一种能自动排绳的矿井救援绞车设计及功能实现
日期: 2022/5/24 浏览: 5 来源: 学海网收集整理 作者: 缪辉琴
（南通科威瀚医疗科技有限公司，江苏如东 226400）
摘要：为了给予矿井安全事故救援更高保障，提高救援工作开展效率，从矿井排绳控制角度出发，提出一种支持自动排绳控制的救援绞车设计研究。该设计方案以液压控制方式为主，通过添加计深传感器自重测量元件等装置，改善救援绞车结构。通过仿真测试，对设计方案可靠性进行检验。仿真结果显示，当前设计的救援绞车能够有效改善绞车操控性能，可以作为矿井救援工作开展重要工具。
关键词：自动排绳；救援绞车；仿真模型 ；自动化；实时监测
0引言
煤炭资源开采环境较为复杂，随着深度的增加，开采难度越高，伴随的安全风险系数将随之提升[1]。虽然我国在矿井设计上已经做了优化，在一定程度上降低了安全事故发生频率，但是煤矿井下不确定因素较多，仍然存在较大的安全风险[2]。一旦发生事故，很难在第一时间完成救援任务。通常情况下，创建地面物质与救援井之间的联系，而后利用绞车救援井下被困人员[3]。绳索作为矿井救援绞车的重要组成部分，如果实现自动化操控，根据救援需求自动排绳，那么可以为救援争取更多时间[4]。目前，大部分矿井救援绞车不支持自动排绳，自动化控制能力薄弱，本文针对此方面问题展开深入探究。
1矿井救援绞车结构
救援绞车作为矿井安全事故救援重要装置之一，要求装置结构稳定，能够尽可能增加载荷量，维修简单，从而为井下救援创造便利条件。一般情况下，采用自移式盘底进行搬运，在绞车移动方面提高了作业效率[5]。从排绳角度来分析，大部分绞车操作需要根据多年救援操作经验，自行根据矿井深度进行排绳控制，并且缺少自动称重功能。对面此情况，对操作人员的技术水平要求极高，不排除操作失误情况[6]。另外，人工控制钢丝绳索排入井底，操作速度、绳索排列顺序，都很难达到匀速和有序要求，在未能达到要求情况下，排绳期间绳索将发生不均匀磨损，很有可能发生钢丝绳乱缠情况，延误救援，甚至加大安全事故严重性[7]。本文在以往研究基础上，提出一种支持自动排绳的绞车装置，其结构如图1所示。
1-绞车支架；2-底座；3-液压马达；4-行星轮支架摩擦盘；5-行星轮系；
6-位于卷筒左侧立板；7-双向红杠；8-压绳轮；9-卷筒；10-编码器；
11-输出轴；12-刹车；13-排绳轮；14-链传动机构
图1 绞车结构布局图
该装置能够有序控制钢丝绳排序，通过自动控制，使得绳索得以有序排列在卷筒上。绳索下降过程中，产生的磨损比较均匀，能够避免局部出现磨损严重问题，相比之下，大面积绳索磨损严重比较容易查验。另外，该装置支持自动计算深度功能，能够更为精准地判断救援位置，相关数据通过显示屏得以显示。关于称重功能的添加，主要是针对钢丝绳受力情况的分析，具有实时特性，当绳索受力时，装置可以及时且准确地更新受力数据，有助于绞车提升作业操控。
2矿井救援绞车功能
2.1主轴控制功能
关于绞车主轴控制功能，按照结构组成来看，可以分为液压马达控制功能、卷筒离合器控制功能、行星轮减速机控制功能、卷筒承力功能、刹车自动控制功能。
（1）液压马达控制。该部分功能主要用来控制卷筒转速，为了避免钢丝绳乱缠，适当下调作业速度。另外，考虑到绞车负载力的需求，选取转矩较大的径向柱塞马达作为驱动装置，以满足负载需求。
（2）卷筒离合器控制功能。该功能主要控制液压马达与卷筒之间的接通/断开，通过布设多个摩擦片，增加操作期间钢丝绳与卷筒之间的平稳性能，避免产生刚性冲击问题。
（3）行星轮减速机控制功能。本装置将部分功能设置为内藏式，在卷筒内部安装减速机，从结构来看，这种布置方式更加紧凑，满足小传动范围内的操控需求。关于传动形式的设计，行星架的固定采用倒转式布设手法，输入采用减速式布设手法。
（4）卷筒承力功能。此部分装置主要起到承受钢丝绳载荷作用，采用焊接手法，加强卷筒与机身之间连接的稳定性。
（5）刹车自动控制功能。按照操作需求不同，此部分功能划分为两种，分别是辅助刹车、主刹车，后者主要采用液压钳盘式进行制动，作业比较灵敏。
2.2压绳功能
压绳轮作为压绳装置的重要组成部分，采用滚动式接触方式，对钢丝绳和压丝绳的接触进行控制，为了保证排绳的有序进行，本设计添加了速度比控制功能。通过拉近弹簧，从而沿着钢丝绳的径向产生压力，使其作用在钢丝绳上，保证其在卷筒上得以排列有序。
2.3自动排绳功能
自动排绳功能是本绞车控制装置的重要功能，利用双向螺杆，沿着支架轴向往复运动，从而完成自动排绳操作。为了保证排绳作业的稳定性，本装置在双向螺杆上安装了滑块。排绳作业期间，受滑块限制，螺旋槽固定不动。在实际应用中，可以通过调节螺旋升角，将轴向压力分量施加在滑块上，从而实现滑块的灵活控制。当螺旋槽端检测到滑块运动到此处时，改变螺旋方向，此项操作具有同时改向作用，即滑块的轴向作业方向也将改变。按照这种控制方式，令双向螺杆往复运动，运动期间钢丝绳排入矿井，以匀速作业。
