帶式輸送機(jī)盤(pán)式制動(dòng)器的仿真分析

衛(wèi)亞龍

（陽(yáng)泉華鑫采礦運(yùn)輸設(shè)備有限公司， 山西 陽(yáng)泉 045299）

引言

帶式輸送機(jī)為煤礦生產(chǎn)的主要運(yùn)輸設(shè)備，隨著工作面的開(kāi)采和采煤工藝的進(jìn)步，帶式輸送機(jī)將朝著大運(yùn)量、長(zhǎng)距離以及高運(yùn)速的方向發(fā)展，可見(jiàn)帶式輸送機(jī)在煤礦生產(chǎn)中的重要作用。尤其是帶式輸送機(jī)制動(dòng)器的有效性直接決定其運(yùn)行的安全性。目前，應(yīng)用于帶式輸送機(jī)的制動(dòng)器包括有塊式制動(dòng)器、盤(pán)式制動(dòng)器、液力制動(dòng)器以及液壓調(diào)壓制動(dòng)器四種，其中盤(pán)式制動(dòng)器由于安全性、可靠性高被廣泛應(yīng)用[1]。但是，在實(shí)際應(yīng)用中盤(pán)式制動(dòng)系統(tǒng)較復(fù)雜，尤其是保壓功能存在缺陷。為此，本文對(duì)盤(pán)式制動(dòng)器的液壓系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，并對(duì)效果進(jìn)行仿真分析。

1 帶式輸送機(jī)盤(pán)式液壓制動(dòng)系統(tǒng)研究

鑒于傳統(tǒng)帶式輸送機(jī)盤(pán)式制動(dòng)裝置液壓系統(tǒng)保壓功能存在缺陷，本文創(chuàng)新設(shè)計(jì)出可保證在油泵的工作間隙實(shí)現(xiàn)保壓的液壓系統(tǒng)。本小節(jié)重點(diǎn)對(duì)盤(pán)式液壓制動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行研究。

1.1 盤(pán)式制動(dòng)裝置組成工作原理研究

盤(pán)式制動(dòng)裝置屬于集中機(jī)械、液壓以及電氣為一體的產(chǎn)品，從系統(tǒng)組成可將其分為機(jī)械制動(dòng)分析、液壓制動(dòng)分系統(tǒng)以及電氣控制分系統(tǒng)三類。其中，機(jī)械制動(dòng)分系統(tǒng)主要包括有制動(dòng)盤(pán)、盤(pán)式制動(dòng)器以及底座等，蝶形彈簧為制動(dòng)器的關(guān)鍵器件。液壓制動(dòng)分系統(tǒng)主要作用是基于系統(tǒng)中的調(diào)壓閥、電液比例閥等液壓元器件對(duì)液壓油壓力進(jìn)行調(diào)節(jié)控制，從而達(dá)到對(duì)制動(dòng)力矩控制的目的，最終能夠根據(jù)工況完成帶式輸送機(jī)的制動(dòng)[2]。電氣控制系統(tǒng)基于PLC 控制器根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)傳感器所采集到的參數(shù)和實(shí)時(shí)工況進(jìn)行分析計(jì)算后得出控制指令，對(duì)相關(guān)的液壓元器件的開(kāi)啟、關(guān)閉以及開(kāi)口大小等進(jìn)行控制，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)液壓油壓的控制。

盤(pán)式制動(dòng)器作為制動(dòng)裝置的核心裝置，其結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 盤(pán)式制動(dòng)器結(jié)構(gòu)示意圖

如圖1 所示，盤(pán)式制動(dòng)器主要包括有蝶形彈簧、制動(dòng)閘瓦和制動(dòng)盤(pán)。其中，蝶形彈簧所提供的彈力可保證制動(dòng)盤(pán)與閘瓦之間存在間隙，保證帶式輸送機(jī)在非制動(dòng)狀態(tài)下正常工作；制動(dòng)盤(pán)與閘瓦依據(jù)所提供油壓的變化，增加二者之間的摩擦力，進(jìn)而根據(jù)工況提供不同的制動(dòng)力矩。根據(jù)帶式輸送機(jī)的實(shí)際工作需求，要求盤(pán)式制動(dòng)器可滿足帶式輸送機(jī)在空載停車、過(guò)載停車、事故停車、斷電停車以及超速制動(dòng)等工況下的制動(dòng)要求。

