基于SolidWorks Simulation 盤式制動(dòng)器研究

金 生

（秦皇島港股份有限公司第二港務(wù)分公司，河北秦皇島 066000）

0 引言

B2DQ 門式堆取料機(jī)卷?yè)P(yáng)機(jī)構(gòu)的制動(dòng)器安裝在機(jī)械傳動(dòng)中的高速軸上，即減速機(jī)輸入軸。因機(jī)械傳動(dòng)的中間環(huán)節(jié)和不可靠因素較多，故安全可靠性相對(duì)較差。如果制動(dòng)器安裝在機(jī)械傳動(dòng)的低速軸上，則比較安全可靠，因此，需要在卷筒低速度端增加制動(dòng)器來(lái)提高門取活動(dòng)梁的安全可靠性。當(dāng)卷?yè)P(yáng)機(jī)構(gòu)的高速制動(dòng)器出現(xiàn)失效故障時(shí)，低速盤式制動(dòng)器可直接制動(dòng)卷筒，從而有效阻止活動(dòng)梁在其自重作用下墜落。

根據(jù)問(wèn)題的原因所在，對(duì)卷?yè)P(yáng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)改進(jìn)，通過(guò)理論計(jì)算、選型，安裝低速盤式制動(dòng)器，設(shè)計(jì)電控系統(tǒng)。應(yīng)用Solid－Works 設(shè)計(jì)軟件對(duì)制動(dòng)盤和鉗口進(jìn)行靜力學(xué)分析、有預(yù)應(yīng)力的模態(tài)分析、瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析，尋找制動(dòng)盤和鉗口的薄弱環(huán)節(jié)和易損壞部位。通過(guò)仿真分析，驗(yàn)證卷?yè)P(yáng)機(jī)構(gòu)低速盤式制動(dòng)器的安全性和可靠性，避免了不易實(shí)現(xiàn)且造價(jià)昂貴的活動(dòng)梁墜落實(shí)驗(yàn)。

1 立項(xiàng)背景

B2DQ 門式堆取料機(jī)是煤二期預(yù)留堆場(chǎng)中的主要裝卸設(shè)備。門式堆取料機(jī)活動(dòng)梁卷?yè)P(yáng)機(jī)構(gòu)的技術(shù)狀況對(duì)整個(gè)大機(jī)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)至關(guān)重要，2003 年本隊(duì)相同類型的B1DQ 門式堆取料機(jī)發(fā)生一起活動(dòng)梁掉落的重大機(jī)損事故，直接經(jīng)濟(jì)損失300 余萬(wàn)元。為此，對(duì)活動(dòng)梁卷?yè)P(yáng)系統(tǒng)的安全狀況引起重視，該系統(tǒng)的任何一個(gè)組成部分發(fā)生故障，都會(huì)對(duì)活動(dòng)梁乃至整個(gè)大機(jī)產(chǎn)生不可估量的損害。

B2DQ 門式堆取料機(jī)的活動(dòng)梁升降通過(guò)鋼絲繩滑輪卷?yè)P(yáng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。該系統(tǒng)設(shè)有2 臺(tái)卷?yè)P(yáng)機(jī)構(gòu)，分別布置在設(shè)備的剛性腿側(cè)和柔性腿側(cè)。卷?yè)P(yáng)機(jī)構(gòu)均為雙卷式，傳動(dòng)形式為電機(jī)—減速機(jī)高速軸（加雙制動(dòng)）—經(jīng)減速到低速軸—卷筒。活動(dòng)梁上升靠電機(jī)驅(qū)動(dòng)，活動(dòng)梁下降靠自身重力驅(qū)動(dòng)，此時(shí)啟動(dòng)電機(jī)反轉(zhuǎn)，控制活動(dòng)梁的下降速度。活動(dòng)梁升降的制動(dòng)通過(guò)減速機(jī)高速軸上的雙制動(dòng)器實(shí)現(xiàn)。

