分析计算仍不够有把握时，有时就通过 试验( 模拟试验或样机试验) 对方案进行评价，这种试验评价法所得到的评价 参数准确，但代价较高。 在本设计中，由于方案不多、问题不太复杂，因此可采用经验性评价方法 中点评价法对两个基本方案进行比较。点评价法的特点是对各比较方案按确定 的设计目标项目逐点作粗略评价，并用符号“+ ”( 行) 、“一”( 不行) 、“? ”( 再 研究一下) ，“! ( 重新检查设计) 等表示出来，根据评价情况作出选择。 防跑装置的的主要功能参数有可靠性、灵敏性、制造成本、使用性能及使 用寿命。现分别对三种方案进行比较和评价。 a 可靠性 可靠性主要是指在矿车发生跑车后，防跑装置能否有效的对发生跑车的矿 车实行自动制动，在矿车正常运行时，是否会产生误动作。 方案一与方案二均采用速度作为感应装置，而且必须在速度达到设定值时 才开始运动，因此都不会因为速度的波动而产生误动作，但方案一采用齿轮传 动，比方案二和方案三中的弹簧感应更加可靠。 b 灵敏性 灵敏性是指矿车发生跑车后，制动装置能否在第一时间动作，并对矿车进 行制动。 当发生跑车后，方案一与方案二都是需要在速度超过设定值后方触发制动 装置，灵敏性相当。方案三的滑芯伸出端有凸台，发生跑车时滑芯要扣住钩环 才能使后续抱爪装置制动，比方案一增加了一个动作，灵敏性相对较差。 c 制造成本 制造成本除包括防跑装置本身的制造成本外，还包括在安装时是否需要对 现有的矿车进行改造。 方案一整套设备配件最多，其中包括加工比较复杂的大、小锥齿轮和需要 采购的离心离合器，并且在安装到矿车上时，还需对车轮进行改造。 方案二整套设备配件相对较少，而且比较简单，同样需要安装在矿车上， 但是不需对车轮进行改造。 方案三整套设备配件较多，零件加工比较复杂。 d 使用性能 使用性能主要指在使用过程中是否方便、实用。 方案一因为涉及到齿轮传动，所以需定期对齿轮箱进行维护保养；离心离 硕士学位论文第二章新型机械式矿车防跑装置方案设计 合器中的离心体工作时存在摩擦，需定期更换。 方案二只需对防跑装置进行简单的外部清洁，相对简单，基本不需要维护 费用。 方案三结构紧凑，容易维护，使用较为方便。 e 使用寿命 方案一齿轮传动过程中齿面容易出现磨损，离心离合器中的离心体运作中 存在摩擦，寿命都相对较短。 方案二和方案三使用寿命相当。 2 3 最优方案的选择 果。 把2 2 节对三种方案性能的比较结果进行归纳，可得到如表2 1 所示的结 表2 - 1 三种方案性能评价表 从表2 1 可以看出，方案一虽然在可靠性和灵敏性方面稍占优，但是在其他 方面则稍逊一筹，尤其是其制造成本和维护成本较高。方案三在可靠性、灵敏 性和制造成本上都较方案二差一点，因此，综合考虑各种因素，选择方案二做 为最优方案。并将在下一章对方案二进行详细的结构设计。 2 4 本章小结 本章主要根据矿车发生跑车时的实际工况，设计了三款以速度作为矿车自 动制动触发条件的新型机械式矿车防跑装置，其中方案一以离心离合器为载体 对速度进行感应，方案二和方案三以超速感应机构为载体对速度进行感应；然 后，结合结构原理图分别介绍了其结构和工作原理，并采用经验评价法就三种 方案在可靠性、灵敏性、制造成本、使用性能和使用寿命等五个方面进行了评 价，最后选择方案二作为最优方案，在接下来一章中进行进一步的结构设计。 1 4 硕士学位论文 第三章新型机械式矿车防跑装置结构设计及动态有限元分析 第三章新型机械式矿车防跑装置结构设计及动态有限元分析 对第二章所选的最优方案进行详细的结构设计和动态有限元分析，包括制 动机构的结构设计、基于a n s y s l s d y n a 的制动爪结构分析与参数优化、触 发机构的结构设计、基于a n s y s l s d y n a 的制动触发板结构分析、超速感应 机构的结构设计，以及防跑装置总体结构设计和关键零部件试制。 3 1 制动机构的结构设计 3 1 1 结构设计 制动机构是制止跑车的关键部件之一。制动机构由制动爪、支架、垫片、 销轴和配套的开口销组成。其中，考虑到矿车上坡和下坡的两种