打滑保護裝置在煤礦架空乘人裝置的應用研究

陳林，楊自攀

（湘潭恒欣實業股份有限公司，湖南 韶山 411300）

0 引 言

架空乘人裝置是由驅動輪轉動從而拖動鋼絲繩移動，再由鋼絲繩帶動吊椅在煤礦井下作業的專門運輸人員的設備[1]。由于架空乘人裝置的運輸距離長、速度快、效率高、安全性好，是煤礦井下主要的人員運輸方式之一。然而，該裝置也存在一些安全隱患，其中最嚴重的隱患是打滑飛車現象[2]。打滑飛車是指鋼絲繩與驅動輪摩擦力不足，導致鋼絲繩打滑，使乘人車失控，高速下墜或上升，容易造成安全事故[3]。

根據2016 版《煤礦安全規程》規定：主要運輸平巷或傾斜井巷長度在1.5 km 以上或高差在50 m 以上的，采用機械方式運送人員，以提高煤礦安全生產水平和運輸效率[4]。運送人員的車輛必須為專用車輛，禁止使用非乘人裝置或混運物料。因此，架空乘人裝置作為重要的運人設備，對其安全性能要求越來越高。2016 版《煤礦安全規程》中還規定：架空乘人裝置必須裝設超速、打滑、全程急停、防脫繩、變坡點防掉繩、張緊力下降、越位等保護，安全保護裝置發生保護動作后，需人工復位才能重新啟動，并應有斷軸保護措施。驅動裝置的減速器應設置油溫檢測裝置，油溫異常時能進行報警[5]。在巷道的整個線路中需要設置可延時啟動聲光預警信號[6]。各上下人地點應設置信號通信裝置等。根據《GB210008-2007地下礦用架空索道安全要求》中規定：為避免鋼絲繩松弛和驅動輪打滑，鋼絲繩應通過合適的張緊裝置加以張緊[7]。

目前，煤礦井下架空乘人裝置上用于防止打滑飛車的安全保護裝置較多，但大部分人員對鋼絲繩打滑的原因和以及打滑系統構成等不夠清晰，對打滑保護裝置的配置也不夠重視?，F有的一些架空乘人裝置上也配置了打滑保護系統，單打滑保護系統的可靠性還不夠，因此，對架空乘人裝置的打滑原因分析以及研制可靠的打滑保護系統尤為重要。

1 架空乘人裝置打滑的原因及危害分析

1.1 打滑的原因分析

架空乘人裝置造成打滑的原因主要包括以下幾個方面：

1）當架空乘人裝置出現摩擦系數不足或張緊力不夠時，鋼絲繩不隨驅動輪運轉而導致打滑。這是因為鋼絲繩與驅動輪之間的摩擦力無法克服鋼絲繩的重力和乘人裝置的載荷，導致鋼絲繩不能傳遞動力。為了避免這種情況，應該定期檢查鋼絲繩和驅動輪的磨損情況，及時更換或修理損壞部件，保持鋼絲繩和驅動輪的清潔和干燥，調整張緊裝置，使鋼絲繩保持適當的張緊力。

2）當驅動輪輪襯過度磨損，鋼絲繩直接與驅動輪剛體接觸，降低了鋼絲繩與驅動輪之間的摩擦力，也會導致打滑[8]。這是因為驅動輪輪襯是用來增加鋼絲繩與驅動輪之間的摩擦系數和緩沖沖擊力的部件，如果過度磨損或脫落，會使得鋼絲繩直接與驅動輪剛體接觸，造成打滑現象。為了避免這種情況，應該定期檢查驅動輪輪襯的磨損情況，及時更換或修理損壞部件。

3）當牽引鋼絲繩或驅動輪輪襯上有油污未處理干凈，使鋼絲繩摩擦系數變小，也會導致打滑。這是因為油污會降低鋼絲繩與驅動輪之間的摩擦系數，使得鋼絲繩不能有效地與驅動輪接觸，造成打滑現象[9]。為了避免這種情況，應該定期清洗牽引鋼絲繩和驅動輪輪襯，去除油污和雜物，使用合適的清洗劑和工具，防止對鋼絲繩和驅動輪造成損傷。

4）當架空乘人裝置超載運行時，也會導致打滑。這是因為超載運行會增加鋼絲繩的拉力和乘人裝置的載荷，使得鋼絲繩與驅動輪之間的摩擦力無法平衡，導致打滑現象。為了避免這種情況，應該嚴格控制架空乘人裝置的運行速度和載重量，遵守安全規程，不要超過設計規定的最大速度和最大載重量。