B2DQ 門式堆取料機(jī)卷?yè)P(yáng)機(jī)構(gòu)的制動(dòng)器安裝在機(jī)械傳動(dòng)中的高速軸上。此時(shí)，需要的制動(dòng)力矩小，制動(dòng)器體積小、重量輕，因機(jī)械傳動(dòng)的中間環(huán)節(jié)和不可靠因素較多，安全可靠性相對(duì)較差。如果安裝在機(jī)械傳動(dòng)的低速軸上，則比較安全可靠，但轉(zhuǎn)動(dòng)慣量大，所需制動(dòng)力矩大，制動(dòng)器體積和重量相對(duì)也大。因此，需要在卷筒低速度端增加制動(dòng)器來(lái)提高門取活動(dòng)梁的安全可靠性。當(dāng)卷?yè)P(yáng)機(jī)構(gòu)的高速制動(dòng)器出現(xiàn)失效故障時(shí)，低速盤式制動(dòng)器可直接制動(dòng)卷筒，從而有效阻止活動(dòng)梁在其自重作用下墜落。

2 技術(shù)方案

2.1 盤式制動(dòng)器的布置安裝

經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)繪，制動(dòng)盤可與卷筒的輪轂通過(guò)高強(qiáng)螺栓及定位銷聯(lián)接在一起。另外，根據(jù)盤式制動(dòng)器的外形尺寸，由于卷筒離驅(qū)動(dòng)平臺(tái)的高度僅為100 mm，安裝制動(dòng)盤后會(huì)與卷筒底座相互摩擦，故需要重新制作電機(jī)、減速機(jī)和卷筒等的底座，將卷?yè)P(yáng)機(jī)構(gòu)整體抬高200 mm，可完成卷?yè)P(yáng)機(jī)構(gòu)低速盤式制動(dòng)器的安裝。

2.2 低速盤式制動(dòng)器的工作邏輯

B2DQ 卷?yè)P(yáng)機(jī)構(gòu)的低速盤式制動(dòng)器有兩個(gè)作用。第一個(gè)作用類似于汽車駐車時(shí)的“手剎”。在卷?yè)P(yáng)機(jī)構(gòu)正常啟升與下降工作時(shí)，低速盤式制動(dòng)器應(yīng)不起任何作用；在卷?yè)P(yáng)機(jī)構(gòu)正常制動(dòng)時(shí)，低速盤式制動(dòng)器延時(shí)高速制動(dòng)器1 s 啟動(dòng)；在卷?yè)P(yáng)機(jī)構(gòu)工作啟動(dòng)時(shí)，低速盤式制動(dòng)器應(yīng)提前于高速制動(dòng)器啟動(dòng)，提前啟動(dòng)時(shí)間為2 s。第二個(gè)作用是應(yīng)急安全保障的制動(dòng)。當(dāng)卷?yè)P(yáng)機(jī)構(gòu)的高速制動(dòng)器、電機(jī)和減速機(jī)等失效時(shí)，低速盤式制動(dòng)器將承擔(dān)卷?yè)P(yáng)機(jī)構(gòu)的全部制動(dòng)，防止由卷?yè)P(yáng)機(jī)構(gòu)鋼絲繩牽引的活動(dòng)梁意外墜落，起到應(yīng)急安全保障的作用。

2.3 盤式制動(dòng)器電氣控制

了解低速盤式制動(dòng)器的工作邏輯后，可以在B2DQ 卷?yè)P(yáng)盤式制動(dòng)器卷盤軸處安裝絕對(duì)值編碼器，利用Profibus-DP 總線通信技術(shù)，將編碼器數(shù)據(jù)引入PLC 控制系統(tǒng)。B2DQ 卷?yè)P(yáng)盤式制動(dòng)器控制系統(tǒng)邏輯關(guān)系。在B2DQ 卷?yè)P(yáng)盤式制動(dòng)器南側(cè)兩側(cè)安裝打開到位限位開關(guān)，并將兩個(gè)限位開關(guān)的信號(hào)引入控制系統(tǒng)，限位開關(guān)設(shè)有開到位信號(hào)，活動(dòng)梁不能動(dòng)作，無(wú)論盤式制動(dòng)器是否投入使用，該限位開關(guān)信號(hào)均有效，開到位時(shí)，限位開關(guān)指示燈點(diǎn)亮。利用卷?yè)P(yáng)盤式制動(dòng)器南北兩側(cè)編碼器和卷?yè)P(yáng)電機(jī)南北兩個(gè)編碼器（共計(jì)4 個(gè)編碼器）分別計(jì)算活動(dòng)梁4 個(gè)編碼器距離最低點(diǎn)的差值，當(dāng)南北任意一側(cè)兩個(gè)編碼器計(jì)算的差值超越整定值，在遠(yuǎn)控狀態(tài)下，控制系統(tǒng)會(huì)立刻輸出抱閘信號(hào)，低速盤式制動(dòng)器立即起作用，防止活動(dòng)梁墜落事故的發(fā)生。

