帶式輸送機盤式制動裝置的設(shè)計及仿真分析

翟 寰

（山西陽煤寺家莊有限責(zé)任公司， 山西 昔陽 045300）

引言

帶式輸送機是綜采工作面的主要運輸設(shè)備，其運輸效率和安全性直接決定工作面的運輸能力。帶式輸送機運輸?shù)陌踩栽诤艽蟪潭壬蠜Q定于設(shè)備制動的有效性。統(tǒng)計表明，由于制動器故障導(dǎo)致煤礦事故發(fā)生的案例不在少數(shù)。目前，應(yīng)用于帶式輸送機制動裝置的類型包括塊式制動器、盤式制動器、液力制動器及液壓調(diào)壓制動器。本文以帶式輸送機盤式制動器為例開展研究，該制動器存在系統(tǒng)復(fù)雜、維護困難等問題，關(guān)鍵核心問題在于該制動器缺乏保壓功能[1]。本文將針對上述問題對帶式輸送機盤式制動器展開研究，并對其溫度場進行仿真分析。具體闡述如下：

1 盤式制動裝置概述

盤式制動裝置作為應(yīng)用于帶式輸送機制動系統(tǒng)的機電液一體化產(chǎn)品，其包括機械制動分系統(tǒng)、液壓制動分系統(tǒng)及相關(guān)電氣控制分系統(tǒng)。對應(yīng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1 所示。

圖1 盤式制動裝置結(jié)構(gòu)框圖及控制流程

由圖1 所示，機械制動分系統(tǒng)主要由盤式制動器和制動盤組成，其中盤式制動器內(nèi)部包括多片蝶形彈簧，通過對其施加正壓力產(chǎn)生摩擦而提供制動力矩；液壓制動分系統(tǒng)主要是對調(diào)壓閥、電液比例閥等液壓元器件進行控制，主要針對油路的走向和流量根據(jù)工況進行調(diào)整，其是對制動力矩調(diào)整的關(guān)鍵分系統(tǒng)；電氣控制系統(tǒng)的主要任務(wù)是對液壓油的壓力進行控制。

在實際制動操作中，盤式制動裝置可對帶式輸送機在松閘過程、正常停車、工作制動、系統(tǒng)斷電及緊急制動等過程進行控制?？刂屏鞒倘缦拢罕P式制動裝置通過電氣控制系統(tǒng)對其液壓制動系統(tǒng)進行控制，通過液壓油路對機械構(gòu)件包括盤式制動器和制動盤進行控制[2]。

2 盤式制動裝置液壓元件的選型

盤式制動裝置的液壓元件可分為動力元件和輔助元件兩種。

2.1 動力元件

盤式制動裝置動力元件主要包括液壓泵、電機的選型。

2.1.1 液壓泵

對液壓泵選型的主要依據(jù)為泵的最大工作壓力和流量。對于液壓泵的最大工作壓力需綜合考慮盤式制動器的最大工作壓力和實際制動過程中管路中壓力的損失。對于本文所研究盤式制動裝置的最大工作壓力為7 MPa；同時，該盤式制動裝置對應(yīng)的液壓管路相對復(fù)雜，應(yīng)取管路的壓力損失值1.5 MPa。因此，盤式制動裝置液壓泵對應(yīng)的最大工作壓力為8.5 MPa。

結(jié)合《煤炭安全標(biāo)準(zhǔn)》的相關(guān)規(guī)定，帶式輸送機盤式制動系統(tǒng)在制動過程時的空動時間不得超過0.2 s，盤式制動裝置的閘瓦間隙不得大于1 mm。結(jié)合相關(guān)理論計算得出，液壓泵的供油流量不得小于7.68 L/min。

綜上所述，本系統(tǒng)所配置的液壓泵采用型號為CBF-E16 型齒輪泵，該型泵的具體參數(shù)如下頁表1所示。

表1 CBF-E16 型齒輪泵關(guān)鍵參數(shù)

2.1.2 電機

盤式制動裝置對應(yīng)電機選型的主要依據(jù)為其運行時的所需功率值。電機功率值與液壓泵的最大工作壓力、額定流量及總效率相關(guān)[3]。結(jié)合上述三項變量及理論計算公式，得出該系統(tǒng)配置電動機的功率不得小于1.59 kW。參考《機械設(shè)計手冊》，本系統(tǒng)所配置電機的型號為YB100L1-4，該型電動機的具體參數(shù)如表2 所示。

