本站原创
斜巷防跑车装置是保证煤矿安全生产的重要环节。矿车往返于车场与斜坡上，在平道上会出现未连挂的车辆滑入斜巷的现象；在斜坡上会发生因断绳、脱钩引起的跑车事故，在发生事故时跑车防护装置实施安全制动。因此对跑车防护装置撞击动力学进行分析对设计和研究防跑车装置具有现实意义。
关键词：防跑车装置 撞击动力学 仿真
The prevention of tram out of control (PTOC) is very important in that it ensures the security of the stuff and the safety in mine production. As the tram keeps running between flat road and inclined lane, many accidents may take place. On flat road, unhooked trams might fall off and drop along the inclined lane. In inclined lane, accidents may occur because of broken rope or uncoupled tram. Under such circumstances, PTOC will implement safety brake. Therefore, to study and design PTOC is necessary and significant for the buffer sports energy?absorption.
Key words: prevention of tram out of controlimpact dynamics imulation
0 前言
斜巷轨道运输是煤矿生产运输系统的重要组成部分，除了运输煤炭之外，还可运输人员、物料、矸石等。
如果矿车在斜坡轨道上因断绳或者脱钩等原因引起跑车事故时，若撞击井下设备或操作人员，将会造成停工停产，给煤矿生产带来重大经济损失。对斜坡跑车防护装置撞击进行动力学分析将有助于对跑车防护装置性能的改进。
跑车过程分为三个阶段，第一阶段为自由运动阶段，即矿车从脱离牵引处到挡车门的阶段，该阶段矿车失去钢丝绳的牵引，在重力的作用下沿斜坡轨道做自由加速运动，在此过程中矿车的势能不断减小，动能不断增大；第二阶段为矿车撞击挡车门带动挡车门向下运动阶段，在此过程中制动钢丝绳带动摩擦式吸能器工作，矿车受到钢丝绳的拉力和轨道摩擦力，速度逐渐减小，动能转化为摩擦式吸能器的摩擦能；第三阶段为矿车运行一段距离后，连接摩擦式吸能器与弹簧式吸能器的钢丝绳带动弹簧式吸能器制动，此阶段矿车的动能转化为摩擦能与弹性势能，最终将矿车的动能完全转化，达到制动住矿车的目的。本文主以网兜式挡车门、驱动装置、摩擦式与弹簧式吸能器装置、钢丝绳张力传感器装置组成的跑车防护装置为例进行防护装置撞击动力学分析。
由图1得矿车在撞击挡车栏之前的受力及运动情况为：
图1 矿车跑车后自由加速的动力学模型
矿车的力平
由此可得：
式中，l4——矿车开始跑车到挡车门的距离。
则矿车撞击挡车门时的动能E1为：
摩擦式吸能器的制动动力学模型
则撞击动力学中的微分方程如下：
利用拉格朗日方程建立系统的运动学方程，将吸能器制动过程中产生的总力简化为一个等效阻力F6。拉格朗日运动方程为：
式中，yi——系统的广义坐标；
L——拉格朗日函数，对于n自由度系统有n个广义坐标，L=T?U；
Qi——沿广义坐标作用的广义力；
T——系统的动能函数；
U——系统的势能函数。
检测设摩擦式吸能器与矿车之间的制动钢丝绳初始长度为l6，钢丝绳为均匀变形，此时系统的动能主要有摩擦式吸能器的动能、矿车的动能、钢丝绳的动能，由此求出系统的总动能为：
式中：l6——制动钢丝绳初始长度；
y1——矿车运动位移；
y2——摩擦式吸能器的线位移；
r——滚筒半径；
ω——角速度；
m——蓄能器质量；
M——矿车质量；
系统势能函数为：
根据拉格朗日运动方程，摩擦式吸能器的动力学方程为：
式中，m3——吸能器的质量，kg；
y1——矿车的位移，m；
ρ1——钢丝绳的线密度，kg/mm；
k3——钢丝绳的弹性系数，N/mm；
其中： 为加速度向量；
为位移向量；
为激振力向量；
[M]为分别为质量矩阵；
[k]为刚度矩阵。
由此可以解出矿车制动过程的加速度、速度和位移。
设矿车与摩擦式吸能器的距离为l8，矿车的位移为y3，弹簧式吸能器的移为y4。吸能器制动过程中的产生的总力简化为一个等效阻力F7。
系统的总动能与总势能为：
由拉格朗日方程可得矿车质量、速度、制动距离的关系：
通过上述方程可以解出矿车在第三阶段制动过程的加速度、速度和位移。
M = 3 t、V = 5 m/s
M = 3 t、V = 15 m/s
5 结论
吸能器制动过程中，矿车的速度、加速度以及制动距离受矿车运行速度、质量、摩擦力等因素的影响，其中矿车的质量和运行速度对矿车的速度、加速度及制动距离影响较大。
参考文献：
李树森．矿井轨道运输[M]．北京：煤炭工业出版社，1986．
王军华，王宪忠，李伯金．倾斜巷道防跑车装置的现状分析与探讨[J]．煤矿现代化，2005，(4)：66?68．
[3] 洪晓华．矿井运输提升[M]．徐州：中国矿业大学出版社，2005．
关键词：防跑车装置 撞击动力学 仿真
The prevention of tram out of control (PTOC) is very important in that it ensures the security of the stuff and the safety in mine production. As the tram keeps running between flat road and inclined lane, many accidents may take place. On flat road, unhooked trams might fall off and drop along the inclined lane. In inclined lane, accidents may occur because of broken rope or uncoupled tram. Under such circumstances, PTOC will implement safety brake. Therefore, to study and design PTOC is necessary and significant for the buffer sports energy?absorption.
