斜井常闭式防跑车装置设计使用说明

题目：斜井常闭式防跑车系统的设计

院系专业：机械工程及自动化姓名：唐晓燕

指导老师：韩振铎

完成时间：2007-11-23

目录

一设计任务书··第3 页

二摘要··第4 页

三防跑车机构的组成··第5 页

四挡车栏的设计计算··第7 页

五防跑车的电气控制··第14页

六端面摩擦缓冲器的设计··第15页

1、钢丝绳及压绳板的选择计算··第19页

2、卷筒的设计计算··第21页

3、摩擦片的设计计算··第24页

4、制动片的计算··第27页

5、轴套的计算··第28页

6、轴的计算··第31页

7、调力螺母的计算··第32页

8、支座··第33页

七设计心得··第36页

八参考文献··第37页

一设计任务书

题目：防跑车装置的设计

1、设计条件

1）机器功用针对斜井跑车事故的防护装置，

当矿车跑车时，使挡车栏实现可靠拦截，避免事故的

发生。

2）工作情况常闭式

3）运行要求可靠性较高

4）生产批量小批生产

5）生产厂型小型机械厂

2、原始数据

发生跑车时的冲击能量E=16

?J

10

矿井原始参数

斜井跑车的自然条件设定：

α

斜井倾斜度设定为?

≤30

斜井跑车的总质量：

串车规定最多为6辆，每辆满载时的质量位2000Kg，总质量为12000kg。

变坡点与挡车栏的距离设定为30m。

绞车最大提升速度为2.8m/s。

3、设计内容

1）总体结构2）缓冲器各部分结构组成3）系统图、安装图、零件图总量为零号图纸

二摘要

矿井轨道运输是煤矿生产的重要组成部分，高效

的运输系统对于煤矿安全生产具有重要意义。据统计

运输事故是仅次于顶板事故的第二大事故，其中串车

运行中因断绳、脱销、连接装置断裂等原因造成串车

与主提升钢丝绳脱离跑车事故占运输事故的22.1%，

因此对煤矿斜井跑车事故进行有效的预防十分必要。

本系统是针对斜井跑车事故的防护装置，其工作

方式为常闭式。常闭式跑车防护装置是目前可靠性较

高的安全设施，它由以下几部分组成：主控箱，车位、

车速监测传感器，主提升绳滑轮绳压传感器，柔性挡

车栏、挡车栏提升机，语音报警显示屏，摩擦片式缓

冲吸能器。挡车栏处于经常关闭状态，当串车以正常

速度到达挡车栏上方监测位置时挡车栏自动升起。串

车通过后到达挡车栏下方监测位置后挡车栏自动下

落。当矿车超速（跑车、溜车）时，监控系统通过对

* * 矿车速度和主提升绳滑轮处的压力监测使挡车栏实现

可靠拦截，避免事故的发生。

三防跑车机构的组成

防跑车机构的构成如图-1所示，

* *

1、缓冲器

2、钢丝绳卡

3、缓冲器引出端钢丝绳

4、挡车栏绳网钢丝绳

5、挡车栏支架

6、挡车栏绳网架

7、挡车栏提升机

由挡车栏提升机、挡车栏提升限位传感器、脱扣器、柔性挡

车栏、摩擦片式缓冲吸能器等部分组成。其工作原理是：当发生

跑车事故时，矿车撞击挡车栏，脱扣器开口销受剪切力切断，脱

扣器内传感器动作，主控PLC收到这一信号后发出报警保护命令，

语音报警显示屏发出报警信号，各道挡车栏均处于下放到位状态。

与挡车栏相连的缓冲器通过克服自身摩擦力旋转将拦车绳网传过

来的拉力吸收，从而实现对事故矿车的缓冲制动。

1、挡车栏提升机驱动系统的选型

电动机：YB90L-4（B3）型。其基本参数有：

工作电压：660V

* * 额定功率：1.5KW

同步转速：1500 r/min

额定转速：n1=1400 r/min

转动惯量：0.0080kg/mm

满载时的电流：2.10A

效率因数：0.79

效率：79%

重量：37㎏

输出轴直径：24㎜

减速器：CW-80-31.5-I型。其基本参数有：

公称传动比：i=31.5

额定输入功率：P=2.08kw

额定输出转矩：T=299N.m

输入轴直径：24mm

输出轴直径：38mm

输出转速：n2=

min

/

444

.

44

5.

