礦井提升機(jī)無軸式盤式制動器結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計*

郭小燕

(山西機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山西 長治 046000)

0 引 言

雖然目前新能源技術(shù)在不斷發(fā)展，但是我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展對于煤炭資源的依賴性卻未發(fā)生實(shí)質(zhì)性變化。在煤炭物料的開采過程中，安全生產(chǎn)始終排至首位，是保障煤炭可持續(xù)高效開采的關(guān)鍵。面對煤礦開采過程中眾多的機(jī)械設(shè)備，如何保障機(jī)械零部件的安全性能，值得深入研究。其中礦井提升設(shè)備所包含的機(jī)械裝置較多，主要有提升機(jī)、天輪、井架、井桶等[1]。提升機(jī)是承擔(dān)礦井生產(chǎn)過程中的物料運(yùn)送和人員運(yùn)輸?shù)裙ぷ鳌Ｌ嵘龣C(jī)在運(yùn)行時所承載的載荷力較大，如果提升系統(tǒng)出現(xiàn)了故障，將對一線作業(yè)人員的生命安全造成嚴(yán)重的威脅。然而盤式制動器在提升機(jī)運(yùn)行時對其整體安全性具有較大的影響，控制著提升機(jī)整體的運(yùn)行狀態(tài)，確保提升機(jī)正常的工位位置。因此，對提升機(jī)盤式制動器結(jié)構(gòu)的優(yōu)化研究具有重要的工程意義。通過盤式制動器的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，提升盤式制動器的正壓力載荷和有效的制動時間，綜合全面的提高整體制動器的制動性能[2]。以無軸式盤式制動器為研究對象，采用有限元仿真技術(shù)模擬制動器在實(shí)際工作中所受到的載荷，對現(xiàn)有盤式制動器的結(jié)構(gòu)力學(xué)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，從結(jié)構(gòu)設(shè)計短板角度入手，設(shè)置制動正壓力和有效制動時間為優(yōu)化參數(shù)，使得優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)能夠在兩個數(shù)據(jù)方面有所提升，有效的實(shí)施結(jié)構(gòu)優(yōu)化的技術(shù)手段，為提升機(jī)結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究提供了方向。

1 無軸式盤式制動器結(jié)構(gòu)特性

盤式制動器在煤礦開采過程中的應(yīng)用歷史久遠(yuǎn)。該制動器的性能相比于其他結(jié)構(gòu)制動器更加的優(yōu)越，并且更能適應(yīng)礦井惡劣的工作環(huán)境，具有較長的使用壽命。提升機(jī)盤式制動器主要分為后置式盤式制動器和無軸式盤式制動器，其中后者由于結(jié)構(gòu)更加簡單和更加輕量化，被廣泛的使用于礦井中。

無軸式盤式制動器通過閘瓦產(chǎn)生正壓力，對制動盤產(chǎn)生作用力矩，實(shí)現(xiàn)將機(jī)械裝置產(chǎn)生制動作用的目的[3]。無軸式盤式制動器主要通過液壓作用的方式，產(chǎn)生正向的載荷作用，在安裝時根據(jù)中軸線對稱位置，呈成對使用。為了防止制動器的主軸在力矩作用下發(fā)生彎曲，去掉軸承結(jié)構(gòu)，形成無軸式盤式制動器。無軸式盤式制動器的結(jié)構(gòu)示意圖，如圖1所示。

圖1 提升機(jī)無軸式盤式制動器結(jié)構(gòu)示意圖

由圖1可知，無軸式盤式制動器相比于后置式盤式制動器在結(jié)構(gòu)方面更加的精簡。尤其是油缸與活塞之間的裝配縫隙問題得到了有效的解決，極大的減小了卡缸的風(fēng)險提高[4]。同時，在無軸式盤式制動器的密封工藝方面，減小了密封圈的使用，主要是通過油箱蓋進(jìn)行匹配，利用結(jié)構(gòu)的自身零部件完成定位。液壓油在整個制動器內(nèi)的壓力較小，從而減少了制動器的反應(yīng)時間和提升了靈敏性。

2 盤式制動器制動器的失效機(jī)理分析

通常盤式制動器出現(xiàn)失效現(xiàn)象是由于材料、結(jié)構(gòu)、裝配等方面的設(shè)計達(dá)不到工作要求[5]。主要的失效形式為閘瓦失效、制動力不達(dá)標(biāo)或者制動力矩大于標(biāo)準(zhǔn)數(shù)值。根據(jù)實(shí)際工程數(shù)據(jù)分析可知，盤式制動器出現(xiàn)制動失效主要是由于制動力矩不足[6]。根據(jù)不軸式盤式制動器的工作特性，應(yīng)提高制動正壓力和有效接觸作用時間，可解決制動力不足的問題。盤式制動器失效原因分析示意圖，如圖2所示。