2.4 基于SolidWorks 卷?yè)P(yáng)低速制動(dòng)系統(tǒng)的仿真分析

SolidWorks 是目前主流的三維設(shè)計(jì)、仿真軟件。可以與大多數(shù)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享和交換，廣泛應(yīng)用于石油化工、航空航天、機(jī)械制造等多個(gè)領(lǐng)域。

本文基于SolidWorks，建立卷筒制動(dòng)盤與低速制動(dòng)器鉗口的虛擬樣機(jī)，對(duì)卷?yè)P(yáng)機(jī)構(gòu)的低速制動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行靜力學(xué)分析、模態(tài)分析以及瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析，旨在分析驗(yàn)證卷?yè)P(yáng)機(jī)構(gòu)的低速制動(dòng)系統(tǒng)的安全性、可靠性，為日常工作提供理論依據(jù)。

（1）制動(dòng)系統(tǒng)虛擬樣機(jī)的建立。按照卷?yè)P(yáng)制動(dòng)盤與低速制動(dòng)器鉗口的外形尺寸，建立制動(dòng)系統(tǒng)的虛擬樣機(jī)，如圖1 所示。在材料屬性中設(shè)定制動(dòng)盤的材料為45#鋼，彈性模量2.05×1011N/m2，屈服強(qiáng)度5.3×108N/m2，泊松比0.29。

（2）制動(dòng)盤與鉗口的靜力學(xué)分析。根據(jù)制動(dòng)盤與鉗口的實(shí)際工作條件，向所要研究的制動(dòng)盤與鉗口施加力和約束。考慮到制動(dòng)盤受到卷筒力矩，故給制動(dòng)盤施加64.4054 kN·m 的力矩；考慮到鉗口受到盤式制動(dòng)器的夾緊力，故給鉗口施加160 kN 的夾緊力。相關(guān)應(yīng)力云圖顯示表明：制動(dòng)盤與鉗口的最大應(yīng)力點(diǎn)位于制動(dòng)盤離開鉗口的駛出點(diǎn)，其應(yīng)力值小于屈服強(qiáng)度530 MPa。因此，卷?yè)P(yáng)機(jī)構(gòu)在停止工作的靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)，盤式制動(dòng)器的夾緊狀態(tài)是安全和可靠的。

圖1 制動(dòng)系統(tǒng)的虛擬樣機(jī)

（3）制動(dòng)盤與鉗口的有預(yù)應(yīng)力的模態(tài)分析。模態(tài)分析是動(dòng)力學(xué)分析的重要組成部分，通過(guò)固有頻率和振型的分析，即模態(tài)分析，可以尋找制動(dòng)盤與鉗口的薄弱環(huán)節(jié)和易損壞部位，為低速制動(dòng)器的日常檢查提供參考。

由于低速盤式制動(dòng)器在工作狀態(tài)下的鉗口處于夾緊狀態(tài)，夾緊力為160 kN，因此需要對(duì)制動(dòng)盤與鉗口進(jìn)行有預(yù)應(yīng)力的模態(tài)分析，并對(duì)低速制動(dòng)器的鉗口施加約束。可以得到制動(dòng)盤與鉗口的5 階模態(tài)振型。