31

1400

1

r

i

n

=

=

=0.74 r/s

联轴器：HL2型弹性柱销联轴器

YL7型凸缘联轴器

轴承：轴承型号为61808

轴承座：轴承座型号为HZ045

键：普通平键b×h=8×7

底座：选择10mm厚的钢板作为驱动系统的底座。

滚筒设计：外径：300 mm 内径：280 mm 挡绳缘宽、高分别是8 mm、10 mm。

校核驱动系统的选型：要求系统在3—4秒内提起1800mm 的距离.即600mm/s

滚筒转速：44.444 r/m 根据滚筒内径：280 mm得出周长：879mm

故得知绞车的线速度为:0.74×879=6500mm/s。满足设计要求。

2、挡车栏提升机安装布置图：

四挡车栏的设计计算

1、挡车栏缓冲能量计算

斜井跑车动能量计算

斜井矿车受到重力G和滚动摩擦力f＇作用，并在惯性力f 的作用下下滑。

矿车重力：G=mg=12×104N

矿车滚动摩擦系数：这里取η=0.03；

斜井倾角：α≤30°

这里取E=1MJ的冲击能量

2、钢丝绳的选择

钢丝绳的选择计算是设计中的关键环节之一。钢丝绳在运转中受有许多应力的作用和各种因素的影响，如静应力，动应力、弯曲应力、扭转应力、和挤压应力等，磨损和锈蚀也将损害钢丝绳的性能。我国是按《煤炭安全规程》的规定来设计的，其原因是：钢丝绳应按最大静载荷并考虑一定的安全系数来进行计算。

挡车栏处选用型号6×19（b）+FC，抗拉强度1570MP,最小破断力516KN，直径26mm的钢丝绳。

3、跑车速度的计算

矿车发生跑车后，在重力的作用下沿斜井加速运动，到达挡车栏处的速度v k 和所需时间t 的计算。

① 矿车从静止状态下（初速度为零）发生跑车时速度计算：

挡车栏处的速度v k

由P 22L v k α=及)cos (sin αμαα-=n g 有

)cos (sin 2v P n αμα-=L g k

式中P L ——矿车从跑车点到挡车栏处的距离，m α——斜井的倾角度

μ——钢轨与矿车车轮之间的滚动摩擦系数，

一般取=μ0.01

n

g ——重力加速度，取=n g 9.806652

/s m

跑车所需时间1t 由k

P

v L t 21=

有 )

cos (sin 21αμα-=

n p

g L t

=

)

2301.05.0(80665.925

2*-*

= 3.22s

不同倾角和跑车距离时的车速，列于下表

V k =15.57

m/s Lp=25m α=30°

=μ0.01

t 1=3.22s

②矿车以初速度0v 发生跑车时速度计算 挡车栏处速度’k v

由p k aL v v 2202=-’’及)cos (sin αμαα-=n g 有 ()s

m v L g k /71.155.230cos 30sin 258.92)cos (sin 2v 20

P n =+?-????=+-=αμα’ 跑车所需时间 由0

12v v L t k P

+=

’有 ()s

v v L g L t p

7.25

.25.230cos 01.030sin 258.9225

2)cos (sin 222

20P n 1=++?-????=

++-=αμα

4、挡车栏动作指令提前量的确定

常闭式防跑车装置，需要确定矿车运行到挡车栏前多长距离发出挡车栏开启的信号。或者测速装置安装位置与挡车兰之间的合理距离。这是有效地阻挡跑车的重要参数。

①挡车栏提起与落下时间t 2

挡车栏的提起一般有两种情况：垂直提起，旋转提起。本方案采用垂直提起。则

垂直提起时间：t

t

v H t =

2 ；s 式中H t ——提升高度，m V t ——提升速度，m/s,

,

100060'

?=

D

n v t π

n ’----绞车卷筒转速, min /5625

1

1400'

r ni n =?==

D-----绞车卷筒直径,200mm.

得:

1000

60200

56???=πt v =0.586 s m

②挡车栏动作提前量的确定 0210s t v L +=

式中 v 1——绞车下放矿车的速度，m/s ；

S 0——富裕常数，m 取决于挡车栏的可靠度和绞车安

全保护装置的灵敏度，通常取S 0=1.5～2.5m

5、跑车作用于挡车栏上的冲击力：

作用于车挡上的冲击力是设计车挡和吸能制动器的主要依据，矿车与车挡的冲击力计算有两种情况。

①按一辆矿车计算冲击力

串车与车挡相撞，按一辆矿车相撞的情况计算作用于车挡上

的冲击力，这是目前计算冲击力时广泛采用的方法。其理论基础在于，组成串车的矿车之间是以连接环相连接的，属于软连接，串车加速运行时，连接环是拉紧的，当第一辆矿车与车挡相撞的Δt 时间内，第二辆矿车由于矿车之间的间隙尚未撞击到第一辆矿车，或者说，第二辆矿车撞击第一辆矿车的瞬间，第一辆矿车与车挡的撞击过程已经完成，同理，后一辆矿车撞击前一辆矿车时，前一辆矿车的撞击过程已完成。因此，无论矿车数多少，均以一辆矿车的冲击力为计算依据。