1.2 打滑的危害分析

架空乘人裝置出現打滑時存在的危害如下：

1）打滑會導致鋼絲繩和驅動輪的磨損加劇，降低架空乘人裝置的使用壽命和安全性。由于鋼絲繩和驅動輪之間的摩擦會產生熱量，使得鋼絲繩和驅動輪的溫度升高，影響其材料性能和結構強度。同時，打滑也會使得鋼絲繩和驅動輪之間的接觸面積減小，增加其局部應力，加速其磨損程度。

2）打滑會導致架空乘人裝置的運行速度不穩定，影響運輸效率和舒適性。打滑會使得鋼絲繩的張力波動，導致架空乘人裝置的運行速度出現突然加速或減速的情況，影響運輸效率和舒適性。同時，打滑也會使得架空乘人裝置的運行噪音增大，影響環境質量和心理健康。

3）打滑會導致架空乘人裝置的制動能力下降，增加飛車的風險，危及人員的生命安全,打滑會使得驅動輪與鋼絲繩之間的摩擦力減小，導致制動器不能有效地將制動力傳遞給鋼絲繩，影響架空乘人裝置的制動能力下降，增加飛車的風險，危及人員的生命安全[10]。

4）打滑會使得驅動輪與鋼絲繩之間的摩擦力減小，導致制動器不能有效地將制動力傳遞給鋼絲繩，影響架空乘人裝置的制動性能。如果遇到緊急情況，如電源故障、鋼絲繩斷裂、乘人車脫鉤等，架空乘人裝置可能無法及時停止，造成乘人車失控，發生飛車事故，造成人員傷亡和設備損壞。

1.3 防止打滑的防范措施

防止打滑的防范措施主要包括以下幾個方面：

1）在設計階段，根據運輸距離、運輸人數、運行速度等因素，合理確定驅動輪的規格、數量、位置和圍包角，保證驅動輪與鋼絲繩之間有足夠的摩擦系數和傳動效率。同時，選擇質量合格的鋼絲繩和驅動輪，保證其材料性能和結構強度。

2）在安裝階段，按照規范要求，正確安裝驅動輪、鋼絲繩、制動器、傳感器等部件，保證其位置準確、連接牢固、調整適當。同時，進行必要的試運行和檢測，確保架空乘人裝置的運行穩定和安全。

3）在使用階段，定期對架空乘人裝置進行檢查、維護、更換等工作，及時發現并排除故障。在安裝過程中前后的吊椅之間的間距需要進行設定，盡量保持一致，避免因吊椅間距過大或過小造成打滑或飛車。同時，遵守操作規程，控制運行速度和載荷，避免過載或急停等情況。此外，安裝必要的安全保護裝置和信號報警裝置，以便在發生異常情況時及時采取應急措施。

4）當架空乘人裝置發生打滑而不能使設備及時報警停車，此時，牽引鋼絲繩在負載的作用下速度會越來越快，或者牽引鋼絲繩反轉的現象（當上山側坐滿人時），嚴重時可能會引起飛車事故，一旦出現此事故，則沿線的乘人悉數跌落在地面或甩到鋼絲繩上，后果不堪設想。

要消除上述安全隱患，一種可靠的方式是在鋼絲繩打滑時進行有效的檢測報警；因此在架空乘人裝置驅動、牽引部位進行打滑檢測和設置保護裝置，可以實現語音報警、顯示故障報警、停車閉鎖功能，從而更好地確保猴車的安全運行，對提高煤礦的整體安全生產具有重要意義。

2 打滑保護系統的設計

2.1 打滑保護系統的構成

打滑保護系統安裝在架空乘人裝置的機頭位置，其包括2 個測速輪，分別用于測量鋼絲繩和驅動輪的速度，如圖1 所示。在鋼絲繩的下方安裝一個帶凹槽的滾輪，鋼絲繩在凹槽內運行，運行時可帶動滾輪運行，在該滾輪的支架上設置有鋼絲繩速度檢測裝置；另外，在驅動輪的外沿上也安裝一個滾輪，該滾輪通過彈簧壓設在驅動輪上隨驅動輪一起運動，在該滾輪的支架上設置有驅動輪速度檢測裝置。

圖1 打滑保護裝置的安裝示意圖

按正常情況，驅動輪依靠摩擦力帶動鋼絲繩運動，驅動輪的線速度與鋼絲繩的速度相同，出現打滑時，架空乘人裝置的驅動輪速度會大于鋼絲繩的速度[11]。這是因為打滑會使得驅動輪與鋼絲繩之間的摩擦力減小，導致驅動輪不能將其轉速完全傳遞給鋼絲繩，造成兩者之間的速度差。如果打滑持續發生，架空乘人裝置的運行速度會降低，甚至停止。

為了檢測和防止打滑現象，通過在架空乘人裝置的驅動輪處和出入繩處安裝速度檢測裝置，分別檢測牽引鋼絲繩和驅動輪的速度并進行比較，當兩者速度相差一定值時，觸發報警信號，并自動停車或減速。這樣可以及時發現打滑問題，并采取相應的措施，保證架空乘人裝置的安全運行。

