基于Simulink的帶式輸送機(jī)復(fù)合制動系統(tǒng)的研究

李利青

（山西潞安環(huán)保能源開發(fā)股份有限公司漳村煤礦， 山西 長治 046204）

引言

目前，雖然各類清潔能源的應(yīng)用比例和范圍不斷擴(kuò)大，但煤炭資源依舊是國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的支柱性能源資源之一，全球?qū)γ禾抠Y源依舊保持著旺盛的需求，各大煤炭生產(chǎn)企業(yè)都在不斷提升煤炭資源的產(chǎn)能，加大煤炭資源的供應(yīng)。隨著煤礦井下綜采效率的不斷提高，對帶式輸送機(jī)設(shè)備也提出了更高的要求，越來越多的大傾角、高帶速、長距離、大運(yùn)量的輸送機(jī)系統(tǒng)不斷投入使用，在帶來煤炭輸送效率迅速提高的同時，也頻繁出現(xiàn)輸送機(jī)在運(yùn)輸過程中發(fā)生故障，制動系統(tǒng)制動失效，導(dǎo)致輸送帶上的物料堆積到巷道底部、機(jī)架損壞等，造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失[1]。分析發(fā)現(xiàn)，對大傾角、高帶速、長距離、大運(yùn)量的輸送機(jī)系統(tǒng)采用的依舊是單一的機(jī)械制動或者液壓柔性制動，以上制動方式在獨(dú)立工作狀態(tài)下無法滿足對重載、大傾角、長距離的輸送機(jī)系統(tǒng)的制動要求，因此需要針對性開發(fā)一種新的制動系統(tǒng)，以滿足對重載、大傾角、長距離的輸送機(jī)系統(tǒng)的制動要求，提高煤礦生產(chǎn)的安全性。

1 復(fù)合制動系統(tǒng)的組成及工作原理

經(jīng)對多種制動裝置工作原理、制動特性的分析，本文選取了盤式制動裝置及液壓軟制動裝置作為該復(fù)合制動系統(tǒng)的組合。

盤式制動裝置又稱盤閘[2]，該制動裝置是利用儲存在制動頭內(nèi)的高壓油液將制動裝置的碟簧進(jìn)行壓縮時制動片向兩側(cè)張開，在正常工作時液壓系統(tǒng)一直處于保壓狀態(tài)，制動裝置與電機(jī)軸上的制動盤不接觸，輸送機(jī)系統(tǒng)正常工作，當(dāng)開始制動時液壓系統(tǒng)的回路接通，儲存在制動頭內(nèi)的油液按一定的速度流回到油箱，摩擦片在碟簧的作用下和制動盤接觸，并不斷增加作用在制動盤上的正壓力，最終實(shí)現(xiàn)對輸送機(jī)系統(tǒng)的制動，其低速制動性好，且在低速制動時不會產(chǎn)生火花，發(fā)熱量也較小。

液壓軟制動裝置是利用能量轉(zhuǎn)換原理實(shí)現(xiàn)制動的設(shè)備，在工作時軟制動裝置依靠剎車變量泵把輸送機(jī)在減速時的慣性和動能轉(zhuǎn)換為液壓油的壓力，最后系統(tǒng)再將液體的壓力能轉(zhuǎn)換為液體的溫升，通過油箱實(shí)現(xiàn)液壓油的冷卻。該制動裝置在整個制動過程中不會直接摩擦，因此不會產(chǎn)生火花，制動力矩可調(diào)，高速制動時平穩(wěn)性較好，在低速制動時液壓流量波動大，制動可靠性差。

根據(jù)以上兩種制動方式的特點(diǎn)，本文設(shè)計的復(fù)合制動系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 復(fù)合制動系統(tǒng)三維結(jié)構(gòu)示意圖

在該復(fù)合制動系統(tǒng)中，當(dāng)輸送機(jī)在高速運(yùn)行時發(fā)生異常需要急停，則由液壓軟制動裝置對輸送機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行制動，直到輸送機(jī)的運(yùn)行速度降低到系統(tǒng)設(shè)定的臨界值時，控制系統(tǒng)斷開液壓軟制動裝置，同時啟動盤閘制動裝置工作，直到系統(tǒng)完全停止運(yùn)行。

