2010年中秋晚会
李玉娟 姜秋生 张军 （焦作煤业集团公司生产管理处 河南焦作 454000 ）摘要：本文通过对目前两种提升系统防撞、过卷缓冲、托罐保护装置原理、性能的比较，阐明了采用钢带逆止缓冲装置的优越性，通过现场应用证明该装置具有广阔的推广前景。关键词：立井提升 防撞、过卷缓冲、托罐 保护装置1、概述随着生产技术及社会理念的提升和进步，安全生产愈来愈受到重视。矿井提升系统的机械、电气安全保护也日趋完善，但由于操作失误、制动环节机械故障及电器、电路等方面的原因，矿井提升系统过卷事故的发生还是屡见不鲜，甚至发生蹲罐、断绳坠罐等恶性重大事故，造成重大经济损失和人员伤亡。如作深入一步地分析，仅把注意力集中在提升机上来解决防过卷问题是不科学的。这是因为提升机与提升容器之间的连接是通过钢丝绳这种柔性体来实现的，在发生过卷时，即使提升机能够很快制动，但由于惯性的作用，上升的提升容器必然还有上冲的趋势。若这种上冲的趋势不能通过有效可靠的手段予以克制，则松绳是必然的，此时的提升容器若不加以控制可以说是最危险——过卷上升、松绳、反向下落、礅绳、 断绳、坠罐。更何况还有张力差超限，摩擦副打滑，制动闸失灵，绞车失控飞车等各种意外情况发生的可能。因此在井口井底过卷高度和过放距离内有必要设置机械性过卷保护装置作为提升系统的最后一道安全防线。
按照现行《煤矿安全规程》396条、397条的规定，“在提升速度大于3m／s的提升系统内，必须设置防撞梁和托罐装置……”“在过卷高度或过放距离内，应安设性能可靠的缓冲装置。缓冲装置应能将全速过卷（过放）的容器或平衡锤平稳地停住；并保证不再反向下滑（或反弹）。……”按照这些规定，也就是说在立井提升系统必须设置防撞梁、托罐装置、缓冲装置等，而原来很多井口采用木质楔形罐道作为缓冲装置，由于在发生速度较高的过卷事故时很容易发生劈裂失效而不能完全满足要求。近几年在现场广泛使用的是两种新型的机械过卷保护装置。即FHT型防撞梁托罐、BS型摩擦滚筒缓冲装置和HZSN型多功能过卷保护装置。这两种保护装置都是用来对提升容器起到防撞和缓冲托罐作用的，但其动作原理和性能都存在着较大的差异。
2、保护的特殊性
缓冲装置、托罐装置、防撞梁，其实质是特殊条件下的制动装置，之所以说“特殊”表现在以下几点：
2.1终端保护：防撞梁、托罐缓冲、缓冲装置等属于立井提升系统的最后一道防护屏障，因此其可靠性是第一位的。
2.2可能长期不动作：
正是因为是最后一道防线，所以一般情况下难得“兵临城下”，所谓养兵千日，用兵一时，有可比之处。在长期不动作的情况下，一旦发生过卷，必须保证装置能可靠动作，并且有稳定的制动特性。
2.3布置空间狭窄，环境差：乃堆拉山口
井筒断面中布置有提升容器、罐道梁、罐道等，另外井筒淋水、撒煤等，因此要求装设于这一环境的过卷保护装置必须结构紧凑，能适用于恶劣条件。
2.4可能处于瓦斯、煤尘的不利环境中。
2.5可能面对失控情况下的高速冲击，需要瞬时完成能量的转换。
2.6用于柔性的提升系统，不允许有反弹。
3、两种机械过卷保护装置原理
目前现场使用比较普遍的缓冲装置，一种采用钢丝绳缠绕摩擦滚筒式缓冲装置，另一种是利用金属材料的塑性变形实现吸能缓冲的缓冲装置。这两种类型保护装置的原理如下：
3.1.BS型钢丝绳缠绕摩擦滚筒式缓冲装置，它是利用摩擦做功来吸收过卷过放容器的动能。对于每个提升容器来说，四台缓冲器分别安装于提升容器两侧的罐道梁上。四台缓冲器上缠有钢丝绳，钢丝绳的另一端吊着两个缓冲托梁，缓冲托梁位于容器正常停车位置上方。正常提升时，提升容器碰不到缓冲托梁。过卷时提升容器顶部碰到缓冲托梁，带着缓冲托梁向上运动。缓冲托梁通过四根钢丝绳拉着4台缓冲器的卷筒转动，缓冲器给出一定的制动阻力，通过缓冲绳、缓冲托梁作用于提升容器，迫使提升容器及绞车停车。缓冲器的制动力是可以调定的。调定的原则是保证过卷后的容器平稳地停住，并且缓冲减速度a〈g。另外这种类型缓冲装置还需要配置防撞梁及托罐装置，才能满足《规程》396条、397条的要求。其防撞梁采用工字钢梁，防撞梁下面采用方木进行缓冲。托罐装置由缓冲器、滑槽、托爪等组成，当提升容器过卷撞击托罐装置的托爪时能自动回缩，当容器继续上升到刚刚离开托罐装置，即将撞击防撞梁时，托爪迅速伸出，托住下落容器，托罐装置既有托罐功能，又具有缓冲功能。防过卷缓冲、托罐装置布置图及原理图见附图1.1、附图1.2。
