礦用調度絞車設計及其制動系統(tǒng)仿真分析

賈 瑞

（西山煤電建筑工程集團有限公司礦建分公司， 山西 太原 030053）

引言

調度絞車為煤礦生產中用于完成對工作面開拓掘進、中間巷道調度組礦車的調度以及工作面其他一些輔助運輸搬運的任務。調度絞車性能的好壞直接決定煤礦生產的安全性和可靠性。鑒于綜采工作面相對惡劣的生產環(huán)境，加之調度絞車相對復雜的傳動結構，導致其在實際應用中出現(xiàn)安裝不便且制動系統(tǒng)可靠性較差的問題，制約了工作面的運輸效率和生產進度的推進[1]。為此，本文將設計一種以定軸輪系和行星輪系相結合的傳動方式作為調度的傳動系統(tǒng)以增加設備的傳動比，從而增加整機的傳動效率，提升了設備傳動的穩(wěn)定性。同時，設計基于人力的盤式制動裝置，極大提升了設備制動性能的安全性和可靠性。

1 調度絞車的總體設計

我國的調度絞車以卷筒纏繞式為主，采用電機進行驅動，各項參數均需符合《煤炭安全規(guī)程》的相關規(guī)定，以保證其能夠適應工作面相對惡劣的生產環(huán)境。調度絞車的基本結構如圖1 所示。

圖1 調度絞車基本結構

結合工作的實際情況，可將調度絞車的工作模式分為正常工作狀態(tài)、制動狀態(tài)以及下放狀態(tài)。其中，正常工作狀態(tài)為通過鋼絲繩纏繞卷筒完成提升重物的工作任務；制動狀態(tài)為卷筒停止轉動，使重物處于停止狀態(tài)；下放狀態(tài)為重物的重力牽引卷筒旋轉，使得重物下放[2]。

本小節(jié)重點對調度絞車電動機、執(zhí)行機構以及制動機構進行設計。調度絞車各零部件的設計依據如表1 所示。

表1 調度絞車各零部件設計依據

1.1 電動機的選型

電動機的主要選型依據為其工作功率?？紤]到調度絞車實際工作中各零部件的實際傳動效率小于1，綜合彈性聯(lián)軸器、行星齒輪傳動效率以及卷筒等傳動效率得出調度絞車的總傳動效率為0.886。根據鋼絲繩的最大張力和繩速，得出調度絞車卷筒的功率為10 kN×1 m/s=10 kW。

因此，可以得出實際所需電動機的功率為10 kW/0.886=11.286 kW。故選用型號為YBJ11.4-4 型的防爆型電動機作為調度絞車的動力源，其具體參數如表2 所示。

表2 YBJ11.4-4 型防爆電機主要參數

1.2 執(zhí)行機構的設計

執(zhí)行機構具體指調度絞車的鋼絲繩和卷筒。本節(jié)完成調度絞車鋼絲繩和卷筒的設計。

1.2.1 鋼絲繩的選型

目前，我國礦井生產中主要采用鋼絲繩的規(guī)格為1 570 N/mm2和1 770 N/mm2。根據《煤炭安全規(guī)程》的相關規(guī)定，要求礦井中采用單纏繞式鋼絲繩的安全系數大于6.5。結合鋼絲繩的最大張力為10 kN，對應所選型鋼絲繩的最大破斷力不得小于10 kN×6.5=65 kN。結合該項指標最終確定鋼絲繩的型號為FC1770ZZ76.9，該型鋼絲繩的最小破斷力為76.9 kN，滿足要求。該型鋼絲繩的直徑為11 mm，公稱抗拉強度為1 770 MPa。

1.2.2 卷筒的設計

卷筒的設計與卷筒的容繩量、鋼絲繩直徑等相關，最終確定卷筒的直徑、長度等參數。

1）根據式（1）初步對卷筒的直徑進行估算：

式中：h 為系數，與調度絞車的工作級別相關，本文所研究調度絞車的工作級別為M7，故h 取22.4；d 為鋼絲繩的直徑，取11 mm。

將上述參數代入式（1）得出，卷筒初步估算的直徑為246.4 mm。

2）卷筒的長度需根據鋼絲繩的直徑、相鄰繩槽之間的間距，以及鋼絲繩的圈數綜合確定，如式（2）所示：

式中：Z 為每層鋼絲繩的圈數。結合當前調度絞車室的卷筒長度，初步確定卷筒的長度為363 mm，則可以得出每層鋼絲繩的圈數為25 圈。同樣，結合式（3）得出鋼絲繩的層數為14 層。

式中：l 為卷筒的容繩量，取400 m；D 為卷筒繩槽底部的直徑，取224.4 mm；n 為每層鋼絲繩的圈數，取14。

將上述參數代入式（3）得出，鋼絲繩的圈數為14 層。

1.3 制動機構的設計

制動機構是保證調度絞車安全工作的根本保障，一旦其失效或者性能不佳將會導致嚴重事故的發(fā)生[3]。本工程將采用人力驅動和液壓傳動相結合的方式實現(xiàn)對調度絞車的制動，其主要結構如圖2 所示。

圖2 制動機構結構示意圖

結合相關理論公式，本小節(jié)完成制動器、增壓缸以及制動主缸的參數設計，結果如表3 所示。

表3 制動機構關鍵部件參數設計

2 制動系統(tǒng)仿真分析

為驗證通過理論計算設計制動系統(tǒng)的可靠性和制動性能是否滿足《煤炭安全規(guī)程》的相關規(guī)定[4]，本小節(jié)根據上述設計的參數，基于AMESim 軟件建立仿真模型，并對相關性能進行驗證。

設定制動系統(tǒng)的制動力最大為600 N，通過線性變化趨勢從0 增大，并要求在1 s 內達到要求，對應的仿真結果如圖3 所示。

由圖3 可知，制動系統(tǒng)能夠在規(guī)定的時間內達到調度絞車所需的制動力，且最大制動力可達27 216 N。但是，圖3 中的曲線并不是完全呈線性關系，分析其原因為在0.5 s 的時刻，由于制動系統(tǒng)需通過另一塊摩擦塊與制動盤接觸提高制動力所導致。同時，在t=0.5 s 時對應的制動力為17 394 N。

圖3 響應特性仿真結果

因此，可以得到所設計調度絞車制動系統(tǒng)的響應時間和制動力均能夠滿足其在實際工況的制動要求。

3 結語

調度絞車為煤礦生產的輔助運輸設備，其運輸效率和安全性直接決定了煤礦生產的效率和安全性[5]。本文重點完成了調度絞車電動機、執(zhí)行機構以及制動系統(tǒng)的設計，并重點對制動系統(tǒng)的性能進行驗證。并總結如下：

1）采用型號為YBJ11.4-4 電動機為調度絞車提供動力；

2）選用鋼絲繩的型號為FC1770ZZ76.9，直徑為11 mm，對應卷筒的直徑為246.4 mm，每層鋼絲繩的圈數為25 圈，鋼絲繩的層數為14 層。

3）經對所設計制動系統(tǒng)的性能進行仿真得知：調度絞車制動系統(tǒng)的響應時間和制動力均能夠滿足其在實際工況的制動要求。