Key words: prevention of tram out of controlimpact dynamics imulation
0 前言
斜巷轨道运输是煤矿生产运输系统的重要组成部分，除了运输煤炭之外，还可运输人员、物料、矸石等。
如果矿车在斜坡轨道上因断绳或者脱钩等原因引起跑车事故时，若撞击井下设备或操作人员，将会造成停工停产，给煤矿生产带来重大经济损失。对斜坡跑车防护装置撞击进行动力学分析将有助于对跑车防护装置性能的改进。
跑车过程分为三个阶段，第一阶段为自由运动阶段，即矿车从脱离牵引处到挡车门的阶段，该阶段矿车失去钢丝绳的牵引，在重力的作用下沿斜坡轨道做自由加速运动，在此过程中矿车的势能不断减小，动能不断增大；第二阶段为矿车撞击挡车门带动挡车门向下运动阶段，在此过程中制动钢丝绳带动摩擦式吸能器工作，矿车受到钢丝绳的拉力和轨道摩擦力，速度逐渐减小，动能转化为摩擦式吸能器的摩擦能；第三阶段为矿车运行一段距离后，连接摩擦式吸能器与弹簧式吸能器的钢丝绳带动弹簧式吸能器制动，此阶段矿车的动能转化为摩擦能与弹性势能，最终将矿车的动能完全转化，达到制动住矿车的目的。本文主以网兜式挡车门、驱动装置、摩擦式与弹簧式吸能器装置、钢丝绳张力传感器装置组成的跑车防护装置为例进行防护装置撞击动力学分析。
1 第一阶段，自由运动阶段
当矿车在斜坡轨道发生跑车时，矿车在重力的作用下沿斜坡轨道做自由加速运动。矿车在发生跑车与到达挡车门的力学模型如图1所示。设矿车质量为M，矿车在断绳处的速度为V1，矿车加速行驶到撞击挡车门的速度为V2，跑车处距离挡车门的距离为l5，斜坡的倾斜角度为α。由图1得矿车在撞击挡车栏之前的受力及运动情况为：
图1 矿车跑车后自由加速的动力学模型
矿车的力平
源于：论文参考文献格式www.udooo.com
衡方程为：由此可得：
式中，l4——矿车开始跑车到挡车门的距离。
则矿车撞击挡车门时的动能E1为：
2 第二阶段，矿车与挡车门相撞，摩擦式吸能器制动阶段
在对摩擦式吸能器制动过程的检测设和对微小环境因素的忽略的基础上，将矿车的撞击力学与吸能器的制动力学模型作进一步简化，简化后的力学模型下图所示：摩擦式吸能器的制动动力学模型
则撞击动力学中的微分方程如下：
利用拉格朗日方程建立系统的运动学方程，将吸能器制动过程中产生的总力简化为一个等效阻力F6。拉格朗日运动方程为：
式中，yi——系统的广义坐标；
L——拉格朗日函数，对于n自由度系统有n个广义坐标，L=T?U；
Qi——沿广义坐标作用的广义力；
T——系统的动能函数；
U——系统的势能函数。
检测设摩擦式吸能器与矿车之间的制动钢丝绳初始长度为l6，钢丝绳为均匀变形，此时系统的动能主要有摩擦式吸能器的动能、矿车的动能、钢丝绳的动能，由此求出系统的总动能为：
式中：l6——制动钢丝绳初始长度；
y1——矿车运动位移；
y2——摩擦式吸能器的线位移；
r——滚筒半径；
ω——角速度；
m——蓄能器质量；
M——矿车质量；
系统势能函数为：
根据拉格朗日运动方程，摩擦式吸能器的动力学方程为：
式中，m3——吸能器的质量，kg；
y1——矿车的位移，m；
ρ1——钢丝绳的线密度，kg/mm；
k3——钢丝绳的弹性系数，N/mm；
其中： 为加速度向量；
为位移向量；
为激振力向量；
[M]为分别为质量矩阵；
[k]为刚度矩阵。
由此可以解出矿车制动过程的加速度、速度和位移。
3 第三阶段 摩擦式吸能器带动弹簧式吸能器同时制动
弹簧式吸能器是靠摩擦力及弹簧的弹性力做功，将矿车的动能转化为弹性势能及热能，最终达到缓冲吸能的目的，当连接摩擦式吸能器与弹簧式吸能器的制动钢丝绳带动弹簧式吸能器制动时，钢丝绳在外制动半轴上抽紧，外制动半轴给弹簧一定的压力，使弹簧压紧，将矿车的动能转化为弹簧的弹性势能。设矿车与摩擦式吸能器的距离为l8，矿车的位移为y3，弹簧式吸能器的移为y4。吸能器制动过程中的产生的总力简化为一个等效阻力F7。
系统的总动能与总势能为：
由拉格朗日方程可得矿车质量、速度、制动距离的关系：
通过上述方程可以解出矿车在第三阶段制动过程的加速度、速度和位移。
4 动力学仿真
以煤矿常用的3t矿车为例，采用ADAMS软件进行柔性体系统分析，下面矿车速度不同时的矿车的速度、加速度及制动距离曲线, 仿真的初始时间为零，结束时间为10 s；M = 3 t、V = 5 m/s
M = 3 t、V = 15 m/s
5 结论
吸能器制动过程中，矿车的速度、加速度以及制动距离受矿车运行速度、质量、摩擦力等因素的影响，其中矿车的质量和运行速度对矿车的速度、加速度及制动距离影响较大。
参考文献：
李树森．矿井轨道运输[M]．北京：煤炭工业出版社，1986．
王军华，王宪忠，李伯金．倾斜巷道防跑车装置的现状分析与探讨[J]．煤矿现代化，2005，(4)：66?68．
[3] 洪晓华．矿井运输提升[M]．徐州：中国矿业大学出版社，2005．