2.2 打滑保護裝置的硬件設計

通過分析當鋼絲繩打滑時出現的鋼絲繩與驅動輪速度不一致的情況，確定了以下設計方案：打滑保護裝置主要由傳感器采集部分、架空乘人裝置電控系統、穩壓電源箱組成。傳感器采集部分有2 個霍爾轉速傳感器，將裝有一定數量磁鋼的特制托輪靠近運動物體摩擦使托輪轉速與被測物體保持同步速度，然后通過霍爾轉速傳感器感應托輪上按設計安裝的磁鋼的轉動速度，最終由電控裝置收集并且通過一系列算法得出被檢測物體的運行速度，當兩者的速度差達到設定值時則判斷為鋼絲繩出現打滑，此時電控裝置通過短時間持續檢測排除可能出現的誤動作后將會控制架空乘人裝置保護停車，同時電控裝置操作臺輸出語音報警“請注意，打滑保護”，操作臺觸摸屏顯示故障信息，此時需由操作人員排除故障后進行手動復位才允許繼續啟動設備，打滑保護裝置硬件設計的結構框圖如圖2 所示。

圖2 打滑保護裝置硬件設計的結構框圖

為方便配接不同廠家的電控系統，我們設計了可以單獨使用的打滑保護裝置，其信號接口為無源信號和電平信號，故能適用于大多數電控系統。這種打滑保護裝置只需檢測電控系統的運行信號，由聲光報警器采集2 個轉速傳感器的信號并進行運算比較，當發生打滑保護時輸出故障停車信號給電控系統，同時聲光報警器聲光提醒“請注意，打滑保護”。打滑裝置的聲光報警器采集轉速傳感器的信號的結構框圖如圖3 所示。

圖3 聲光報警器采集轉速傳感器的信號的結構框圖

2.3 打滑保護裝置的軟件設計

在打滑保護裝置中，穩定可靠的硬件和程序算法是保證打滑保護能長期有效運行的關鍵，我們選用西門子PLC 作為整個架空乘人裝置電控系統的核心，在PLC 程序中分別檢測單位時間內2 個轉速傳感器的脈沖信號得出頻率值F，已知測速托輪周長為L，托輪上均勻分布磁鋼數量N，對應每個磁鋼一個脈沖信號，計算速度的公式如下：

其中：S為速度，m/s；F為頻率值，Hz；L為測速托輪周長，m；N為磁鋼數量。

再通過濾波算法，差值比較，和誤動作排除算法實現鋼絲繩是否打滑的判斷。見圖4。

圖4 判斷鋼絲繩是否打滑的PLC 程序

當電控系統出現打滑保護，架空乘人裝置保護停車，同時電控系統語音報警“請注意，打滑保護”，系統中人機界面的故障界面顯示“驅動輪打滑，請檢查”，等待人工排查復位故障。

對原有的架空乘人裝置進行升級改造則使用聲光報警器代替電控系統，聲光報警器采用Cortex-M3內核的32 位嵌入式微處理器STM32F103 作為控制核心，128X32 點陣作為顯示界面，8Ω10W 喇叭提供語音報警，2 個霍爾轉速傳感器輸出的脈沖信號，進入控制核心模塊來進行速度計算，由控制核心模塊經過一系列運算處理后進行打滑保護判斷、聲光報警、輸出故障停車信號，達到打滑保護停車的目的，此種設計方案的打滑保護裝置正常運行時由128X32 點陣實時顯示驅動輪和鋼絲繩速度。

當裝置判斷為打滑保護時向架空乘人裝置輸出保護停車信號，并同時顯示和語音報警“請注意，打滑保護”，由維護人員進行故障排除后再次啟動設備。適用于原有架空乘人裝置改造升級的打滑保護裝置工作流程。架空乘人裝置改造升級的打滑保護裝置的框圖如圖5 所示。

圖5 架空乘人裝置改造升級的打滑保護裝置的框圖

3 結 論

本文介紹了架空人員裝置安全要求以及保護裝置對其的重要性，然后分析了架空乘人裝置打滑的原因和危害，并提出了防止打滑的措施。文章詳細介紹了打滑保護系統的設計，包括系統結構、硬件設計和軟件設計。這些設計方案旨在通過檢測和防止打滑現象，保證架空乘人裝置的安全運行。本文提供的打滑保護系統結構簡單、運行可靠，容易安裝，對各種架空乘人裝置均適用，目前該裝置已經投入使用，并取得了很好的效果。

通過將打滑保護裝置應用在架空乘人裝置上，可使礦山的工作人員可在第一時間內獲得設備的運行速度情況，可提高對架空乘人裝置的安全管理，是實現安全煤礦、煤礦智能化建設一種可靠防護。