表2 YB100L1-4 電動機具體參數(shù)

2.2 輔助元件

輔助元件包括盤式制動裝置液壓系統(tǒng)的蓄能器、過濾器、油箱及管路等。

蓄能器的主要功能是在系統(tǒng)運行過程中保證管路中壓力的穩(wěn)定，本系統(tǒng)所配置蓄能器的型號為NXQ1-L0.63/10-L-H，該蓄能器對應(yīng)的最大蓄能壓力值為2.5 MPa。

過濾器的主要功能是管路中液壓油的雜質(zhì)被完全去除，避免管路被阻塞[4]。過濾器可分為進油過濾器和回油過濾器。本系統(tǒng)選擇的進油過濾器型號為WU-40×80，出油過濾器的型號為Z/QU-H40×10BDP，對應(yīng)的關(guān)鍵參數(shù)如表3 所示。

表3 過濾器關(guān)鍵參數(shù)

結(jié)合實際制動需求和液壓油的需求，配置液壓油箱的長度為800mm、寬度為700mm、高度為585mm；所配置管路的內(nèi)徑為8 mm，外徑為14 mm。

3 盤式制動器的仿真分析

本文重點對盤式制動器在實際制動過程中的溫度場進行仿真分析。在實際仿真時需作出如下假設(shè)：

1）假設(shè)在制動過程中盤式制動器的摩擦系數(shù)為恒定值。

2）假設(shè)盤式制動系統(tǒng)中制動器材料的物理參數(shù)均為恒定值。

3）假設(shè)盤式制動系統(tǒng)在實際制動過程中的摩擦功全部轉(zhuǎn)化為摩擦熱。

4）忽略盤式制動器在制動過程中的輻射散熱。

5）假設(shè)整個制動過程為勻減速過程。

基于SolidWorks 軟件建立制動盤和閘瓦的三維模型，并對三維模型進行網(wǎng)格劃分操作，根據(jù)制動盤和閘瓦的材料特性對模型中的參數(shù)進行設(shè)置[5]。其中，制動盤采用的材料類型為16Mn，閘瓦采用無石棉環(huán)保型閘瓦。仿真初始參數(shù)設(shè)置如下：

設(shè)定制動盤的初始轉(zhuǎn)速為60 r/min，整個仿真時間設(shè)定為20 s，制動過程的時間為12 s，系統(tǒng)所設(shè)定的制動壓力值為80 kN，制動盤與閘瓦之間摩擦系數(shù)為0.35，泊松比為0.3。整個仿真過程中制動系統(tǒng)的初始溫度和環(huán)境溫度均為22 ℃，并得到如圖2 所示的仿真結(jié)果。

圖2 制動盤最高溫度隨時間的變化

如圖2 所示，在制動時間為0.1 s 左右時，制動盤溫度最高范圍位于摩擦副的接觸表面和制動盤及其軸承相連接的位置，此時最高溫度為47.29 ℃；隨著制動時間的延長，閘瓦和制動盤轉(zhuǎn)動的圈數(shù)不斷增加，所產(chǎn)生的熱量不斷積累，并在0.5 s 時制動盤的溫度達到最高，最高值為49.899 ℃；隨著制動操作的進行，制動盤的轉(zhuǎn)速不斷減小，對應(yīng)的摩擦制動產(chǎn)生的熱量也在減小，當(dāng)12 s 制動結(jié)束后制動盤的轉(zhuǎn)速降為零，在制動過程中產(chǎn)生的熱量通過空氣散熱的方式最終降低至與室溫相接近的24.49 ℃。

4 結(jié)語

帶式輸送機為綜采工作面的關(guān)鍵運輸設(shè)備，其運行的安全性和可靠性在很大程度上決定于制動裝置的性能。本文結(jié)合帶式輸送機的實際運輸任務(wù)主要對其盤式制動裝置的液壓主元件和輔助元件進行設(shè)計，并對盤式制動器在制動過程中制動盤的溫度場進行仿真分析，掌握制動盤的溫度場變化趨勢，為后續(xù)盤式制動器的優(yōu)化奠定基礎(chǔ)。