2 復(fù)合制動系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的建立

該復(fù)合制動裝置在執(zhí)行制動時包括高速制動階段（此時電機(jī)的轉(zhuǎn)速ω大于系統(tǒng)設(shè)定的臨界轉(zhuǎn)速ω1）、低速制動階段（此時電機(jī)的轉(zhuǎn)速ω小于系統(tǒng)設(shè)定的臨界轉(zhuǎn)速ω1）和穩(wěn)車制動階段（此時電機(jī)的轉(zhuǎn)速ω為0，此時盤式制動裝置單獨(dú)作用，對輸送機(jī)進(jìn)行穩(wěn)車），三個階段的受力分析如圖2所示。

圖2 制動時輸送機(jī)主軸各階段的受力情況

根據(jù)圖5，可建立該復(fù)合制動系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型[3]：

式中：Ta為剎車泵制動時的輸入力矩；Tb為輸送機(jī)下滑時的慣性力；R2為驅(qū)動電機(jī)轉(zhuǎn)軸的半徑；I為電機(jī)轉(zhuǎn)軸、聯(lián)軸器、減速器、傳動滾筒、托輥轉(zhuǎn)動慣量之和；i為減速器的傳動比；V為電機(jī)轉(zhuǎn)軸的線速度；ω為電機(jī)轉(zhuǎn)軸的角速度；MZ為盤式制動裝置的制動力矩。

3 復(fù)合制動系統(tǒng)仿真模型的建立

為了驗證復(fù)合制動系統(tǒng)的制動效果，利用Simulink仿真分析模塊[4]對其制動時的動態(tài)特性進(jìn)行分析，根據(jù)所建立的復(fù)合制動系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，建立如圖3所示的仿真分析模型，在系統(tǒng)中設(shè)置了制動方式自動切換模塊，將切換時的電機(jī)轉(zhuǎn)速設(shè)置為ω1=600 r/min，分析時設(shè)定當(dāng)輸送機(jī)系統(tǒng)完全停止運(yùn)行后，在驅(qū)動電機(jī)內(nèi)部仍然存在著一定的轉(zhuǎn)動慣量，用于模擬在實(shí)際工況下輸送機(jī)停車后在煤炭和輸送帶自身重力作用下所存在的下滑力矩，設(shè)定驅(qū)動電機(jī)的初始轉(zhuǎn)速為1 440 r/min。

4 復(fù)合制動系統(tǒng)的仿真分析

根據(jù)實(shí)際工況設(shè)定相關(guān)仿真分析參數(shù)，仿真分析結(jié)果如圖4、圖5、圖6所示。

由圖4可知，輸送機(jī)驅(qū)動電機(jī)工作轉(zhuǎn)速為1 440 r/min，輸送機(jī)平穩(wěn)運(yùn)行，在第10 s系統(tǒng)發(fā)出制動指令后，液壓軟制動裝置首先開始利用輸送機(jī)下滑時的動力逐漸將其轉(zhuǎn)化為制動壓力，當(dāng)壓力達(dá)到一定程度時，剎車泵開始進(jìn)入制動狀態(tài)，隨著時間的增加其制動力矩不斷增大，直到達(dá)到穩(wěn)態(tài)值后系統(tǒng)維持輸送機(jī)進(jìn)行橫減速制動，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速降低到600 r/min后，液壓軟制動裝置因流量波動開始出現(xiàn)震蕩，此時系統(tǒng)斷開軟制動裝置，使盤式制動裝置開始執(zhí)行制動，直到電機(jī)轉(zhuǎn)速為零后，此時液壓軟制動裝置的制動力矩也降低為零，盤式制動裝置開始執(zhí)行穩(wěn)車工作。

由圖5、圖6可知，在復(fù)合制動系統(tǒng)的作用下，帶式輸送機(jī)在工作時能夠?qū)崿F(xiàn)恒減速的制動，在制動過程中制動力矩平穩(wěn)，制動及時、有效，可靠性高。

圖3 復(fù)合制動系統(tǒng)的仿真分析模型

圖4 復(fù)合制動下的轉(zhuǎn)速—轉(zhuǎn)矩變化曲線

圖5 復(fù)合制動下的轉(zhuǎn)速—減速度變化曲線

圖6 復(fù)合制動下的轉(zhuǎn)速—復(fù)合轉(zhuǎn)矩變化曲線

5 結(jié)論

仿真試驗結(jié)果表明，利用該復(fù)合制動系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)在高速運(yùn)行時依靠液壓軟制動獨(dú)立進(jìn)行恒減速制動，當(dāng)速度降低到一定值時，啟動盤式制動裝置的制動及穩(wěn)車，該復(fù)合制動系統(tǒng)的制動流程合理、有效，制動效果明顯。