一辆矿车作用在车挡上的冲击力

KQ P =

式中Q ——重车作用在车挡上的静力，N ()g Q Q Q αμαcos sin )(10-+= Q 0——矿车自重；kg Q 1——矿车载重；kg α——斜行倾角；

μ——轨道与矿车轮之间的滚动摩擦系数，μ=0.01 g ——重力加速度；g=9.8m/s 2 K ——动荷系数，

)112c

n g v K k

δ+

+=

k

v ——矿车与车挡相撞时的速度；m/s

c δ——车挡在静力Q x 作用下，整个装置的弹性变形；

（4321δδδδδ+++=c ）

P j =200K N

Q X ——静力Q 沿车挡表面垂直方向的分力；N )cos(αα'-=Q Q x

α'——车挡与铅垂线这间的锐角；度

1δ——橡胶碰头的弹性变形；m

2δ——车挡的弹性变形；m 3δ——缓冲装置的弹性变形；m

4δ——主轴的弹性变形；m

②以多辆矿车计算冲击力

出现下面两种情况时，要修正按一辆矿车计算冲击力的计算方法。

当矿车之间的距离很小，出现重叠撞击的情况。

由于矿车之间没有足够的间距，当第一辆矿车与车挡的撞击过程尚未完成时，第二辆矿车就又撞击到第一辆矿车上，出现重叠撞击的情况。

当矿车受到非正常阻力，出现整体撞击的情况。

当第一辆矿车受到非正常阻力，速度减慢时，后面的矿车紧贴在前面的矿车上，会出现整体撞击车挡的情况。

鉴于上述两种情况，计算冲击力时每两矿车都应考虑增加一个小于1的叠加系数ξ，则作用于冲击力j P 为

)1(432 ++++=ξξξP P j ；N

式中p ——按一辆矿车与车挡相撞计算的冲击力；N

P=185.7K N

P j =202.44KN

i ξ——每两矿车的叠加系数，对第i 辆矿车，

i i 2.01.1-=ξ （2≤i ≤5）

③作用于柔性挡车栏上的冲击力P

Q j

g v

l l P n k )(2

?++

=

式中k v ——矿车与车挡相撞时的速度；m/s

Q ——重车作用在车挡上的静力；N

j ?——在静力Q 作用下挡车栏上钢丝绳的静变形，

EF

Ql

j 2=?，m

L ——挡车栏中钢丝绳的长度，m E ——钢丝绳的弹性模量，Pa ； F ——承载钢丝绳的断面积，m 2。 6、挡车栏的强度计算

平行栅条式挡车栏是一种柔性挡车栏。在这种挡车栏中，钢丝

绳直接承受矿车的冲击力，所以挡车栏强度的计算主要是计算钢丝

绳的强度。

挡车栏处选用型号6×19（b ）+FC ，抗拉强度1570MP ,最小破断力516KN ，直径26mm 的钢丝绳。

设受力钢丝绳的根数为n ，则每根钢丝绳所受的拉力

nK

P P j 2=

=

66.418

.032200

=??KN

P=57.84K N

Q=9640N

式中K ——钢丝绳受力的不均匀系数，取K=0.8 则

nK

P P j 2=

=

66.418

.032200

=??KN

钢丝绳强度校核 ][/0m P Q m ≥=

式中m ——钢丝绳的安全系数，一般取许用安全系

[m]=3;

0Q ——钢丝绳的破断拉力总和，N 。 则

[]315.3766.413516/0>=?==P Q m 钢丝绳满足强度要求

五 防跑车的电气控制

跑车防护装置电气控制是挡车装置能否可靠工作的重要组成部分。由于控制部分动作频繁，中间转换环节多，挡车装置又在操作者视野之外，而靠显示系统传递状态，更加增添了对可靠程度的要求。传感元件是电气控制系统的核心部分，直接影响到挡车装置动作的可靠性和准确性。

