煤礦提升絞車新型制動(dòng)裝置研究

趙 鑫

（陽(yáng)煤集團(tuán)五礦，山西 平定045209）

引言

目前，盤式制動(dòng)器常被應(yīng)用于提升絞車中，由于容易出現(xiàn)閘瓦磨損和力矩不足的問(wèn)題，使得制動(dòng)性能急劇下降，甚至失去制動(dòng)效果。因此，應(yīng)用一種增壓制動(dòng)裝置，可以有效解決提升絞車體積較大、質(zhì)量較重等問(wèn)題。

1 增壓制動(dòng)器介紹

1.1 結(jié)構(gòu)

盤式制動(dòng)器通過(guò)閘瓦與制動(dòng)盤之間相互摩擦，產(chǎn)生摩擦力作用使得制動(dòng)盤減速至停止?fàn)顟B(tài)，實(shí)現(xiàn)對(duì)提升絞車的制動(dòng)效應(yīng)，但是此過(guò)程會(huì)造成閘瓦的磨損。當(dāng)閘瓦的磨損程度超過(guò)一定界限的時(shí)候，會(huì)使得閘瓦與制動(dòng)盤之間的間隙越來(lái)越大，最后失去了制動(dòng)的效果。

增壓制動(dòng)器是基于鼓式制動(dòng)器設(shè)計(jì)的一種增壓式制動(dòng)裝置，主要的制動(dòng)形式為內(nèi)張式，整體設(shè)計(jì)緊湊，采用常閉式設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)在不進(jìn)行工作的時(shí)候卷筒被抱閘的，整體結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示[1-2]。

圖1 增壓制動(dòng)器整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)示意圖

由圖1可知，新型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以解決現(xiàn)有結(jié)構(gòu)卷筒體積較大的問(wèn)題，將制動(dòng)盤與卷筒結(jié)合成一體，減小整體體積，使結(jié)構(gòu)更為緊湊。

1.2 安裝工藝

增壓制動(dòng)器將卷筒安裝在兩側(cè)，并在左側(cè)使得制動(dòng)盤與擋繩板結(jié)合成一體，制動(dòng)鼓在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中的每處角速度都相同，使制動(dòng)盤的制動(dòng)效應(yīng)均勻分布，從而避免由于每處制動(dòng)阻力不同而造成的閘瓦的磨損加大[3-4]。增壓制動(dòng)器與原有結(jié)構(gòu)的安裝工藝大致相同，通過(guò)連軸器與軸承對(duì)旋轉(zhuǎn)部件進(jìn)行連接，采用斜楔塊實(shí)現(xiàn)導(dǎo)向功能，這樣的設(shè)計(jì)會(huì)使得整體結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性較好并且振動(dòng)幅度較小。整體安裝結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

圖2 增壓制動(dòng)器安裝工藝圖

1.3 主要參數(shù)

增壓制動(dòng)器根據(jù)實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)工況條件設(shè)計(jì)，滿足實(shí)際工作強(qiáng)度、性能需要，設(shè)計(jì)出工作參數(shù)如下：

提升絞車卷筒直徑為1 300 mm，最大靜力偏差值為19.6 kN，閘瓦與制動(dòng)盤的摩擦系數(shù)為0.45，制動(dòng)鼓摩擦直徑為1 600 mm，最大靜態(tài)制動(dòng)力矩為45 kN·m，增壓制動(dòng)器額定正向壓力為15 000 N。

2 有限元仿真模型建立及參數(shù)設(shè)定

2.1 理想狀態(tài)假設(shè)

為了提高數(shù)值模擬分析的效率和精確性對(duì)增壓制動(dòng)裝置的有限元模型提出以下假設(shè)：忽略制動(dòng)過(guò)程中的噪聲干擾，考慮將運(yùn)行機(jī)械的動(dòng)能全部轉(zhuǎn)化為熱能，以極限狀態(tài)考慮摩擦副的工作性能；將提升過(guò)程全程考慮為均勻減速運(yùn)動(dòng)，減速度值不變；對(duì)制動(dòng)鼓和閘瓦的材料進(jìn)行假設(shè)，忽略其中材料雜質(zhì)，將閘瓦和制動(dòng)鼓的材料假設(shè)為各項(xiàng)同性材料；制動(dòng)鼓所輸出的制動(dòng)率考慮為恒定值，不發(fā)生制動(dòng)力數(shù)值波動(dòng)變化并且與閘瓦屬于全面積接觸。

2.2 材料參數(shù)

制動(dòng)鼓和閘瓦的彈性模量分別為2.12×1011N·m-2和1.3×109N·m-2；泊松比分別為0.25和0.35；熱膨脹系數(shù)分別為1.28×10-5K-1和3×10-5K-1，密度大小與實(shí)際情況相符，同時(shí)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)閘瓦襯板的材料進(jìn)行參數(shù)設(shè)置。由于進(jìn)行溫度場(chǎng)分析對(duì)于導(dǎo)熱系數(shù)的數(shù)值敏感性較強(qiáng)，對(duì)制動(dòng)鼓、閘瓦、閘瓦襯板的導(dǎo)熱系數(shù)分別設(shè)置為53.2 W/（m·K）、1.76 W/（m·K）、16.3 W/（m·K）。

