在矿山开采的过程中，斜井提升技术扮演着至关重要的角色。其中，斜井提升容器是整个提升系统的关键组成部分，是直接用于装载矿物资源、废石或矸石的设备。

现有的斜井提升容器在实际使用中存在潜在风险，一旦发生断绳等事故，失控的提升容器会沿轨道急速下滑，不仅会对井下设备造成严重损坏，还可能导致人员伤亡、财产损失，并严重影响开采进度，从而威胁到企业的经济效益和员工的个人安全。为预防此类事故的发生，一些斜井提升容器已经安装了插抓式的防跑车制动装置。该装置能在主钢丝绳松弛时自动激活，通过制动插爪的下落来实现刹车功能。然而，当提升容器在平直轨道上运行时，并不需要启动制动装置，此时若主绳也处于松弛状态，意外释放的制动插抓反而会降低运输效率，并可能危及提升容器的安全运行。

斜井防跑车制动装置种类繁多，从提升容器本身而言，主要分为抱轨式与插爪式；从动力源的角度，又分为手动、电动、无辅助动力；从功能上区分，又分为常闭式与常开式[1-9]。相关的理论分析也多针对上述装置展开。但是，当前的理论研究多聚焦于斜井状态，而针对提升至平道状态下或者从平道下放至斜井状态的研究并不完善。

为确保在斜井运行条件下防跑车制动装置保持激活状态，同时在平道运行时防止装置误动作，开发一种新型闭锁器变得尤为重要。这样的闭锁器将保障斜井提升容器在所有运行模式下的稳定性与安全性，进而提高运输效率，并确保矿山开采作业的顺利进行。

1、斜井提升容器防跑车装置现状分析

目前，斜井防跑车一般采用被动式的跑车防护装置，主动式的防跑车装置主要用于人员斜井提升，采用抱轨式或插爪式。

斜井抱轨式防跑车制动装置是一种集成了电气、液压和机械系统的复杂设备，其核心工作原理是当电气系统检测到主牵引钢丝绳出现松弛时，会向液压系统发送信号，驱动液压油使抱轨器紧紧抱住轨道，从而实现有效的制动。由于抱轨器与轨道紧密贴合，大大降低了斜坡运行时的滑脱和侧翻风险，因而具有极高的动作稳定性和安全性，能可靠地应用于陡峭的大斜度斜井，适应性强。然而，该装置动作机构较复杂，要保证其良好的运行状态，需要精确的轨道对准和抱轨器调整，安装调试过程较复杂，维保成本也较高。此外，应用于人车时，抱轨器动作产生的较大的减速效应会限制人车的最大运行速度。

斜井插爪式防跑车制动装置由启动机构和制动机构构成，这两个部分均采用纯机械结构。当主牵引绳发生松弛时，启动弹簧被触发，通过连接拉杆使制动插爪下落，插入枕木以实现制动。这种装置结构简洁直观，操作便捷可靠，无需依赖复杂的控制系统，因而制造和维护成本相对较低，成本效益显著；此外，模块化设计的插爪式制动装置能够快捷地集成于提升容器，适应不同的使用需求。

然而，插爪式制动装置也存在一些局限性：首先，在斜坡运行时，尤其是在陡峭斜井中，存在较高的滑脱风险，其稳定性可能不及抱轨式；其次，在紧急制动情况下，其制动性能可能不如抱轨式；最后，就耐用性而言，插爪式部件在长期使用后可能会出现磨损，需要定期检查和更换。

因此，在选择斜井提升容器类型时，必须综合考虑矿山的具体环境和运营需求，认真权衡各种类型的优缺点。

2、平道闭锁器的设计

鉴于插爪式斜井提升容器具有结构简洁、操作便捷且广泛应用的特点，设计一种专用的平道闭锁器显得尤为重要。该闭锁器的核心任务是确保在斜坡运行过程中，防跑车制动装置能够保持正常运作，同时在平直轨道运行时能有效避免装置产生不必要的动作，从而确保整个运输过程的安全性和效率。图1为斜巷提升容器防跑车装置平道闭锁器的研制技术路线。

2.1 平道闭锁器结构组成

在传统的矿山斜井运输系统中，平道闭锁器通常依赖于人工操作来实施其功能。然而，随着斜井提升容器在提升和卸载过程中逐渐实现了自动化，无需人员直接介入，这就要求闭锁器能够自主执行动作。因此，研发一种可以自动响应并执行闭锁功能的装置，已成为设计高效斜井运输系统的关键。