制動(dòng)盤與鉗口在1 階固有頻率（14.088 Hz）主要表現(xiàn)為制動(dòng)盤與鉗口沿周向的壓縮變形；制動(dòng)盤與鉗口在2 階固有頻率（28.747 Hz）主要表現(xiàn)為制動(dòng)盤與鉗口沿徑向的扭轉(zhuǎn)變形；制動(dòng)盤與鉗口在3 階固有頻率（68.225 Hz）主要表現(xiàn)為制動(dòng)盤與鉗口沿側(cè)向的扭轉(zhuǎn)變形；制動(dòng)盤與鉗口在4 階固有頻率（96.08 Hz）主要表現(xiàn)為制動(dòng)盤與鉗口沿側(cè)向的壓縮變形；制動(dòng)盤與鉗口在5 階固有頻率（119.16 Hz）主要表現(xiàn)為制動(dòng)盤與鉗口沿軸向的扭轉(zhuǎn)變形；由此可以得到，第3 階模態(tài)和和第5 階模態(tài)對(duì)制動(dòng)盤的影響最大，為日后的設(shè)備檢查重點(diǎn)提供了理論依據(jù)。

（4）制動(dòng)盤與鉗口的瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析。在卷?yè)P(yáng)機(jī)構(gòu)靜止時(shí)，靜力學(xué)分析可以確保制動(dòng)盤與鉗口承受穩(wěn)定載荷的作用而不失效。但這遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)可以動(dòng)態(tài)地對(duì)活動(dòng)梁墜落時(shí)制動(dòng)盤與鉗口的沖擊工作狀態(tài)進(jìn)行仿真分析，避免不易實(shí)現(xiàn)且造價(jià)昂貴的活動(dòng)梁墜落實(shí)驗(yàn)。

當(dāng)卷?yè)P(yáng)機(jī)構(gòu)的高速制動(dòng)器、電機(jī)、減速機(jī)發(fā)生失效，導(dǎo)致活動(dòng)梁意外墜落時(shí)，可以在SolidWorks Simulation 系統(tǒng)中設(shè)定制動(dòng)盤受到的轉(zhuǎn)矩64.4054 kN·m。此時(shí)，盤式制動(dòng)器的鉗口立即夾緊動(dòng)作，施加在鉗口的夾緊力為160 kN。設(shè)定制動(dòng)盤沿卷筒軸的圓周約束以及制動(dòng)器鉗口的滾柱滑桿約束，設(shè)定制動(dòng)盤與鉗口的摩擦系數(shù)為0.36。通過(guò)運(yùn)算，可以得到制動(dòng)盤與鉗口的瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)的應(yīng)力云圖及總位移。

通過(guò)制動(dòng)盤與鉗口的瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)的應(yīng)力云圖及總位移，可以得到當(dāng)卷?yè)P(yáng)機(jī)構(gòu)的高速制動(dòng)器、電機(jī)、減速機(jī)發(fā)生失效，導(dǎo)致活動(dòng)梁意外墜落時(shí)，制動(dòng)系統(tǒng)在不超出制動(dòng)盤與鉗口許用應(yīng)力的前提下，安全可靠完成了卷?yè)P(yáng)機(jī)構(gòu)的制動(dòng)。

通過(guò)制動(dòng)盤與鉗口的瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)仿真，可以模擬還原出活動(dòng)梁發(fā)生墜落時(shí)，活動(dòng)梁下降位移約為133 mm，制動(dòng)位移較小，對(duì)設(shè)備沖擊也較小。低速盤式制動(dòng)器達(dá)到了安全制動(dòng)的作用。

確定技術(shù)方案后，進(jìn)行技術(shù)圖紙的繪制、零部件的采購(gòu)及現(xiàn)場(chǎng)的施工安裝，最終經(jīng)過(guò)相關(guān)人員共同努力，用較短時(shí)間完成了門式堆取料機(jī)卷?yè)P(yáng)盤式制動(dòng)器的技術(shù)改進(jìn)，順利通過(guò)試運(yùn)行。

經(jīng)過(guò)近1 年的運(yùn)行觀察，新改進(jìn)的卷?yè)P(yáng)盤式制動(dòng)器運(yùn)行可靠、平穩(wěn)，故障率為零。事實(shí)證明，本次技術(shù)改進(jìn)徹底消除了門式堆取料機(jī)卷?yè)P(yáng)驅(qū)動(dòng)部位存在的重大安全隱患，為公司生產(chǎn)作業(yè)提供了可靠保證。