提升機(jī)制動(dòng)器的失效分析與改進(jìn)設(shè)計(jì)

李國帥

（山西寧武大運(yùn)華盛南溝煤業(yè)有限公司， 山西 寧武 036700）

引言

綜采工作面的生產(chǎn)效率與其所采用的采煤技術(shù)、采煤工藝以及采煤設(shè)備的自動(dòng)化程度和可靠性密切相關(guān)。就工作面煤炭運(yùn)輸而言，主要以帶式輸送、礦用電機(jī)車提升機(jī)等設(shè)備為主。其中，提升機(jī)主要應(yīng)用于立井工作面中，其承擔(dān)著煤炭、煤矸石、作業(yè)人員以及其余設(shè)備的運(yùn)輸任務(wù)。目前，變頻調(diào)速技術(shù)在提升機(jī)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用已大幅度提升了設(shè)備的運(yùn)輸效率和節(jié)能效果。經(jīng)實(shí)踐表明，實(shí)際生產(chǎn)過程中提升機(jī)出現(xiàn)故障大部分是由于其制動(dòng)效果不佳所導(dǎo)致的，而且其中由于設(shè)備制動(dòng)器的性能不佳導(dǎo)致其制動(dòng)效果不佳所占比例較高[1]。因此，為進(jìn)一步提升提升機(jī)設(shè)備的可靠性可從改善其制動(dòng)器性能入手。

1 提升機(jī)制動(dòng)器概述

1.1 提升機(jī)制動(dòng)器現(xiàn)狀分析

制動(dòng)器為提升機(jī)制動(dòng)必不可少的零部件，其是提升機(jī)最后一道安全保障。因此，制動(dòng)器產(chǎn)品的質(zhì)量和可靠性尤為重要。一般的，制動(dòng)器由執(zhí)行裝置和傳動(dòng)裝置組成。其中，執(zhí)行裝置為直接作用于提升機(jī)滾筒制動(dòng)輪和制動(dòng)盤的機(jī)構(gòu)；傳動(dòng)裝置是為執(zhí)行裝置提供制動(dòng)力矩的機(jī)構(gòu)[2]。

提升機(jī)制動(dòng)器由典型的徑向制動(dòng)器已發(fā)展為當(dāng)前的盤式制動(dòng)器，且盤式制動(dòng)器由于其制動(dòng)力矩較大、調(diào)節(jié)范圍小、制動(dòng)形成小、可靠性高以及通用性好被廣泛應(yīng)用于當(dāng)前提升機(jī)制動(dòng)的控制系統(tǒng)中。盤式制動(dòng)器結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.2 制動(dòng)器失效分析

經(jīng)統(tǒng)計(jì)研究可知，實(shí)際生產(chǎn)過程中導(dǎo)致提升機(jī)出現(xiàn)滑動(dòng)、墩罐、過卷以及斷繩等事故的主要原因均與其制動(dòng)器相關(guān)，其失效的具體原因?yàn)橹苿?dòng)器不能確保在提升任務(wù)結(jié)束后閘住提升機(jī)（不能施閘），而且制動(dòng)器不能保證在緊急或者突發(fā)情況時(shí)安全制動(dòng)。

其中，導(dǎo)致提升機(jī)制動(dòng)器不開閘的原因包括有油溫過高、液壓站出現(xiàn)事故等；導(dǎo)致提升機(jī)制動(dòng)器制動(dòng)力矩不足的原因包括有制動(dòng)器正壓力不足、接觸面不足、摩擦系數(shù)下降等，且制動(dòng)器的結(jié)構(gòu)存在缺陷和熱疲勞導(dǎo)致機(jī)構(gòu)接觸面不足，閘瓦間隙過大、彈簧事故、卡缸以及無法回油等現(xiàn)象是導(dǎo)致制動(dòng)器正壓力不足的主要原因，閘瓦污染和閘瓦過熱是導(dǎo)致其摩擦系數(shù)下降的主要原因[3]。

綜合分析，導(dǎo)致提升機(jī)制動(dòng)器失效的主要原因?yàn)槠浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上存在缺陷所導(dǎo)致的。因此，本文著重對提升機(jī)制動(dòng)器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)。

圖1 盤式制動(dòng)器結(jié)構(gòu)示意圖

2 提升機(jī)制動(dòng)器失效形式的確定

通過對提升機(jī)制動(dòng)失效形式和失效原因分析可知，制動(dòng)器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理為導(dǎo)致其失效的原因之一，但不能具體確定制動(dòng)器失效的具體位置[4]。因此，本文將基于SolidWroks軟件搭建制動(dòng)器的三維模型，并基于ANSYS對根據(jù)某型制動(dòng)器的設(shè)計(jì)參數(shù)和工作狀態(tài)對其支座和閘體進(jìn)行有限元分析，得出其兩處失效的具體形式和原因。