关于自动排绳功能的设计，借助链条链轮作用，对双螺旋传动机构采取分动控制。在此期间，小链轮在卷筒作业带动下产生一定转速，以链条作为传动媒介，将此部分转速驱动作用在大链轮上，从而带动大链轮作业。而后双向螺杆在大链轮的带动下开始作业，排绳轮在此控制下往复运动，从而实现自动排绳控制功能。如图2所示为排绳轮结构及绕绳示意图。
继续
1-排绳轮（编号为1）；2-排绳轮（编号为2）；3-排绳轮（编号为3）；4-钢丝绳；
5-卷筒筒壳；6-排绳轮支架；7-轴承端盖
图2排绳轮结构及绕绳示意图
2.4实时监测功能
为了提高井下救援安全性，实时掌握绞车作业状态显得尤为重要。根据当前绞车各部件受力等情况信息，结合当前井下救援需求，及时调整救援作业方案。以往开发的绞车装置大部分借助销轴和拉力传感器，根据传感器显示数据，对绞车作业进行监测[8]。由于这些监测方案的传感器布设位置不合理，需要监测仪表显示数据，导致两种传感器的量程不同，降低了监测精准度。为了弥补以往传感器位置布设的不足，本研究提出基于受力分析的传感器布设位置调整策略。该策略将传感器布设在排绳机构，通过分析排绳轮结构及受力情况，检验设计方案可靠性。另外，增加自动计深元件，利用该元件测试井下深度，同时测量钢丝绳下降速度。综合考虑井下特殊环境，选择光电类型增量式编码器作为此项功能的核心元件，采用弹性软接手法，与刹车轮轴连接到一起，减少作业环境对此装置造成的干扰。
3矿井救援绞车功能实现
3.1系统仿真模型的构建
关于救援绞车功能的实现，本研究采用构建系统仿真模型的方式，对绞车装置功能进行模拟测试，通过观察模拟测试结果，判断设计方案可靠性。本次模拟测试选用AMESim软件作为仿真环境搭建工具，设计如图3所示的系统仿真模型。
1-大泵；2-二泵；3-大泵控制下的通断阀；4-二泵控制下的通断阀；5-主油路蓄能器；
6-升降自动化操控主控阀；7-液压作业马达；8-先导泵；9-马达制动器；
10-卷筒离合器；11-内藏式行星减速机；12-制动钳；13-制动器（减速作业控制）；
14-制动钳；15-卷筒；16-升降钢丝绳；17-重物提升控制机制
图3 系统仿真模型
3.2救援绞车作业控制方法及动作逻辑关系设置
本系统仿真模型主要由两部分构成，分别是液压动力系统、液压制动系统。其中，动力系统作业驱动力的供给，利用双联泵进行作业，根据作业需求设置流量和压力参数。关于液压制动系统的作业，选取溢流阀、先导泵作为主要作业装置，在这两种构件的作用下产生压力，作用在压力油上，以此产生制动力矩，从而保证绞车机械部分功能得以实现，包括离合、制动、刹车。
本研究设计的绞车输入动力为液压马达，该装置产生的作用力带动减速机，控制转矩输出参数范围，作用在卷筒上，从而有效控制卷筒定轴转动速率。根据井下救援需求，调节输入动力参数数值，以此控制绞车下放和提升动作速度。关于绞车装置功能控制的各项逻辑关系的设计，如表1所示。
表1 救援绞车动作逻辑关系
制动部件 制动钳A 制动钳B 马达控制器 卷筒离合器 减速机制动器
停止作业 1 0 1 0 1
提升作业 0 1 0 1 0
刹车制动 1 0 0 1 0
平衡限速 1 1 0 1 0
自由抛钩 0 0 1 0 0
3.3功能测试结果分析
本次测试以钢丝绳匀速作业、自动排绳、矿井深度测量误差、制动部件作业功能、模拟救援效率提升情况作为功能测试指标，组织4组模拟测试，统计组测试结果，将总体测试结果汇总至表2。
表2 功能测试结果
测试编号 测试项目
钢丝绳匀速作业 自动排绳 矿井深度测量误差 制动部件作业功能 模拟救援效率提升情况
1 测试通过 测试通过 ±0.5%之内 测试通过 18%
2 测试通过 测试通过 ±0.5%之内 测试通过 20%
3 测试通过 测试通过 ±0.5%之内 测试通过 19%
4 测试通过 测试通过 ±0.5%之内 测试通过 18%
测试结果显示，本文设计的自动排绳绞车装置，支持自动排绳功能，并且钢丝绳以匀速作业，避免了不均匀磨损问题的产生，各制动部件作业功能均通过测试检验。与传统救援绞车装置相比，本绞车装置救援效率提升范围18%～20%，体现了装置研发价值。另外，矿井深度测量误差控制在±0.5%之内，在误差允许范围之内。
总结
本文针对矿井救援绞车作业水平提升需求，提出一种支持自动排绳的新型绞车装置。该装置对绞车排绳控制进行了优化，采用液压控制方式，对钢丝绳的制动和提升进行匀速控制。利用自动排绳机构实现排绳自动化控制，借助计深传感器提升井深测试精准度。仿真测试结果显示，本文设计的救援绞车装置各项功能通过测试检验，深度检测误差在误差允许范围之内，有助于提高救援效率。
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