本文所研究盤(pán)式制動(dòng)器的型號(hào)為YZ-80，其可提供80 kN 的制動(dòng)壓力，最大工作油壓為7 MPa。

1.2 液壓制動(dòng)系統(tǒng)的改進(jìn)

目前，帶式輸送機(jī)盤(pán)式制動(dòng)裝置對(duì)應(yīng)液壓系統(tǒng)原理如下頁(yè)圖2 所示。

基于如下頁(yè)圖2 所示的液壓系統(tǒng)要求制動(dòng)盤(pán)與閘瓦松開(kāi)后還需保證電機(jī)一直工作才能夠保持松閘狀態(tài)，才能夠?qū)崿F(xiàn)液壓系統(tǒng)的保壓功能。因此，上述液壓系統(tǒng)容易導(dǎo)致電機(jī)運(yùn)行時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，從而縮短其使用壽命；同時(shí)，液壓油一直處于工作狀態(tài)，降低了制動(dòng)的安全性[3]。為解決上述問(wèn)題，在原液壓制動(dòng)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，并得出如圖3 所示的液壓制動(dòng)系統(tǒng)原理圖。

圖2 盤(pán)式制動(dòng)裝置現(xiàn)液壓原理圖

圖3 改進(jìn)后的液壓制動(dòng)系統(tǒng)原理圖

如圖3 所示，與原液壓制動(dòng)系統(tǒng)相比，改進(jìn)后的液壓制動(dòng)系統(tǒng)采用電液比例控制為核心技術(shù)，該技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)液壓油壓的平穩(wěn)控制，保證油壓的變化幅度較小，從而避免了油壓制動(dòng)力矩發(fā)生突變而導(dǎo)致事故的問(wèn)題。同時(shí)，基于電液比例控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)液壓制動(dòng)系統(tǒng)的自動(dòng)保壓功能，減小對(duì)電動(dòng)機(jī)的損耗，提升電動(dòng)機(jī)的使用壽命。

2 液壓制動(dòng)系統(tǒng)元器件選型

根據(jù)帶式輸送機(jī)實(shí)際工況和制動(dòng)需求，為圖3 的液壓制動(dòng)系統(tǒng)配置相應(yīng)的液壓動(dòng)力元件和輔助元件。

2.1 液壓動(dòng)力元件的選型

本系統(tǒng)的液壓動(dòng)力元件主要包括有電機(jī)和液壓泵。結(jié)合帶式輸送機(jī)的實(shí)際應(yīng)用要求，盤(pán)式制動(dòng)器對(duì)應(yīng)的最大工作壓力為7 MPa，考慮到液壓制動(dòng)系統(tǒng)中布置有調(diào)速閥且管路復(fù)雜的情況，液壓泵壓力計(jì)算時(shí)需考慮管路的壓力損失1.5 MPa。則液壓泵的工作壓力為8.5 MPa。

對(duì)于YZ-80 盤(pán)式制動(dòng)器而已，對(duì)應(yīng)液壓缸的工作面積為0.016 m2，活塞桿的行程為10 mm，則對(duì)應(yīng)單個(gè)閘瓦與制動(dòng)盤(pán)間隙達(dá)到最大時(shí)所需的液壓油的體積為0.16 L。YZ-80 盤(pán)式制動(dòng)器共包含有4 個(gè)液壓缸，對(duì)應(yīng)的松閘過(guò)程中所需的液壓油的最大體積為0.64 L。

根據(jù)《煤炭安全規(guī)程》的相關(guān)規(guī)定，要求盤(pán)式制動(dòng)器接到制動(dòng)指令后5 s 內(nèi)完成松閘動(dòng)作，則對(duì)應(yīng)的液壓泵提供的制動(dòng)流程為：0.64 L/5 s=7.68 L/min。

