一種防跑車吸能器的設計與分析

呂斌 ，關天民

(1.大連交通大學 大學生素質教育中心，遼寧 大連 116028; 2.大連交通大學 機械工程學院，遼寧 大連 116028)*

一種防跑車吸能器的設計與分析

呂斌1，關天民2

(1.大連交通大學 大學生素質教育中心，遼寧 大連 116028; 2.大連交通大學 機械工程學院，遼寧 大連 116028)*

為了防止煤礦礦車巷道內跑車事故,提出了一種初始扭矩可調的摩擦盤式吸能器結構，給出了礦車跑車速度、礦車沖擊能量和吸能器制動力矩的計算過程，從而確定了吸能器的初始扭矩和彈簧預壓緊力.隨后對該吸能器進行了整機有限元分析，計算得到了在工作狀態下吸能器各個關鍵零部件的應力和應變狀態，從而驗證了吸能器安全捕車的有效性.

防跑車；吸能器；摩擦盤

0 引言

跑車是指斜井提升礦車時車輛失去控制，礦車受到重力作用沿軌道方向加速向前運動的現象.目前我國煤礦斜巷運輸大部分采用串車提升方式，有的主要運輸斜巷還兼做行人巷道，一旦發生斜巷跑車事故就會給國家財產和工人生命安全帶來極大的威脅[1].對此《煤礦安全規程》中規定變坡點下方需設置能夠防止未連掛礦車繼續往下跑車的防護裝置[2].

目前巷道內采用的跑車防護裝置主要分為擋車欄和捕車器兩種[3- 5]，捕車器由于吸能能力有限，因此僅適合安裝在距離邊坡點較近的位置，而巷道深處則采用擋車欄與吸能器配合的方式來實現跑車防護，當礦井中發生跑車事故時，礦車撞擊擋車欄，擋車欄通過制動鋼絲繩與吸能器相連，吸能器將礦車與擋車欄相撞的動能轉換為熱能,從而達到阻止礦車下滑目的，因此吸能器是防跑車系統中最為關鍵的部件之一.

國內很多學者對吸能器進行了相關研究，張楠[6]提出了一種渦輪阻尼式防跑車吸能器并對齊進行了動態仿真研究.梁玉[7]提出了一種采用蝶形彈簧的滾筒式吸能器的設計方法，解決了吸能器初始攔阻力過大的問題.劉廣[8]則設計了一種安裝在礦車上防跑車勾，礦車超速后，勾子伸出勾住軌道枕木來起到防跑車的目的.由于受結構、成本等因素制約，這些研究多停留在實驗室階段，目前煤礦中采用最為廣泛的是壓板式吸能器，該吸能器利用鋼絲繩在兩個壓緊的鋼板間滑動達到摩擦吸能的效果[5].壓板式吸能器的攔阻鋼絲繩全部裸露在環境惡劣的巷道內，不僅影響了鋼絲繩的使用壽命，而且給巷道內的行人帶來諸多不便.針對上述問題，本文給出了一種可調節初始壓力的摩擦片式吸能器結構，解決了吸能器在不同應用場合下初始力矩變化的問題，而且鋼絲繩全部纏繞在轉盤上，保證了其使用壽命，文中不僅給出了詳細的設計計算方法，而且為保證吸能器在阻車過程中的有效性，本文對吸能器的強度進行了有限元分析.

1 吸能器結構原理

吸能器結構如圖1所示.鋼絲繩轉盤上纏繞有阻攔車輛的鋼絲繩，動摩擦片和靜摩擦片交替疊放在中心軸上，靜摩擦片鑲嵌在吸能器外部的止動塊上，動摩擦片則套在中心軸的方軸部分，動靜摩擦片依靠壓緊彈簧來提供摩擦力，初始摩擦力的大小可以通過壓力調節座進行調整.當礦井中發生跑車事故時，制動鋼絲繩牽動吸能器的鋼絲繩轉盤旋轉，從而帶動中心軸轉動，動靜摩擦片之間相對轉動而產生摩擦，通過克服摩擦阻力做功把礦車撞擊擋車欄的動能逐漸吸收，最終在摩擦阻力的作用下鋼絲繩轉盤停止轉動，礦車停止行駛.摩擦盤之間的壓緊力和配合面數量決定了吸能能量和防跑車距離的不同.