在仔细分析了斜井提升容器防跑车装置的实际工作需求和环境后，本文提出的新型平道闭锁器将自动化技术整合到闭锁器的设计中，其具备高度的自主性，能够在无需人工干预的前提下，根据提升容器的实时状态自动进行闭锁。这不仅可以大幅度增强作业的安全性，也可显著提升运输效率，确保整个斜井运输过程的连续性和可靠性。

图1 斜井提升容器平道闭锁器研制路线

本文提出的新型闭锁器设计方案如图2所示。该闭锁器的底盘限位装置如图3所示，旨在确保在斜坡上运行时保持制动装置的有效操作，同时在平道上保证装置稳定静止，避免不必要的动作，从而确保运输过程的安全与高效。

闭锁器的核心设计包括传动系统和执行机构系统两个主要部分。传动系统负责将动力精确、可靠地传递至执行机构，而执行机构系统则包含制动装置、闭锁器限位装置、前端连接以及各级传动和启动机构。这些部件协同合作，形成了一个效率高且反应迅速的制动系统。

同时，该闭锁器采用了纯机械触发机制，不依赖电力或液压系统，因而降低了系统的复杂性，减少了维护成本，并提高了在恶劣环境下的可靠性。这样的设计不仅简化了操作流程，还提高了系统的耐用性和易维护性，确保了斜井提升容器在各种工况下都能保持稳定的制动性能。

此外，闭锁器的设计综合考虑了使用的便捷性和安全性。在斜坡运行时，它能迅速响应，并在需要时及时制动提升容器，防止滑行风险；而在平道运行时，闭锁器可保持静态，避免误操作可能引起的安全风险。这种智能化设计不仅提升了斜井提升容器的整体性能，更为矿山运输作业提供了一个更安全高效的解决方案。

图2 斜井提升容器平道闭锁器底盘布置

图3 平道闭锁器限位装置

2.2 平道闭锁器的工作原理

在斜井运输系统中，提升容器提升过程中的安全至关重要，此时闭锁器的稳定性对牵引钢丝绳的张力极为敏感。闭锁器的限位装置利用配重块保持平衡，形成与提升容器主体间的精确角度。同时，其前端卡槽与提升容器上的连接杆之间保持恰当的间距，使得主牵引绳发生断裂时，防跑车装置能迅速激活紧急制动功能，有效避免提升容器失控下坠。

当提升容器在平直轨道上平稳行驶时，闭锁器的限位装置与提升容器主体严格保持平行，并且其前端卡槽与连接杆紧密结合，避免了在平道上的不必要的制动，确保了闭锁器在适当的时机发挥作用。

整体而言，这款闭锁器融合了机械限位与防跑车装置，不仅确保了斜井运输过程的安全性和可靠性，还能根据斜井提升和平道运行的不同需求自动调节状态，保障了运输过程的顺畅。智能化闭锁器的引入，可显著提升作业效率，并大幅降低操作过程中潜在的安全风险。

3、平道闭锁器故障分析

3.1 平道闭锁器故障原因分析

为了深入分析斜井提升容器的防跑车装置及其平道闭锁器，根据矿山设备的实际使用，基于文献[10-15],本文构建了一个全面的故障树分析模型。在此模型中，将平道闭锁器系统的故障定义为顶级事件。系统由两个关键子系统组成：执行机构系统和传动系统。这两个子系统的任何故障都可能导致整个平道闭锁器系统的功能失效。因此，在分析中，将这两个子系统视作相互关联、串联运作的组件，它们共同决定了平道闭锁器的整体性能。基于这一逻辑，初步搭建了平道闭锁器系统的故障树，将传动系统和执行机构系统故障设为次级事件。

执行机构系统的构建涉及紧密相连的两个关键部件：制动单元和销轴受力单元。在进行故障树分析时，本文把执行机构系统的故障当作顶级事件处理，并将这两个子系统的故障事件进一步拆分成次级事件。具体而言，制动单元可能出现的故障包括插爪磨损、转动卡滞或因断裂造成的损坏；而销轴受力单元的故障主要与剪切力过大、疲劳断裂或润滑不足有关。通过综合分析，制动单元和销轴受力单元被认为是执行机构系统故障的关键中间环节，而这些环节中的具体故障事件构成了底层事件。