基于上述理論計(jì)算，最終確定選用齒輪泵為其液壓泵，具體型號(hào)為CBF-E16。

電動(dòng)機(jī)選型時(shí)，假定整個(gè)制動(dòng)過(guò)程對(duì)應(yīng)的負(fù)載和流量均處于穩(wěn)定狀態(tài)[4]；同時(shí)，考慮1.2 倍的系數(shù)，得出所需電動(dòng)機(jī)的功率為1.59 kW。結(jié)合《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》的電機(jī)類型及參數(shù)，確定電動(dòng)機(jī)的型號(hào)為YB100L1-4。

2.2 液壓輔助元件的選型

結(jié)合上述液壓動(dòng)力元件的選型結(jié)果，此處不一一列出輔助元件的選型計(jì)算過(guò)程，僅對(duì)輔助元件的選型結(jié)果進(jìn)行說(shuō)明，如表1 所示。

表1 液壓制動(dòng)系統(tǒng)輔助元件型號(hào)及關(guān)鍵參數(shù)

3 盤(pán)式制動(dòng)器仿真分析

為驗(yàn)證液壓制動(dòng)系統(tǒng)改進(jìn)后的制動(dòng)性能，本文基于AMESim 軟件對(duì)整個(gè)制動(dòng)過(guò)程進(jìn)行仿真分析[5]。仿真過(guò)程如下：當(dāng)閘瓦與制動(dòng)盤(pán)處于貼合狀態(tài)，即整個(gè)系統(tǒng)處于制動(dòng)狀態(tài)時(shí)，將液壓制動(dòng)系統(tǒng)的制動(dòng)油壓增加5 MPa 實(shí)現(xiàn)閘瓦與制動(dòng)盤(pán)的預(yù)貼合后，繼續(xù)增加制動(dòng)液壓油壓至7 MPa 實(shí)現(xiàn)制動(dòng)盤(pán)與閘瓦的完全分離。對(duì)上述過(guò)程閘瓦位移的響應(yīng)特性和系統(tǒng)進(jìn)口壓力進(jìn)行仿真分析，仿真結(jié)果如下頁(yè)圖4 所示。

如下頁(yè)圖4 所示，系統(tǒng)大約在5 s 左右進(jìn)口壓力達(dá)到最大的7 MPa，該項(xiàng)值滿足《煤炭安全規(guī)程》中盤(pán)式制動(dòng)器接到制動(dòng)指令5s 內(nèi)完成松閘動(dòng)作的要求；同時(shí)，當(dāng)進(jìn)口壓力達(dá)到7MPa，時(shí)刻為5s 時(shí)，閘瓦間隙為1mm，該項(xiàng)值同樣符合《煤炭安全規(guī)程》的要求。

圖4 仿真結(jié)果

4 結(jié)論

帶式輸送機(jī)為綜采工作面的主要運(yùn)輸設(shè)備，其制動(dòng)系統(tǒng)的性能直接決定煤礦生產(chǎn)的安全性和效率。盤(pán)式制動(dòng)器為當(dāng)前應(yīng)用最為廣泛的制動(dòng)裝置，為進(jìn)一步提升其制動(dòng)性能和帶式輸送機(jī)運(yùn)行的安全性，本文基于電液比例控制技術(shù)設(shè)計(jì)了新的液壓制動(dòng)控制系統(tǒng)，并完成關(guān)鍵液壓元器件的選型。經(jīng)仿真分析可得：

1）系統(tǒng)大約在5s 左右進(jìn)口壓力達(dá)到最大值7MPa時(shí)，該項(xiàng)值滿足《煤炭安全規(guī)程》中盤(pán)式制動(dòng)器接到制動(dòng)指令后5 s 內(nèi)完成松閘動(dòng)作的要求；

2）當(dāng)進(jìn)口壓力達(dá)到7 MPa，時(shí)刻為5 s 時(shí)，閘瓦間隙為1 mm，該項(xiàng)值同樣符合《煤炭安全規(guī)程》的要求。