附图1.1 弹性防撞梁缓冲托罐装置、放过卷缓冲装置井口布置图《国家新型城镇化规划(2014-2020年)》
3.2.HZSN型多功能过卷保护装置利用金属材料的塑性变形实现吸能缓冲。其加载机构及逆止机构的基本动作原理为（见附图皇城轶事2）：当过卷上升的容器7在过卷距离内开始推动缓冲装置的横梁3向上时运动时，横梁3横担着两根滑柱2向上运动，同时逆止锁舌5外侧的斜面受到固定（静止）套柱1的下压而向内侧伸出，锁住顶在横梁3之下的提升容器，使滑柱2、横梁3与提升容器锁联在一起，无论向上或向下都必须一起运动；同样，压辊组6z被固定曲轨8压迫同时做水平移动，压辊组的运动使纵贯套柱、滑柱中心的钢带4产生hipihiS形塑性变形，且在曲轨8之曲线段内逐步增大，缓冲制动力也随之增大，当中间压辊6z行至曲轨8之上部直线段时，制动力达到最大值，其后，滑柱2无论是向上，还是向下运动，都受限于钢带4本身恒定的变形力，也就是缓冲制动力或逆止力。在横梁3、滑柱2，吸能元件钢带4、逆止锁舌5、压辊组6的联合作用下，过卷的提升容器可在允许的过卷距离内可靠地缓冲制动，停止上升后即保持在该处不再反向下滑。一旦横梁3被提升容器推至顶端，横梁将被套柱直接套住，此时横梁3即起到防撞梁的作用，而钢带、逆止锁等不会受到冲击而保持完好，能够防止容器的回落，从而起到托罐装置的作用。此外，在提升容器的进入端，套柱有导入斜度，因此该装置还兼有罐道的功能。HZSN多功能立井提升过卷保护装置具有《
煤矿安全规程》要求的防撞梁、托罐装置、缓冲装置的功能，再加上辅助罐道的功能，是四种功能集于一身。
该装置的主要特点在于利用金属材料的塑型变形实现吸能缓冲，其制动特性不受环境条件、时间变化的影响，因而具有高度的缓冲制动可靠性。
4.两种保护装置的性能比较
4.1.原理方面。
BS型钢丝绳缠绕摩擦滚式缓冲装置是利用摩擦制动的原理设计的。其优点是采用调力盘与调力螺母相配合，使得调节制动力极为方便。但其制动特性难以在长期不动作的条件下保持稳定。这是由摩擦制动天然的特点所决定的：钢丝绳缠绕滚筒缓冲装置属于摩擦制动范畴，摩擦制动具有以下特点：（1）实用中可以多次、频繁使用。（2）可以通过改变正压力大小来控制其制动特性（制动力）。（3）其摩擦系数的大小，随相配材料的材质、滑动面的状态（润滑、干湿、杂质、加工情况等）、湿度、压紧力、滑动速度等不同而变动，因此其摩擦系数的稳定性较差，尤其是长期不动作条件下稳定性很差。（4）能量转换模式：动能转换成热能，热能通过摩擦面释放出来。温升升到60～70℃以上时，摩擦系数将
急剧下降，因此，实用中像汽车的刹车须保证温度不能太高。也决定了这种制动方式不适用于瞬时能量转换较大的场合。摩擦制动应用场所必须具备的条件有：第一应该是经常使用的场合，而且在使用时（即制动时）可以通过人为控制其制动特性（即制动力的变化）；第二应该是能量转换不是很大的场所；三是要求摩擦副的温度不能太高。从以上特点可以看出，摩擦制动这一应用非常普遍的制动方式不太适用于过卷缓冲保护。这是因为过卷事故不可能天天发生，并且装置动作时无法人为控制其正压力大小，再者高速过卷（尤其是超速过卷时）整个提升系统的动能非常巨大，且制动时无法保持摩擦副的温度不急剧升高。空气中的水分、微尘、机械环境中的滴油、溅油、摩擦副表面上温度的升高等都会对摩擦系数产生很大的影响，在长期不动作（即不使用）的条件下，无法保证其制动力的稳定，其缓冲托梁和缓冲器的连接钢丝绳，时间长了很容易发生锈蚀、老化等情况，造成其强度降低，造成制动失效而酿成事故，所以其可靠性较差。而过卷保护装置恰恰是属于以防万一的装备，可能数月、数年都不使用，采用摩擦制动可靠性就会大大降低。由于这些原因国外较为先进的作法是用钢带制动代替摩擦制动，用于过卷缓冲保护。
HZSN型钢带逆止缓冲装置是利用金属材料的塑性变形实现吸能缓冲。其制动特性不受环境条件、时间变化的影响，因而具有高度的缓冲制动可靠性。从动作原理上讲逆止锁舌的