传动系统的构建依赖于限位器装置、前连杆装置以及外部环境这三个关键子系统的紧密配合。在故障树分析中，传动系统的故障被定义为顶级事件，并进一步将这三个子系统的故障事件拆解为次级事件。具体来看，限位器装置可能发生的故障有卡爪配合失准(尺寸误差)、配重失效或由往复冲击造成的损害；前连杆装置的故障通常涉及装配错误、结构裂纹或异常磨损；外部环境因素可能包括高湿度引起的腐蚀或灰尘及杂质的侵入。这些元素共同构成了传动系统故障的中间环节，其具体故障事件则构成了底层事件。

3.2 平道闭锁器故障树的建立

斜井提升容器防跑车装置平道闭锁器的故障树的结构如图4所示。

图4 平道闭锁器故障树

故障树中各事件符号的含义见表1。

表1 基本事件组成

3.3.1 故障树的定性分析

基于文献[10-15],对上述故障树进行定性分析。在故障树分析中，割集指的是一组基本事件，当这些事件同时发生时，将直接导致顶事件的发生。若在一个割集中移除任何一个基本事件后，剩余的事件无法组成割集，则这个割集被称为最小割集。换而言之，最小割集是引发顶事件发生的充要条件，它体现了系统失效的根本原因。

对于给定的故障树，通过分析可以确定其最小割集，这有助于深入理解系统的薄弱环节，并为进一步的风险评估和改进措施提供关键信息。该故障树的最小割集见式(1)。

基本事件Xi(i=1,2,…,14)发生时状态记为1,不发生状态记为0;由基本事件Xi=(X1,X2,…,X14)所构成的传统故障树的结构函数如下：

3.3.2 故障树的定量分析

对故障树进行定量分析，以评估各基本事件对顶事件发生的影响程度。这种影响通常通过重要度来衡量，它反映了各基本事件对顶事件结果的贡献大小。为了确保分析的高效性和精确性，本研究选择针对之前定性分析中识别的最小割集来进行重要度分析。

在进行这一分析时，需要特别注意的是，平道闭锁器子事件的可靠性往往不明确，使得随机模型的概率分布难以确切量化。为了更准确地处理这些不确定性因素，本研究采用了基于区间集合的方法，并利用区间凸集合理论来同时进行传统故障树的概率分析。这种方法允许在不确知具体概率值的情况下，通过构建可能概率的区间范围，为故障发生概率提供一个更为全面的描述。

(1) 概率重要度。

对于上述故障树而言，基本事件Xi取1时顶事件概率值与基本事件Xi取0值时顶事件概率值之差即为概率重要度[10]。

求解故障树的概率重要度首先要求解基本事件Xi的区间概率重要度ΔP(i):

式中：Pi(T,Γ)表示基本事件Xi的故障概率取1值时顶事件T的故障概率区间；Pi(T,Γ′)表示基本事件Xi的故障概率取0值时顶事件T的故障概率区间。

取基本事件Xi区间概率重要度的上限作为评判依据，故基本事件Xi的概率重要度ΔP(Z)为：

基本事件Xi的可靠性数据不为区间值时，求得基本事件Xi区间概率重要度的下限与上限相同，即ΔP(L)=ΔP(U)。此时，基于区间凸集的传统故障树概率重要度退化为基于随机模型的传统故障树概率重要度。

(2) 关键重要度。

关键重要度反映基本事件的故障概率变化率引起顶事件故障概率的变化率，其主要被应用在识别故障树中影响顶事件发生的关键部件[11]。

针对上述故障树，其关键重要度与基本事件Xi的区间关键重要度ΔC(C)及概率重要度ΔP(C)有关：

式中，ΗI(L)、ΗI(U)、ΗT(L)、ΗT(U)分别表示基本事件Xi(i=1,2,…,14)与顶事件T的可靠度区间。

取基本事件Xi区间关键重要度的上限作为评判依据，故基本事件Xi的关键重要度ΔC(Z)为：

同样地，当基本事件Xi的可靠性数据不为区间值时，基于区间凸集的传统故障树关键重要度退化为基于随机模型的传统故障树关键重要度。

在执行故障树分析的过程中，本研究采用了一种自上而下的推理策略，这一策略利用概率重要度与关键重要度的理论，为平道闭锁器故障分析及其故障解决策略提供了坚实的理论支撑。

事实上，平道闭锁器的故障基本事件应该在大量使用过程中记录相应的数据，可以确定基本事件的可能概率范围，就能够评估每个基本事件对系统性能的具体影响，以及这些影响是如何通过相互作用和累积效应导致系统最终失效的。通过这种分析方法，能够量化引发系统故障的原因，从而形成对故障模式的深刻理解。