閘瓦材料應(yīng)穩(wěn)定可靠，具有摩擦系數(shù)不變的特性，在受到外界載荷作用力和溫度變化的情況下，摩擦系數(shù)也能保持與最初狀態(tài)一致，確保制動(dòng)性能。此外，閘瓦應(yīng)選用常規(guī)材料種類要求成本較低和加工工藝簡(jiǎn)單，降低人工更換成本，減小對(duì)制動(dòng)鼓的損傷面積。

2.3 模型建立

按照實(shí)際尺寸1∶1比例的模型大小建立起閘瓦、制動(dòng)鼓等部件的有限元仿真模型，采用50 mm×50 mm的網(wǎng)格大小進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)致劃分，每個(gè)單元體采用SOLID45網(wǎng)格單元類型，具有六面體4節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)格形式，對(duì)兩者之間接觸產(chǎn)生的溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行分析計(jì)算。由于主要計(jì)算的是增壓制動(dòng)裝置的局部結(jié)構(gòu)，為提升仿真計(jì)算的效率，去除零碎部件，提高整體仿真計(jì)算結(jié)果的精確性，仿真計(jì)算網(wǎng)格模型圖如圖3所示[5]。

圖3 增壓制動(dòng)裝置仿真計(jì)算結(jié)構(gòu)示意圖

2.4 載荷參數(shù)設(shè)置

在閘瓦與制動(dòng)骨接觸位置施加正壓力大小為18 MPa的應(yīng)力值，并且設(shè)置在0.002 s時(shí)間內(nèi)達(dá)到最大值，與實(shí)際制動(dòng)過(guò)程時(shí)間相符。設(shè)置環(huán)境溫度為25℃，對(duì)閘瓦與制動(dòng)鼓約束x軸與y軸的自由度，并對(duì)相關(guān)不受力部件設(shè)置為剛體材料。

3 仿真結(jié)果分析

由圖4可以得出，當(dāng)制動(dòng)器在工作以后制動(dòng)鼓的表面上的溫度分布并不均勻，而且當(dāng)制動(dòng)器在工作的過(guò)程中，閘瓦和制動(dòng)鼓接觸區(qū)域的部分附近的溫度是最高的，并且溫度達(dá)到71℃左右。而在其他的時(shí)候高溫區(qū)域主要出現(xiàn)在制動(dòng)鼓離開(kāi)閘瓦接觸面的位置上。溫度在剛開(kāi)始的時(shí)候變化較快，而在后來(lái)其溫度上升的幅度開(kāi)始減小。這主要是因?yàn)樵趧傞_(kāi)始的時(shí)候制動(dòng)鼓的外表面溫度較低，并且只有當(dāng)制動(dòng)鼓的溫度高于周圍環(huán)境的溫度時(shí)，制動(dòng)鼓的溫度才能在其表面進(jìn)行對(duì)流散熱。并且熱量的傳遞在制動(dòng)鼓中的傳播是需要一定的時(shí)間的。從整個(gè)過(guò)程分析可以得出增加制動(dòng)器，在制動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生的溫度符合實(shí)際工作安全方面的規(guī)定，相比于原始結(jié)構(gòu)在溫度數(shù)值下降為23.1%，有效地提高了閘瓦材料的使用壽命。

圖4 閘瓦與制動(dòng)鼓接觸面溫度場(chǎng)（℃）分布圖

此外，分析閘瓦與制動(dòng)鼓接觸面的應(yīng)力狀態(tài)，下頁(yè)圖5為當(dāng)制動(dòng)器穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)制動(dòng)鼓和閘瓦的等效應(yīng)力分布圖。從圖5中可以看出制動(dòng)鼓的應(yīng)力分布狀況很均勻，也可以看到最大應(yīng)力出現(xiàn)的位置。最大應(yīng)力出現(xiàn)在的原因是其運(yùn)動(dòng)的過(guò)程主要靠位移的變化來(lái)實(shí)現(xiàn)的[6]。雖然在連接處會(huì)最大值的應(yīng)力數(shù)值。但是最大應(yīng)力值為704 MPa，遠(yuǎn)小于材料的安全最大應(yīng)力數(shù)值質(zhì)，并不影響整個(gè)制動(dòng)鼓的應(yīng)力情況，由圖5應(yīng)力狀態(tài)圖形可以看到制動(dòng)鼓的表面上應(yīng)力是可以承受的。

4 結(jié)語(yǔ)

增壓制動(dòng)裝置可以提高制動(dòng)裝置的工作力矩并通過(guò)增設(shè)增壓油缸的方式避免當(dāng)閘瓦失效后的安全問(wèn)題，提高了提升絞車的安全可靠性。增壓制動(dòng)裝置通過(guò)高壓油缸和閘瓦聯(lián)合對(duì)制動(dòng)盤進(jìn)行制動(dòng)動(dòng)作，減輕了閘瓦的工作強(qiáng)度，提高了閘瓦的工作壽命，避免了頻繁更換閘瓦的情況出現(xiàn)，減小了使用成本并節(jié)約了人力、材料和機(jī)具使用的費(fèi)用。研究成果為礦井相關(guān)安全制動(dòng)裝置設(shè)備研發(fā)、設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。

圖5 閘瓦與制動(dòng)鼓接觸面應(yīng)力場(chǎng)分布圖