基于SIMULINK的礦井提升機(jī)盤式制動器性能研究

楊 勇

（山西省長治經(jīng)坊煤業(yè)有限公司，山西 長治 047100）

引言

研究調(diào)查發(fā)現(xiàn)，我國80%及以上的礦井都屬于井工礦，需要借助礦井提升設(shè)備將煤礦源源不斷從礦井下面運(yùn)輸?shù)缴厦?，提升機(jī)的制動系統(tǒng)是保障提升系統(tǒng)安全運(yùn)行的最后一道防線、也是最重要的安全保護(hù)措施[1]。

液壓盤式制動控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計對提升機(jī)整體的性能影響巨大，因?yàn)槠錇樯舷逻\(yùn)動的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，主要是控制轎廂制動，制動的方式選擇與制動的力度對實(shí)際使用影響較大，如果制動時加速度過大，會對升降機(jī)內(nèi)的人員造成傷害。盤式制動控制系統(tǒng)的回路設(shè)計，包含制動回路設(shè)計、液壓制動系統(tǒng)、恒減速制動系統(tǒng)[2]。

1 盤式制動器簡述

制動器式提升機(jī)制動系統(tǒng)中重要的組成部分，在目前主流使用的提升機(jī)制動器中盤式制動器應(yīng)用比例較高。因?yàn)楸P式制動器結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕、控制動作靈巧，所以被廣泛應(yīng)用于提升機(jī)的制動系統(tǒng)中。盤式制動器的工作原理為，依靠碟簧提供鎖緊力，靠液壓油缸實(shí)現(xiàn)松閥動作。當(dāng)油缸中的油壓降低時，蝶形彈簧處于伸長狀態(tài)，彈簧推動閘瓦，閘瓦直接與制動盤接觸，摩擦產(chǎn)生切向制動力，當(dāng)油缸液壓增高的動作則相反[3]。因此，可以知道制動力的大小與油缸內(nèi)液壓的大小有直接關(guān)系。現(xiàn)實(shí)使用中提升機(jī)制動器故障卻時有發(fā)生，絕大部分故障都是有液壓不穩(wěn)定導(dǎo)致，而引起液壓不穩(wěn)定的兩大因素是減壓閥、溢流閥，因此對制動器控制系統(tǒng)的研究具有重要意義。如圖1 所示，盤形制動器結(jié)構(gòu)[4]。

2 盤式制動器控制系統(tǒng)分析

盤式制動器的控制系統(tǒng)對提升機(jī)的安全起著重要作用，本文所研究的JKB-2.5×2.3P型提升機(jī)，盤式制動器包含兩套制動系統(tǒng)，分別為：二級回路制動系統(tǒng)和恒減速回路制動系統(tǒng)。設(shè)備處于正常狀況下是，恒減速回路控制系統(tǒng)工作，若前者發(fā)生故障失效，則二級回路控制系統(tǒng)工作，能夠確保提升機(jī)安全性與可靠性。

制動器回路制動系統(tǒng)的設(shè)計主要是液壓元器件選型，和系統(tǒng)中控制電路進(jìn)行設(shè)計。不同的制動回路控制系統(tǒng)，性能差異明顯，二級制動回路控制系統(tǒng)相較于恒減速回路制動系統(tǒng)，前者制動力不隨負(fù)載發(fā)生變化，因此會出現(xiàn)在不同工況下，制動效果差異明顯[5]。

下面對JKB-2.5×2.3P型提升機(jī)自帶恒減速回路制動系統(tǒng)做簡要說明，恒減速液壓制動回路是目前主流設(shè)備采用的制動控制系統(tǒng)。本機(jī)恒減速回路制動系統(tǒng)設(shè)計示意圖如下頁圖2 所示[6]。

圖2 含溢流閥的恒減速回路

3 盤式制動器系統(tǒng)仿真

根據(jù)JKB-2.5×2.3P型提升機(jī)盤形制動器控制系統(tǒng)系統(tǒng)設(shè)計和結(jié)構(gòu)設(shè)計資料，對液壓盤形制動器進(jìn)行建模仿真分析。

3.1 制動系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的建立

對模型進(jìn)行仿真分析的第一步建立結(jié)構(gòu)的力學(xué)方程，根據(jù)盤式制動器的設(shè)計資料可以得到盤式制動器的原理圖如圖3 所示，由此可分析其施閘和松閘的力學(xué)方程。

圖3 盤形制動器工作原理圖

在施閘過程中，以活塞為參考對象，可以得到制動器力學(xué)平衡方程式：

式中：m 為運(yùn)動部件總質(zhì)量，kg；fz為液壓缸阻尼系數(shù)；K 為碟簧剛度系數(shù)；x0為初始壓縮量，m；x 為閥瓦位移值，m；P 為液壓值，Pa。

3.2 仿真模型的建立

SIMULINK 是MATLAB 中的一種可視化仿真工具，使用相對簡單，可以幫助用戶處理一些非線性、數(shù)字控制、數(shù)字信號類的仿真分析。使用簡單，模塊化操作，根據(jù)制動器力學(xué)方程可以建立盤形狀制動器不同動作時的仿真模型。如圖4 所示，根據(jù)松閘過程方程可創(chuàng)建SIMULINK 仿真模型，同理也可以建立施閘過程仿真模型，在此不再一一列舉。

圖4 松閘過程仿真模型

此模型參數(shù)的簡要說明，模型輸入為隨時間變化的液壓值，同時包含三個參數(shù)A1、A2、A3，分別代表為液壓油缸阻尼系數(shù)、蝶簧剛度系數(shù)、制動器行程的倒數(shù)，初值為1。

4 仿真結(jié)果分析

根據(jù)JKB-2.5×2.3P型提升機(jī)盤形制動器的恒減速回路結(jié)構(gòu)設(shè)計原理以及對盤形制動器制動動作的分析，建立了制動器減速制動過程仿真模型。根據(jù)計算結(jié)果，如圖5 所示。

圖5 閘瓦位移與加速度隨時間變化曲線

從圖5-1 中可以看到，在制動過程中，首先是油壓減小，閘瓦開始產(chǎn)生位移。當(dāng)時間達(dá)到1.45 ms 時，閘瓦與制動器接觸，產(chǎn)生制動力。從圖5-2 中可以看出，制動動作過程中液壓油迅速下降，閘瓦所受到的蝶形彈簧力逐漸減小，閘瓦加速度也逐漸減小。最后當(dāng)制動盤與閘瓦接觸時，加速度變?yōu)榱?，并一直持續(xù)。

仿真分析對制動器的控制過程進(jìn)行了分析，得到了盤形制動器在制動過程中，加速度、閘瓦位移隨時間的變化關(guān)系。根據(jù)計算結(jié)果基于恒壓回路控制系統(tǒng)的制動器制動迅速，響應(yīng)時間較短，在制動過程中加速度值變化較小。其制動力可隨負(fù)載變化而變化，適用于不同工況條件下提升機(jī)工作要求。

5 結(jié)語

1）通過建立制動過程數(shù)學(xué)模型與SIMULINK 仿真模型，獲得盤式制動器制動加速度、速度、閘瓦位移隨時間的變化關(guān)系。

2）通過仿真盤形制動器系統(tǒng)，表明制動器制動迅速，響應(yīng)時間較短，在制動過程中加速度值變化較小，其制動力可隨負(fù)載變化而變化。

3）仿真結(jié)果可以為后續(xù)系統(tǒng)參數(shù)化優(yōu)化、實(shí)際應(yīng)用提供可靠參考。