4、平道闭锁器试验方案

在进行试验前，考察了湖南某煤矿采用的抱轨式跑车防护装置。该矿山工人反映实际运行过程中该斜井防跑车装置在制动时存在不灵敏、制动距离过长，且经常需要使用专业工具进行人工复位的问题。因此，在采用上述平道闭锁器的基础上，为确保其在实际应用中的可靠性与稳定性，避免出现上述情况，制定了一系列的试验方案。试验前，对闭锁器进行了彻底检查，确保所有部件装配无误，润滑良好，无任何可见损伤或磨损。同时，准备了必要的测量工具和数据记录设备，以便于精确捕捉试验数据。试验过程和分析如下。

(1) 现场测试环境的选择。

试验选择了一个10°的温和斜坡和一个30°的陡峭斜坡进行现场测试，试验过程在斜井与平道全段同时进行，以便全方位模拟闭锁器在不同倾斜环境下的工作情况。

(2) 性能指标的选择。

根据闭锁器的工作原理和功能要求，明确了若干关键性能指标作为评估准则，具体包括启动反应时间、锁定能力、解锁效率、制动后的下滑距离以及系统响应时间等。

(3) 试验条件设定。

在试验中，设定了箕斗的提升速度为10.1 m/s, 并在负载达到15.2 t的条件下进行测试。这一条件的设置是基于实际矿山作业的典型工况，作为对比，原斜井跑车防护装置与该平道闭锁器都被纳入考虑中，在相同的条件下进行试验。以确保测试结果的实用性和参考价值。

(4) 试验数据的采集。

使用记录仪、传感器等测量时间和位移等参数。两种斜井防跑车装置的试验数据分别见表2、表3。

表2 原斜井防跑车装置试验过程数据

表3 平道闭锁器试验过程数据

通过反复的现场测试，所研制的新型平道闭锁器在各种斜坡条件下均展现出了良好的机械性能。无论是在机构动作的正常性、迅速的响应时间，还是在整个测试过程中零故障的记录上，并且无需专业的工具进行复位，充分证明了所设计的闭锁器的高效性和可靠性。相比原斜井防跑车装置，本装置有效提升了灵敏度，缩短了制动距离，运输效率也得到了大幅提升。然而，值得注意的是，耐久性仍需闭锁器在矿山生产中长期运行的大量样本进行验证，并结合前述式(3)至式(6)进行深入分析以进一步优化。

随着设备在现场的持续部署和长期数据的积累，将进一步对闭锁器进行持续监控和评估，以确保其能不断满足和超越矿山作业的要求。最终，通过不断迭代和改进，以期实现对平道闭锁器技术的完善。

5、结论

(1) 本研究设计了一种新型平道闭锁器。该闭锁器是用于斜井提升容器的防跑车安全装置。通过对该平道闭锁器工作原理的深入分析，丰富了矿井提升系统安全技术的理论体系，而且为实际应用提供了切实可行的解决方案。

(2) 在故障分析方面，本研究采用了故障树分析方法，对平道闭锁器潜在的故障模式进行了系统的定性与定量研究。通过这一过程，构建了一个全面的评价框架，各子事件的概率重要度与关键重要度能够有效识别和预测可能的故障点，从而为提前采取预防措施和故障处理提供了科学的依据。

(3) 在试验验证环节中，本研究确立了平道闭锁器的关键性能指标，并通过一系列严格的测试证实了其设计的有效性。这些试验结果不仅证明了平道闭锁器在理论上的正确性，也解决了试验矿山斜井防跑车装置动作不灵敏、制动距离过长的问题，展示了其在实践中的可行性与可靠性。

当然本研究也存在一定的局限性。例如，试验条件可能无法完全模拟实际工作环境中的极端情况，因此对于平道闭锁器在更广泛工况下的性能尚需进一步的研究与验证。此外，随着矿井作业环境的不断变化以及新技术的不断涌现，未来研究应关注于平道闭锁器的持续改进与技术创新。

为了解决这些问题并推动该领域的发展，后续研究可以重点关注以下3个方向：一是拓展试验条件，以更好地模拟和理解平道闭锁器在复杂多变环境中的工作状态；二是结合新材料、新工艺对现有设计进行优化，以提高其耐用性和适应性；三是探索智能化诊断和远程监控系统，以实现平道闭锁器状态的实时监控和预警功能。

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基金资助:湖南省重点领域研发计划项目(2022SK2092);

文章来源:陈淼,周建,周昱勋,等.基于斜井提升容器防跑车装置的平道闭锁器的研究与分析[J].矿业研究与开发,2024,44(08):214-221.