圖1 吸能器結構圖

2 理論計算

2.1 礦車速度的計算

礦車發生跑車后，在重力的作用下沿斜井加速運動，到達擋車欄處的速度V1和所需時間t1理論上同礦車串車數量無關，可以簡化為物體沿斜面下滑的方法進行計算，其計算方法分別如下：

(1)

(2)

式中,L礦車從跑車點至捕車器觸發裝置的距離m；l0為礦車前、后兩軸之間的軸距；α為斜井的傾角；μ1為鋼軌與礦井車輪之間的滾動摩擦系數，一般取0.05；g為重力加速度，g=9.8m/s2；V0為跑車時礦車的初速度.

2.2 礦車沖擊能量的估計

跑車沖擊能量是吸能器的設計主要依據，礦車與捕車器相撞，可以先按1輛礦車的沖擊能量為計算依據，對于多輛礦車，則可以對一輛礦車的沖擊能量進行修正[9].按一輛礦車發生跑車計算，礦車到達擋車欄時的動能為：

(3)

按多輛礦車發生跑車計算，當多輛礦車發生跑車時，計算每輛礦車的能量時都應增加一個小于1的疊加系數ε[9]，則

(4)

式中,E′為跑車撞擊擋車欄的總能量；εi為每輛礦車的疊加系數，對于第i輛車有εi=1.1-1.2i(2≤i≤5).

2.3 動靜摩擦片之間的制動力矩計算

當跑車撞到擋車欄時，吸能器吸收礦車動能，不計礦車作用于擋車欄上的能量損失，鋼絲繩應提供的止動力為：

(5)

式中,s為緩沖制動距離.

由于壓縮彈簧的作用，動靜摩擦片接觸擠壓，并且同時相對轉動產生制動力矩，實現摩擦吸能.下面以一組動靜摩擦片為例進行建模計算分析.假設彈簧擠壓時產生的壓力為FN且均布，相對轉動角速度為ω，動摩擦片與靜摩擦片接觸面的內徑為R1，外徑為R2，摩擦系數為μ.摩擦片模型如圖2所示.

圖2 摩擦片模型

(6)

則摩擦總力矩為

(7)

假設吸能器有z個摩擦接觸面，則產生的制動力矩為：

(8)

算例：山西某斜井礦車的型號MGC1.1.1-6，礦車自身重量為610kg，載重1 000kg，串車數量為6，礦車下滑的摩擦阻力系數μ1=0.01，斜巷坡度α=14°，擋車欄之間的間距為50m，最大緩沖制動距離為10m，用1對吸能器進行攔阻，則可計算單個吸能器的吸能能力應為0.49MJ，鋼絲繩應提供的制動力為F=49kN，鋼絲繩轉盤中徑為350mm，則吸能器的制動力矩為T總=8 575N·m，采用的摩擦片接觸面的外徑R2=125mm，R1=72.5mm，配合面數量z=24，動靜摩擦片之間的摩擦系數為μ=0.2，則可以確定吸能器壓緊彈簧的初始壓力FN=23KN.利用該計算結果可以對吸能器的壓力調節座進行調整，從而達到控制初始扭矩的目的.

3 吸能器有限元分析

3.1 模型建立

在Pro/E中建立三維模型后以iges格式導入HyperMesh中，得到在HyperMesh中的吸能器裝配的幾何模型，如圖3所示.對吸能器各結構賦予材料屬性，動靜摩擦片的材料采用65Mn，其物理參數為：彈性模量E1=206GPa，泊松比v1=0.3，質量密度為ρ1=7.85×103kg/m3；其余零件的材料選用45#鋼，其物理參數為：彈性模量E2=206GPa，泊松比v2=0.3，質量密度為ρ2=7.85×103kg/m3.3.2 劃分網格

導入模型后，先在geom菜單下進行幾何清理，主要包括刪除曲面倒角、合并自由邊以及刪除重合曲面等，然后對各個零件進行面網格的劃分，畫好后對其質量進行檢查并進行改善，然后在3D菜單下選擇drag拉伸成體網格，最后對體網格進行質量檢查并加以改善.其中吸能器外罩結構復雜而且受力較小，因此采用了四面體網格，其余零件受力較大，所以采用的是高精度的六面體網格.各零件之間的接觸可在Utility菜單下選擇ContactManager設置成接觸對.最終畫好的吸能器網格模型如圖4所示.

3.3 邊界條件

對吸能器添加約束和外力，對其外罩的x、y、z方向的平動這3個自由度施加約束；把實體中安裝螺釘、螺栓及銷軸的地方用rigid連接，以傳遞力；由于吸能器正常工作時，彈簧處于壓縮狀態，壓力為23kN，所以分別給彈簧座和外罩底板施加23kN大小的載荷；再根據吸能器的工作原理，在鋼絲繩轉盤上施加一個切向力，大小為102 863.5N，吸能器在摩擦片的摩擦阻力下達到平衡.

