立井提升机断绳坠罐事故脱罐式矿工安全保护装置及方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种矿工安全保护装置，尤其是一种适用于立井提升机的断绳坠罐事故矿工安全保护装置。
【背景技术】
[0002]煤炭是我国的主导能源，而立井提升是我国煤矿生产的主导形式。立井提升机担负提升煤炭矸石、下放材料、升降人员和设备的重要任务，是煤矿井下与地面的连接枢纽。作为一种在深井中运行的集机电液于一体的大型重载高速提升设备，严苛的承载需求、时变的运行环境、复杂的地质条件等不利因素导致提升机各构件易于发生故障，致使蹲罐、过卷等恶性事故时有发生，严重时会导致断绳坠罐重大恶性事故，对罐笼中矿工的生命安全构成重大威胁。
[0003]针对断绳坠罐事故的防护，目前主要采用制动钳结合制动绳的方式，在主提升绳断开时，将罐笼锁止在制动绳上，而缺乏对罐笼中矿工的直接保护。由于罐笼属于重型设备，且随着生产的需要，制造的尺寸越来越大，自重也越来越重，给依赖制动钳进行断绳制动带来了极大的风险。特别是当罐笼下放速度过快，或者高速过卷后反冲，制动钳难以可靠制动重型罐笼。发生断绳坠罐时，当制动钳能够自主制停时，罐笼的减速度会较大，易于造成矿工碰撞到罐笼的金属侧壁或摔倒，导致矿工碰伤或摔伤；当制动钳不可自主制停时，重型罐笼会在井道里不断加速，猛烈撞击到井道底部，而罐笼内部有限的空间不能给予矿工充分的缓冲距离和缓冲力，造成矿工胸腹腔脏器、脊椎等脆弱部位以及腿部承受极大的坠落冲击，导致矿工重伤甚至危及生命。而目前针对罐笼中矿工的直接保护装置的研究较少。
【发明内容】
[0004]技术问题:本发明的目的是克服已有技术中的不足之处，提供一种结构简单，兼具可靠性和便捷性的立井提升机断绳坠罐事故矿工安全保护装置。
[0005]技术方案:本发明的立井提升机断绳坠罐事故脱罐式矿工安全保护装置，包括锁罐脱罐装置、顶板、液压缸、电磁比例溢流阀、卷收器、安全绳、安全带、位移传感器、速度传感器、钢丝绳张力传感器和信号处理器；所述锁罐脱罐装置对称布置在罐笼的两侧面上，所述顶板设在罐笼内的顶部，所述的液压缸设在顶板上，所述电磁比例溢流阀连接在液压缸上，所述卷收器的缓冲带上部与液压缸的活塞杆相连，下部与安全绳的一端连接，安全绳的另一端与安全带相连，所述位移传感器、速度传感器和信号处理器安装在顶板的下方，所述钢丝绳张力传感器安装在主提升绳的底部，所述位移传感器、速度传感器、钢丝绳张力传感器、锁罐脱罐装置和电磁比例溢流阀分别与信号处理器相连。
[0006]所述的锁罐脱罐装置包括水平伸缩器、长摆杆、销轴、以及多套沿上部罐笼与下部罐笼结合缝平行布置的斜向伸缩器、半圆形卡槽、滚动轴承和支座；所述半圆形卡槽设在靠近上部罐笼的下底边，半圆形卡槽上设有向下倾斜的过渡弧；所述斜向伸缩器的伸缩臂上设有可与半圆形卡槽拼接成圆环的弧形块，所述长摆杆安装在销轴上，长摆杆的另一端设有水平伸缩器，所述支座安装在靠近下部罐笼的上顶边，支座上安装有滚动轴承，所述半圆形卡槽、斜向伸缩器的伸缩臂弧形块、滚动轴承的外径相同。
[0007]所述的液压缸、电磁比例溢流阀和卷收器成套安装，其数量和安装在顶板下方的位置依据罐笼中容纳矿工的数量和站立的位置确定。
[0008]所述的卷收器为摆锤式卷收器，摆锤式卷收器包括卷轴、设在卷轴端面上的平面涡卷弹簧，卷轴和平面涡卷弹簧同轴安装，卷轴上缠绕有缓冲带，卷轴的两端面设有棘轮，卷轴的侧面沿竖直方向设有与棘轮相配合的棘爪，棘爪经摆杆连接有加重摆锤，加重摆锤在惯性作用下向下摆动，带动摆杆和棘爪摆动，棘爪卡住卷轴的棘轮进行止锁。