2.1 制動(dòng)器支座的有限元分析

根據(jù)該型號提升機(jī)制動(dòng)器的設(shè)計(jì)參數(shù)對模型中支座的材料參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，設(shè)置結(jié)果如表1所示。

表1 優(yōu)化前制動(dòng)器支座材料參數(shù)設(shè)置

完成參數(shù)設(shè)置和網(wǎng)格劃分后對提升機(jī)在提升制動(dòng)和下放制動(dòng)兩種工況下支座進(jìn)行有限元分析。有限元分析結(jié)果如表2所示。

表2 優(yōu)化前制動(dòng)器支座有限元分析結(jié)果

經(jīng)仿真分析可知，優(yōu)化前提升機(jī)制動(dòng)器支座的最大應(yīng)力均遠(yuǎn)小于其屈服強(qiáng)度，可滿足實(shí)際生產(chǎn)的需求。但支座的最大變形為0.21 mm，存在一定的安全隱患。因此，需對支座的變形大的問題進(jìn)行改進(jìn)。

2.2 制動(dòng)器閘體的有限元分析

根據(jù)該型號提升機(jī)制動(dòng)器的設(shè)計(jì)參數(shù)對模型中閘體的材料參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，設(shè)置結(jié)果如表3所示。

表3 優(yōu)化前制動(dòng)器閘體材料參數(shù)設(shè)置

完成參數(shù)設(shè)置和網(wǎng)格劃分后對提升機(jī)在提升制動(dòng)和下放制動(dòng)兩種工況下閘體進(jìn)行有限元分析。有限元分析結(jié)果如表4所示。

表4 優(yōu)化前制動(dòng)器閘體有限元分析結(jié)果

經(jīng)仿真分析可知，優(yōu)化前提升機(jī)制動(dòng)器閘體的最大應(yīng)力均遠(yuǎn)小于其屈服強(qiáng)度，可滿足實(shí)際生產(chǎn)的需求。但閘體的最大變形為3.5 mm，存在一定的安全隱患。因此，需對閘體的變形大的問題進(jìn)行改進(jìn)。

3 制動(dòng)器的改進(jìn)設(shè)計(jì)

針對上述分析結(jié)果支座和閘體在制動(dòng)過程中變形較大的問題，本文將制動(dòng)器油缸后置，同時(shí)為制動(dòng)器增設(shè)各種保護(hù)裝置以進(jìn)一步提升其可靠性和安全性，具體保護(hù)裝置包括有閘瓦的磨損保護(hù)、閘瓦間隙保護(hù)以及碟簧的疲勞保護(hù)等[5]。此外，還為制動(dòng)器油缸增設(shè)了相應(yīng)的排氣機(jī)構(gòu)，以避免油缸內(nèi)部腐蝕嚴(yán)重。改進(jìn)后制動(dòng)器的相關(guān)參數(shù)如表5所示。

表5 改進(jìn)后制動(dòng)器的相關(guān)參數(shù)

此外，由于制動(dòng)器內(nèi)部活塞、蝶型彈簧等進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計(jì)，其對應(yīng)的外部結(jié)構(gòu)的尺寸也發(fā)生了對應(yīng)的變化，此處不再對其改進(jìn)后制動(dòng)器外部結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行說明。

為驗(yàn)證優(yōu)化改進(jìn)后制動(dòng)器的支座和其閘體變形是否得到改善，同樣基于SolidWorks搭建優(yōu)化后制動(dòng)器的三維模型，并采用ANSYS對其優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析。結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的有限元仿真結(jié)果如下：制動(dòng)器支座在提升制動(dòng)和下放制動(dòng)工況下的最大應(yīng)力值均得到改善。其中，提升制動(dòng)工況下的最大應(yīng)力值為45 MPa，最大變形為0.15 mm；下放制動(dòng)工況下最大應(yīng)力值為43 MPa，最大變形量為0.14 mm。

制動(dòng)器閘體在提升制動(dòng)和下放制動(dòng)工況下的最大應(yīng)力值均得到改善。其中，提升制動(dòng)工況下的最大應(yīng)力值為79 MPa，最大變形為1.3 mm；下放制動(dòng)工況下最大應(yīng)力值為81 MPa，最大變形量為1.5 mm。

4 結(jié)語

提升機(jī)作為綜采工作面的主要運(yùn)輸設(shè)備，其制動(dòng)性能直接決定提升機(jī)的安全性，進(jìn)而影響著綜采工作面的產(chǎn)煤效率。制動(dòng)器作為提升機(jī)制動(dòng)系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，由于其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面存在缺陷導(dǎo)致其支座和閘體的變形量較大。因此，采用將制動(dòng)器油缸后置，并對其蝶型彈簧和活塞面積進(jìn)行改進(jìn)。經(jīng)仿真可知，改進(jìn)后制動(dòng)器在提升和下放工況下的最大變形量得到明顯改善，為確保提升機(jī)的制動(dòng)性能奠定基礎(chǔ)。