基于SIMULINK的礦井提升機盤式制動器性能研究

楊 勇

（山西省長治經坊煤業有限公司，山西 長治 047100）

引言

研究調查發現，我國80%及以上的礦井都屬于井工礦，需要借助礦井提升設備將煤礦源源不斷從礦井下面運輸到上面，提升機的制動系統是保障提升系統安全運行的最后一道防線、也是最重要的安全保護措施[1]。

液壓盤式制動控制系統的結構設計對提升機整體的性能影響巨大，因為其為上下運動的執行機構，主要是控制轎廂制動，制動的方式選擇與制動的力度對實際使用影響較大，如果制動時加速度過大，會對升降機內的人員造成傷害。盤式制動控制系統的回路設計，包含制動回路設計、液壓制動系統、恒減速制動系統[2]。

1 盤式制動器簡述

制動器式提升機制動系統中重要的組成部分，在目前主流使用的提升機制動器中盤式制動器應用比例較高。因為盤式制動器結構緊湊、重量輕、控制動作靈巧，所以被廣泛應用于提升機的制動系統中。盤式制動器的工作原理為，依靠碟簧提供鎖緊力，靠液壓油缸實現松閥動作。當油缸中的油壓降低時，蝶形彈簧處于伸長狀態，彈簧推動閘瓦，閘瓦直接與制動盤接觸，摩擦產生切向制動力，當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液壓的大小有直接關系。現實使用中提升機制動器故障卻時有發生，絕大部分故障都是有液壓不穩定導致，而引起液壓不穩定的兩大因素是減壓閥、溢流閥，因此對制動器控制系統的研究具有重要意義。如圖1 所示，盤形制動器結構[4]。

2 盤式制動器控制系統分析

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

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

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

圖2 含溢流閥的恒減速回路

3 盤式制動器系統仿真

根據JKB-2.5×2.3P型提升機盤形制動器控制系統系統設計和結構設計資料，對液壓盤形制動器進行建模仿真分析。

3.1 制動系統數學模型的建立

對模型進行仿真分析的第一步建立結構的力學方程，根據盤式制動器的設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平衡方程式：

式中：m 為運動部件總質量，kg；fz為液壓缸阻尼系數；K 為碟簧剛度系數；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、數字控制、數字信號類的仿真分析。使用簡單，模塊化操作，根據制動器力學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，根據松閘過程方程可創建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A1、A2、A3，分別代表為液壓油缸阻尼系數、蝶簧剛度系數、制動器行程的倒數，初值為1。

4 仿真結果分析

根據JKB-2.5×2.3P型提升機盤形制動器的恒減速回路結構設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。根據計算結果，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，閘瓦開始產生位移。當時間達到1.45 ms 時，閘瓦與制動器接觸，產生制動力。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。最后當制動盤與閘瓦接觸時，加速度變為零，并一直持續。

仿真分析對制動器的控制過程進行了分析，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系。根據計算結果基于恒壓回路控制系統的制動器制動迅速，響應時間較短，在制動過程中加速度值變化較小。其制動力可隨負載變化而變化，適用于不同工況條件下提升機工作要求。

5 結語

1）通過建立制動過程數學模型與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系。

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

3）仿真結果可以為后續系統參數化優化、實際應用提供可靠參考。