摘要:目前，在水平巷道以及小坡度巷道施工中普遍采用自卸卡车运渣,但在大坡度巷道施工中，由于普通卡车爬坡困难，因此多采用有轨出渣矿车运渣。但在运渣过程中，由于渣土及矿车质量大，渣土运输距离长，矿车难以控制，往往会由于钢丝绳磨损意外断裂、连接装置脱钩或阻车器失灵等原因造成矿车失去控制出现跑车现象，从而发生安全事故。针对斜巷施工过程中矿车跑车事故频发，本文设计一种新型的矿车防跑装置，通过改变矿车发生意外时的制动方式，从而减少斜巷施工中跑车事故的发生。
关键词:斜巷，防跑车，设计，改进
Design and Improvement on a new kind of tramcars anti-slipping device
LI Menglong
(Tunnel Engineering Company of Zhejiang Province, Hangzhou, Zhejiang 310030)
Abstract: At present, dump trucks are widely used to carry slag in horizontal and small slope tunnels, but in heavy gradient tunnels, it’s difficult for ordinary trucks to climb, so tramcars are commonly being used in this situation. But in the process of transporting, slag and tramcars are heavy, the transportation distance is long, so the tramcars are hard to be controlled, usually because of the steel rope fracture by accident, the connection devices disconnect or the kick-up blocks failure that the tramcars out of control, consequently cause an accident. Aiming at the sliding train phenomenon frequently happened in heavy gradient tunnels, this article designed a new kind of tramcars anti-slipping device, by changing the way of braking when tramcars have accident, thereby reduce the accident happen in inclined lanes.
Key words: inclined lanes, anti-sliding, design, improvement
1.引言
目前我国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，就会给设备和作业人员的安全带来极大的威胁。因此，在斜巷运输过程中使用安全可靠的防跑车装置显得非常重要[1]。
根据《煤矿安全规程》规定，在倾斜井巷必须设置多项防跑车设施，并在井口、中间和斜巷出口处都要设置防跑车装置，即“一坡三挡”防跑车装置[2]。
针对矿车防跑装置国内外有关学者进行了大量的研究，防跑车装置的生产和使用在国内外也已有几十年的历史。目前用于矿山斜巷的几种防跑车装置各具特色，如测力式防跑装置、测距式防跑装置、测速式防跑装置等。虽然以上几类防跑装置在一定程度上能够有效防止跑车事故发生，但是通过现场调查发现，使用效果好的所占比例偏低，主要由于以下几种原因[3]：①原有的防跑车装置在安装、调试、使用和维护上都比较繁琐，设备中所使用的电子原件抗尘、抗腐蚀性能差，经长时间使用后性能不稳定，增加了防跑车装置的故障率；②费用比较高，需占用巷道，需外接电源；③易引起二次事故。由于很多防跑车装置都是采用紧急方式制动，在制动过程中，飞速向下的矿车动能很大，因而紧急制动很有可能发生矿车倾覆，导致矿车脱轨撞坏电缆等线路。另外，紧急制动过程中矿车车轮与轨道之间摩擦易产生火花，这对于煤矿井施工是极其危险的，很有可能引发井下瓦斯、煤尘爆炸等事故，将直接威胁整个矿井的安全。
因此有必要设计一种新型的矿车自动防跑装置，能够在矿车发生意外时对矿车进行自行制动。同时新设计的矿车防跑装置应实现以下几点：①由于巷道施工环境差，电子感应设备不仅故障率高，而且使用寿命短，因此尽可能使用机械方式制动；②由于巷道施工过程中工序转换频繁，从而防跑装置拆装也相对频繁，因此制动装置尽可能设置在矿车上；③为防止矿车紧急制动引发二次事故，制动方式应尽可能平稳。
2.方案设计
由矿车跑车概念可知，“跑车”是指斜巷提升时，被提运的矿车失去控制，受重力作用，矿车沿轨道方向加速下滑的现象[4]。现对矿车进行受力分析：在发生跑车时，由于矿车所受牵引力消失，受重力作用，矿车沿轨道方向加速向下运行，因此发生跑车后矿车动能将迅速增大，这是矿车发生跑车后引发安全事故的直接原因。在矿车发生跑车过程中矿车的速度及动能变化有三个阶段：①矿车所受牵引力消失前的匀速上行阶段，此阶段矿车动能不变；②矿车所受牵引力消失后的匀减速上行至速度为零阶段，此阶段矿车动能逐渐减小至零；③矿车速度由零开始匀加速下行阶段，此阶段矿车动能逐渐增大。