圖3 吸能器的幾何模型 圖4 吸能器的網格模型 圖5 吸能器的應變云圖

3.4 求解計算

通過ANSYS軟件計算出吸能器在工作狀態下各個零件的應力和應變.把位移收斂設為0.05.經過計算可得吸能器總體應變云圖如圖5所示，其各零部件的應力云圖如圖6.

圖6 吸能器各部零件的應力云圖

圖6所示的吸能器各零部件的應力云圖是按所受應力從大到小排列的，各零部件所受的最大應力值如表1所示.

表1 吸能器各零部件最大應力值

由分析結果可知，應變在x、y、z方向的分量最大值分別為17.732、13.085、25.088μm，合成后的總體最大應變值為55.37μm.由于吸能器的摩擦片罩固定，幾乎沒有變形，故變形主要發生在吸能器內部有接觸的位置，且最大值發生在靜摩擦片與擋塊接觸附近.根據吸能器的應用環境和精度要求，本文的計算結果可以接受且滿足條件.應力最大值發生在靜摩擦片與擋塊接觸附近，應力最大值為175.193MPa.而靜摩擦片和擋塊材料的極限應力值為300MPa，此計算結果仍在吸能器材料的極限應力范圍內，所以該吸能器的結構和所用材料滿足要求，能夠安全工作.

4 結論

吸能器是防跑車系統的關鍵部件，本文結合煤礦企業現在使用的吸能器的不足提出了一種新型立式吸能器結構，該吸能器動摩擦片和靜摩擦片交替疊放在中心軸上，靜摩擦片鑲嵌在吸能器外部的止動塊上，動摩擦片則套在中心軸的方軸部分，動靜摩擦片依靠壓緊彈簧來提供摩擦力，初始摩擦力的大小可以通過壓力調節座進行調整，成果解決了吸能器初始拉力調節的問題.

給出了吸能器的設計計算方法，結合一個實際應用算例，計算得到了吸能器壓緊彈簧的初始壓力.利用該計算結果對吸能器的壓力調節座進行調整，達到了控制初始扭矩的目的.

針對上述具體應用，利用有限元分析軟件對吸能器的關鍵零部件進行了分析，分析結果表明吸能器應力最大值發生在靜摩擦片與擋塊接觸附近，應力最大值為175.193MPa，吸能器總體最大應變值為55.37μm，均滿足使用要求，能夠安全工作.

[1]蔡漢力．礦山斜井軌道運輸跑車事故風險分析[J]．安全與環境學報，2003,3(3):58- 60.

[2]國家安全生產監督管理局．煤礦安全規程[M]. 中國法制出版社，2015.

[3]譚平．一種簡單可靠的擋車欄的設計與應用[J]．煤礦設計，1996(10):32- 34.

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[5]曹艷．斜井防跑車緩沖蓄能裝置應用設計[J]．煤礦機械，2012,33(7):54- 55.

[6]張楠.柔性斜井跑車防護系統吸能裝置的設計與研究[D].吉林大學，2009.

[7]梁玉.斜井跑車系統動態擠壓吸能器的設計[J].礦山機械，2010(15):53- 56.

[8]劉廣.新型機械式礦車防跑裝置設計及動力學建模仿真[D].長沙：中南大學,2009.

[9]和嫣梅．斜井防跑車裝置的設計計算[J]．煤礦機械，2003(10):7- 8.

Design and Analysis of Tramcar Anti-Falling Energy Absorber

LV Bin1,GUAN Tianmin2

(1.Innovation Education Center for College Students,Dalian Jiaotong University,Dalian 116028,China; 2.School of Mechanical Engineering,Dalian Jiaotong University,Dalian 116028,Chna)

The free falling of tramcar during deviated well conveying will pose a great threat to safety,and energy absorber is a main component of tramcar anti-falling system and plays a very important role in the tramcar free falling accidents.A new type of torque adjustable friction disc energy absorber is proposed,and the calculation process of tramcar speed,impact energy and brake torque is listed.The initial torque and preloading force of the spring are determined,and a finite element model is established for the machine in Ansys software.The obtained stress and strain state of the key components to verify the effectiveness of the energy absorber to catch the free falling tramcar.

anti-falling;energy absorber;friction disk

1673- 9590(2017)03- 0055- 04

2016- 09- 05

呂斌(1983-),男，講師，博士，主要從事仿生機器人、運動與康復器械的研究E-mail:lvbin@djtu.edu.cn.

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