在本装置中使用PLC计数器。

PLC由CPU运算和控制中心，存储器，输入/输出接口，编程器组成。输入接口电路工作过程：当开关合上，二极管发光，然后三极管在光的照射下导通，向内部电路输入信号。当开关断开，二极管不发光，三极管不导通。向内部电路输入信号。输出接口电路工作过程：当内部电路输出数字信号1，有电流流过，继电器线圈有电流，然后常开触点闭合，提供负载导通的电流和电压。当内部电路输出数字信号0，则没有电流流过，继电器线圈没有电流，然后常开触点断开，断开负载的电流或电压。也就是通过输出接口电路把内部的数字电路化成一种信号使负载动作或不动作。

基本工作原理：PLC采用“顺序扫描，不断循环”的工作方式

1．每次扫描过程集中对输入信号进行采样,集中对输出信号进行刷新。

2．输入刷新过程。当输入端口关闭时，程序在进行执行阶段时，输入端有新状态，新状态不能被读入。只有程序进行下一次扫描时，新状态才被读入。

3．一个扫描周期分为输入采样，程序执行，输出刷新。

4．元件映象寄存器的内容是随着程序的执行变化而变化的。

5．扫描周期的长短由三条决定。（1）CPU执行指令的速

度（2）指令本身占有的时间（3）指令条数

6．由于采用集中采样。集中输出的方式。存在输入/输出滞后的现象，即输入/输出响应延迟。

六 端面摩擦缓冲器的设计计算

缓冲吸能器中的钢丝绳选用型号6×19（b ）+FC ，直径22mm ，抗拉强度570MP ,最小破断力252KN 。

缓冲吸能器实质上也是一种制动器，在设计时需要确定的主要参数有，制动距离，制动力和制动减速度等。

1、制动过程的动力学

制动过程中，制动器所产生的制动力，可分为常数制动力和变数制动力，如图所示

途中表示跑车与车挡相撞后收到的力系，F （t ）为制动力，F2为摩擦阻力，F1为下滑力，X 为座标横轴，由此可以列出矿车制动过程的方程式。

)(2122t F F F dt

x

d m --=

即 2221)(dt

x

d m F F t F --=

式中 m ——矿车和车挡的质量；kg 2

2

dt

x

d -

——矿车的减速度；m/s 2 显然，制动力F(t)是一个变数，称变数制动力，如能求得，

则制动减速度（22)(dt

x d t a -=），矿车速度（dt dx

t V =)(），制动距离

（?

=dt t V s )(）都可一一求出，但是，变数制动力在实际工作中较

难确定，因此，可简化成常数制动力进行计算。

设置动力F 为常数，则矿车的减速度也为常数，并由下式决定

)

(1

21F F F m a +-= 矿车的速度为

1

21)(1

t F F F m V V k ?+-+=

式中Vk ——矿车与车挡相撞时的矿车速度，m/s 制动距离为

2

21)(21

t F F F m t V S k ?+-+= 消去时间t ，可得制动距离为

)(2212F F F m

V S k

++=

制动时间为

)

(21F F F mV t k

+-=

确定制动距离后，就可求得制动力F ，进而求得制动时间。

反之，由制动力也可求得制动距离和制动时间。

2、工作原理

防跑车缓冲装置的功能是吸收失控下滑矿车的动能，使之以一定范围的减速度平稳制动。现场使用的制动绳防跑车缓冲装置采用缓冲绳的弯曲变形能来吸收矿车的动能，限制减速度，通过调整螺栓的预紧力来调节缓冲绳的弯曲程度，以达到调整缓冲力的目的。目前已有学者对螺栓预紧力和缓冲力之间的理论关系进行推倒，但计算结果不够可靠，仍需要利用实验结果进行修正，缓冲力的大小很难精确调整。本文设计的缓冲装置采用摩擦制动的思路，利用端面摩擦制动原理吸收容器的动能。

工作原理如图：

1-外制动盘；2-摩擦片；3-内制动盘

端面摩擦缓冲器的制动部分由多组外制动盘1、摩擦片2和内制动盘3组成。工作时，内制动盘3相对机架静止，外制动盘1相对其转动，在轴向压紧力P作用下。内、外制动盘与摩擦片2之间产生摩擦力，通过摩擦力做功抵消罐笼下坠的动能。采用端面摩擦的形式有效增大了接触面积，减小了接触比压，有利于提高摩擦材料的使用寿命，稳定摩擦材料的制动性能，从而使缓冲器具有稳定可靠的缓冲效果。