针对矿车所受牵引力消失前后速度及动能变化特点，所设计的防跑装置制动方式显得尤为重要。以往的防跑装置都是在矿车向下运行的速度或距离达到一定值之后触发装置开关从而实现对矿车进行制动，属于被动防跑，不能在发生跑车的第一时间就对矿车进行制动，也就是说，以往的矿车防跑装置只能被动防止跑车事故的发生，而不能彻底杜绝跑车事故，因此这种防跑装置安全可靠性不够。
为此，本文提出一种新型的机械式矿车防跑装置方案，本方案主要由一对内啮合齿轮式棘轮[5]和一个棘爪离合扳手组成。其中棘轮作为车轮安装在矿车车轴上，棘爪离合扳手安装在矿车前后端，方便工人操作。
内啮合齿轮式棘轮结构示意图如下：
图1.内啮合齿轮式棘轮结构示意图
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图2.棘轮式防跑矿车运行示意图
在图中，假设矿车向左沿斜面向上运动，此时棘轮作为矿车车轮直接与轨道接触。当卷扬机牵引矿车向上运动前，闭合棘爪离合扳手，使棘轮齿轮与棘爪处于啮合状态。矿车向上运动过程中，外圈棘轮做逆时针方向旋转，棘爪在棘轮齿背上滑动，此时棘爪不起作用。若矿车向上运动过程中意外脱钩，此时矿车所受牵引力消失，由于重力作用，矿车将沿轨道方向匀减速上行，当矿车速度减为零时棘爪卡在棘轮齿槽中，阻止棘轮做顺时针方向旋转，此时矿车停止在轨道上，从而实现防跑装置对矿车进行制动。在此过程中矿车速度及动能有两个变化阶段：①矿车所受牵引力消失前的匀速上行阶段，此阶段矿车动能不变；②矿车所受牵引力消失后的匀减速上行至速度减为零阶段，此阶段矿车动能逐渐减小至零。
3.方案优缺点
通过对比可知，本设计方案最大的优点在于防跑主动性，改进后的矿车在发生跑车过程中无匀加速下行阶段，即防跑装置能够对矿车进行自行制动，并且制动过程中矿车匀减速上行，制动过程平稳，不易引起二次事故，安全可靠性高。
本文设计的机械式自动防跑装置虽然在一定程度上可以实现主动防跑，而且可靠性高，环境适应性好，但是还存在很多局限性。例如：①由于本装置是在矿车速度减为零后利用车轮与轨道之间的摩擦力迫使矿车停止在轨道上，但当此摩擦力小于矿车重力沿斜巷方向向下的分力时，矿车在向上的速度减为零后仍将会沿轨道向下做加速运动。因此，此设计不适合坡度角大于矿车自锁角的斜巷；②由于本装置采用内啮合棘轮机构，在矿车向上运行过程中棘爪始终与棘轮齿轮接触，致使车轮噪音和震动很大，所以棘轮的工作频率不能太高，即车速不可过快。③由于矿车质量大，制动所需的力也较大，棘爪在制动过程中可能会被折断，因此本方案设计的矿车载重量不可过大。
4.方案优化
现针对上述缺点对本设计方案进行以下优化：①在矿车底部增加挂钩和挂钩触动开关，触动开关在当矿车速度减为零时自动放下挂钩以勾住轨道枕木，从而增加防跑装置的可靠性和适用范围。②使用内摩擦式棘轮[5]代替齿轮式棘轮，以减少矿车运动过程中的噪音和震动，同时内摩擦式棘轮承载面大，可以增加矿车的载重量。③此时的棘轮离合扳手由滚柱离合扳手代替，扳手可以通过控制一根穿过弹簧顶杆中间的钢丝来控制滚柱。
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内摩擦式棘轮结构示意图如下：
图3.内摩擦式棘轮结构示意图
图4.内摩擦式防跑矿车运行示意图
在图中，假设矿车向右沿斜面向上运动，此时内摩擦式棘轮作为矿车车轮直接与轨道接触。当卷扬机牵引矿车向上运动前，闭合滚柱离合扳手，此时弹簧顶杆中间的钢丝处于松弛状态，弹簧顶杆则处于伸长状态，滚柱被弹簧顶杆顶在外环与星轮间的楔形空隙内。在矿车向上运动过程中，外环做顺时针方向旋转，滚柱被外环挤出外环与星轮间的楔形空隙，此时弹簧顶杆处于压缩状态，滚柱不起作用。若矿车向上运动过程中意外脱钩，此时矿车所受牵引力消失，受重力作用，矿车将沿轨道方向匀减速上行。当速度减为零后矿车向下运动，外环开始做逆时针方向旋转，此时弹簧顶杆由压缩状态变为伸长状态，滚柱被弹簧顶杆顶在外环与星轮间的楔形空隙内。随着矿车向下运动，外环、滚柱和星轮间的相互作用力逐渐增大，最终外环与星轮间无相对运动，此时矿车停止在轨道上，从而实现防跑装置对矿车进行制动。
由内摩擦式棘轮工作原理可知，优化后的矿车制动过程中速度及动能与优化前相比增加了一个阶段，即矿车向上匀减速运动到最高点后速度由零开始匀加速下行阶段，此阶段矿车动能逐渐增大。但是由于弹簧顶杆在由压缩状态变为伸长状态的时间很短，所以矿车向下运动的距离也很短，此时矿车速度及动能均较小，矿车制动相对容易，制动过程也较平稳。所以，优化后的防跑车制动装置在适用性及安全性等方面更能满足斜巷施工条件。
5.总结
本文从动作可靠性、主动防跑性以及经济适用性的角度出发，提出了一种新型的机械式矿车自动防跑装置设计。本装置零件结构简单，制造成本低，维修方便，经济适用性强。另外，本装置能够对矿车进行自行制动且制动过程平稳，制动可靠性高，环境适应性好。
本设计的下一步是与现有防跑装置相结合，在功能上相互补充，使矿车防跑装置更加安全可靠。限于时间、能力及条件，这还只是一个初步设计，要走向成熟还有一个过程，需要在实践中进一步检验和优化。
参考文献：
[1]刘海霞,王鹏. 智能式斜巷防跑车装置在煤矿中的应用[J]. 山东煤炭科技, 2008(3):98-100
[2]申东明, 张国庆, 刘树茂，等. 斜井矿车防跑车装置研究[A].全国第三届DCS、PLC和现场总线应用学术交流会议论文集[C].太原：太原理工大学，1999(7)
[3]杜功. 跑车的自动防护装置[J]. 煤矿安全, 1998(7): 17-18
[4]倾斜井巷跑车防护装置资料汇编[Z].
[5]杨可桢. 机械设计基础[M].第五版. 北京：高等教育出版社, 2006.