圖2 盤式制動器的失效因素分析示意圖

3 無軸式盤式制動器仿真計算

為了精確的實(shí)現(xiàn)無軸式盤式制動器的仿真計算，將制動器的模型設(shè)置為剛?cè)狁詈系牧W(xué)模型。為了對礦井惡劣的工作環(huán)境進(jìn)行模擬，應(yīng)對制動器在工作過程中的振動進(jìn)行考慮。

優(yōu)先選用ADAMS軟件進(jìn)行剛度耦合力學(xué)計算，將SolidWorks三維模型導(dǎo)入至ADAMS軟件進(jìn)行仿真環(huán)境的參數(shù)設(shè)置，提高對真實(shí)生產(chǎn)場景的模擬。設(shè)置參數(shù)為：材料設(shè)置為鑄鐵、網(wǎng)格單元為四面體結(jié)構(gòu)、網(wǎng)格尺寸為2 mm。利用Adams ViewFlex模塊，對接觸參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，其中剛度大小為3.5E+8 N/mm、阻尼系數(shù)為28、靜摩擦系數(shù)為0.4，動摩擦系數(shù)為0.35、摩擦平移速度為1 000 mm/s。

無軸式盤式制動器的剛?cè)狁詈夏Ｐ蜑橹苿悠骱屯獠恐鬏S系統(tǒng)組成，并對邊界條件進(jìn)行約束，實(shí)現(xiàn)角速度的驅(qū)動。整體模型如圖3所示。

圖3 無軸式盤式制動器剛?cè)狁詈夏Ｐ褪疽鈭D

通過ADAMS軟件提取計算后數(shù)據(jù)，得到制動正壓力和制動有效時間的曲線圖。將制動壓力設(shè)置為7 MPa時，產(chǎn)生的制動正壓力曲線如圖4所示，制動持續(xù)時間為1.62 s。

圖4 制動正壓力和持續(xù)時間曲線示意圖

4 結(jié)構(gòu)優(yōu)化和仿真結(jié)果對比

根據(jù)無軸式盤式制動器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，將閘瓦的長、寬及制動盤的直徑作為優(yōu)化參數(shù)。通過對上述零部件結(jié)構(gòu)的設(shè)計提升有效的制動時間。采用ADAMS軟件Task Plan模塊對零部件的參數(shù)實(shí)行閉環(huán)的目標(biāo)管理，優(yōu)化流程圖如圖5所示。

圖5 無軸式盤式制動器結(jié)構(gòu)優(yōu)化的閉環(huán)流程

通過Task Plan模塊將正壓力和這段時間的約束條件，排除不符合條件的參數(shù)樣本。將閘瓦長度由0.27 m變化為0.258 9 m，閘瓦寬度由0.23 m變化為0.245 6 m，制動盤外徑為1.65 m變化為1.687 6 m。

閘瓦長、寬及制動盤外徑的數(shù)值優(yōu)化變化將有效的提高制動正壓力和持續(xù)時間。優(yōu)化后的無軸式盤式制動器正壓力數(shù)值曲線圖，如圖6所示。

將圖5和圖6結(jié)合對比可知，優(yōu)化前無軸式盤式制動器的平均制動正壓力為34 693 N，優(yōu)化后的平均制動正壓力為 36 299 N，平均制動正壓力增加1 606 N；制動器的有效制動時間為 1.45 s，優(yōu)化效果明顯；而優(yōu)化后有效制動時間增加至1.543 3 s，增大了 0.093 3 s，在允許范圍內(nèi)。因此，通過對無軸式制動器的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了平均制動增壓力和有效制動時間數(shù)據(jù)的同步增長，提高了盤式制動器在提升機(jī)作用過程中的安全性。

5 結(jié) 語

結(jié)合目前礦井提升機(jī)盤式制動器在制動性能方面還有待提高的現(xiàn)狀，對無軸式盤式制動器的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計進(jìn)行了研究。通過 ADAMS 對無軸式盤式制動器在緊急制動工況中進(jìn)行動力學(xué)仿真，建立了盤式制動器整體的剛?cè)狁詈夏Ｐ停ㄟ^控制變量法研究制動壓力、制動初速度和摩擦系數(shù)等參數(shù)分析對制動性能的影響，選用關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)為設(shè)計變量，以平均制動正壓力為優(yōu)化目標(biāo)，有效制動時間為約束條件。結(jié)果表明：優(yōu)化后的無軸式盤式制動器在平均制動正壓力和有效制動時間方面均有增大，滿足結(jié)構(gòu)優(yōu)化要求，通過仿真驗(yàn)證了優(yōu)化方案的準(zhǔn)確性。