[0009]所述的液压缸为单作用缸。
[0010]所述的安全带采用全身式安全带，全身式安全带包括肩带和腿带，肩带和腿带之间连接有矿工用的腰带，肩带的背部经伸缩卡扣与安全绳相连接。
[0011]上述装置的立井提升机断绳坠罐事故脱罐式矿工安全保护方法，包括如下步骤:
[0012]a、将锁罐脱罐装置安装在罐笼的两侧面，下部罐笼的滚动轴承嵌入上部罐笼的半圆形卡槽中，斜向伸缩器伸出，斜向伸缩器的伸缩臂和半圆形卡槽共同夹持滚动轴承，使上部罐笼与下部罐笼紧密啮合，并锁在一起，以抵御罐笼在工作过程中的水平和垂直方向的冲击；
[0013]b、将顶板安装在罐笼内壁上方，将液压缸铰接安装在顶板的下方，并与电磁比例溢流阀相连接，将卷收器的缓冲带连接到液压缸的活塞杆上，并将位移传感器、速度传感器和信号处理器安装在顶板的下方，将钢丝绳张力传感器安装在主提升绳的底端，经导线将位移传感器、速度传感器、钢丝绳张力传感器、锁罐脱罐装置和电磁比例溢流阀与信号处理器相连接；
[0014]C、矿工穿戴好安全带进入罐笼内后，将矿工背部的安全绳连接到卷收器下部尾端，随后按相应的液压缸中轴线正下方站立，在卷收器的平面涡卷弹簧的卷收力作用下，缓冲带、安全绳、安全带被收紧；
[0015]d、信号处理器通过位移传感器和速度传感器分别采集罐笼在井道中的高度H和运行速度V，通过钢丝绳张力传感器检测主提升绳的张力F ;
[0016]e、罐笼下放时，当检测到主提升绳的张力F瞬时减少到几乎为零，则判定发生断绳坠罐事故，此时信号处理器持续记录罐笼的坠罐高度H'和坠罐速度V';
[0017]当检测到罐笼坠罐速度V逐步减少，则判定为自主制停坠罐事故，罐笼沿罐道绳减速下滑，制动钳和制动绳开始制动，最终罐笼在制动钳和制动绳的共同作用下制停，锁止在制动绳上，在此过程中:罐笼的制动减速度小，锁罐脱罐装置不脱罐，卷收器的加重摆锤由于惯性向下摆动，带动摆杆和棘爪摆动，棘爪卡住卷轴的棘轮，使卷收器处于锁止状态，缓冲带不能继续从卷收器抽出，低速下冲的矿工在安全带的作用下，安全绳、缓冲带拉动液压缸活塞杆，这时由于液压缸有杆腔油压达不到电磁比例溢流阀的溢流压力，因而液压缸活塞杆不会被拉出，从而使矿工始终保持稳定的站立姿态，有效防止自主制停坠罐造成矿工的碰伤和摔伤；
[0018]当检测到罐笼的坠罐速度V逐步增大，则判定为不可自主制停坠罐事故，制动钳和制动绳设备因罐笼重量大和惯性冲击因素难以实施有效制停，此时罐笼沿罐道绳开始加速下滑，当判定罐笼坠罐速度V'的增长趋势没有逆转，且超出罐笼可允许的极限下坠速度，即超出罐笼匀速段速度的1.5倍时，启动脱罐逃逸流程，在此过程中:信号处理器依据此时罐笼的坠罐速度V和坠罐高度W，参考矿工安全缓冲最大减速度a，计算得出液压缸需要提供的制动油压P，即电磁比例溢流阀的溢流油压:
[0019]P = mXa/s
[0020]其中，m为矿工的预设体重，s为液压缸小腔的油压作用面积，通过信号处理器调定电磁比例溢流阀的溢流油压，锁罐脱罐装置启动脱罐，首先，斜向伸缩器的伸缩臂收回，然后，水平伸缩器的伸缩臂伸出，推动长摆杆以销轴为轴心摆动，进而推动滚动轴承沿水平方向从半圆形卡槽中脱出，并沿其过渡弧逐步脱离上部罐笼，由于过渡弧向下倾斜，下部罐笼的重力会自主加剧滚动轴承沿过渡弧的脱离，促使多个滚动轴承同步脱离，使上部罐笼与下部罐笼平稳脱离，下部罐笼在自重的作用下，沿罐道绳坠落到井底，上部罐笼由于负重的极大减小，制动钳和制动绳能够提供充分的制动力，从而逐渐减速直到锁止在制动绳上，同时卷收器的加重摆锤由于惯性向下摆动，带动摆杆和棘爪摆动，棘爪卡