伸出以及压辊组中各压辊的相对位置从机械原理上讲是由强制性的机械力来保证的，该强制性的机械力由提升容器本身的运动来提供，因此该缓冲装置具有极高的可靠性，并且在制动过程中，开始制动的初始阶段，采用固定曲轨使钢带的变形量逐步增大，使制动更平稳，具有良好的制动缓冲性能。
4.2.第一次世界大战地图防撞、托罐功能与缓冲功能及可靠性方面
钢丝绳缠绕摩擦滚式缓冲装置必须与防撞梁托罐装置配合使用，才能实现防撞、托罐、缓冲的功能。因此装置部件多，在井口布置复杂，日常维护工作量也较大。防撞、托罐装置布置在缓冲装置上方，只有当容器经过缓冲装置缓冲之后容器防撞、托罐装置才动作，才能托住撞击防撞梁之后的下落容器，在未撞击防撞梁之前的一段距离内，无法保证容器不反向下滑。而且托罐装置可靠性较低，表现在一是其蘑菇锥难以保证准确插入锥窝，推开卡块；二是其卡块是靠弹簧推回卡在锥头之下，稍有生锈或卡阻即会失效，导致重大事故。三是其必须有较大的回落距离。四是缓冲托梁和缓冲器的联接钢丝绳，时间长了很容易发生锈蚀、老化等情况，造成其强度降低制动失效而酿成事故。
钢带逆止缓冲装置不需要另外的装置配套使用，是集防撞、托罐、缓冲及辅助罐道为一体的多功能过卷保护装置。逆止锁舌的动作由机械机构强制保证，动力源来自提升容器本身
的运动，在制动过程中，逆止锁舌首先伸入容器上盘体之下，之后随滑柱与容器一起运动，无论容器在制动行程中任何一点停止运动，其反向下滑均被逆止锁舌阻止，因此同样具有高度的防下滑、防坠落的可靠性。
4.3.加载方式方面：
由于摩擦滚式缓冲装置的制动力是事先调定的，属于一次性加载（小滚筒初始的小载荷空转几乎起不到任何减小冲击的作用）；而一次性加载对柔性的提升系统及缓冲装置本身将形成巨大威胁：一方面会损害提升机、提升钢丝绳及悬挂装置、容器及载物、载人；另一方面会崩断摩擦滚的牵引钢丝绳使缓冲装置完全失效。
钢带逆止缓冲装置通过在开始制动的初始阶段，采用固定曲轨和活动压辊机构实现了钢带制动力由零到一个稳定值的无级逐步加载。使钢带的变形量逐步增大，大大降低了制动时的初始冲击，使制动更平稳，具有良好的制动缓冲性能。同时也使装置的适用速度范围大大提高了，即使在超速过卷的情况下也能起到很好的缓冲制动作用。
4.4.此外，摩擦滚式缓冲装置对井架（或套架）来讲是单层梁集中载荷，受力条件差；其次是事故后处理麻烦，要缠回钢丝绳，还要校准制动力；布置也很复杂，安装及日常维护工作量也较大等。 钢带逆止缓冲装置采用套柱作为该装置的机架，使其安装十分方便，且
兼有防护套的作用。同时，使缓冲制动力及防撞梁的撞击力通过套柱分散到多层梁的多个点 ，从而改善了井架等的受力条件，套柱本身也加强了井架等结构强度及刚性。装置发生作用后复原简单，可重复使用，无需日常维护。
5.应用情况
以上所述的两种过卷保护装置目前在全国很多矿井安装使用。焦煤集团冯营矿副井使用的是钢带逆止缓冲装置，曾经发生过一次过卷事故，罐笼高速过卷后，逆止锁舌全部有效伸出，锁舌挂住罐笼上盘，锁舌承载了罐笼的重量。容器向上冲2米后平稳制动。该缓冲装置设计时根据不同的提升系统设定不同的制动力。其制动行程为3.6m。该装置的缓冲防撞性能以及逆止、托罐功能均已实现，完全满足《煤矿安全规程》396、397条的相关要求。目前全国已经安装使用的这种类型缓冲装置运行最长的已经有三年还没有发生过失效现象，从根本解决了过卷后的防撞、托罐、缓冲等问题，也缓解了过卷高度不够的矛盾。摩擦滚式缓冲装置及防撞梁托罐装置使用后大部分使用效果良好，起到了保护作用，但也有一些矿井由于安装时间长，保护装置长期不动作，造成弹簧机构生锈卡阻、联结钢丝绳强度降低等，使缓冲托罐失效造成了重大事故。
6.结论
通过对以上两种过卷保护装置原理、性能对比及实际使用情况对比，我们认为摩擦滚筒式缓冲装置虽然可以起到缓冲作用，但还存在一些无法克服的缺陷。而钢带逆止缓冲装置结构设计新颖合理，多功能合一，能满足《规程》的相关要求，从而简化了设备布置及平常维护工作量，优化了工作环境，同时适用性强，安装方便，可重复使用，事故后处理便捷，避免了摩擦制动温升带来的安全隐患，具有较为广阔的推广前景。
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