帶式輸送機(jī)盤式制動(dòng)裝置的設(shè)計(jì)及仿真分析

翟 寰

（山西陽(yáng)煤寺家莊有限責(zé)任公司， 山西 昔陽(yáng) 045300）

引言

帶式輸送機(jī)是綜采工作面的主要運(yùn)輸設(shè)備，其運(yùn)輸效率和安全性直接決定工作面的運(yùn)輸能力。帶式輸送機(jī)運(yùn)輸?shù)陌踩栽诤艽蟪潭壬蠜Q定于設(shè)備制動(dòng)的有效性。統(tǒng)計(jì)表明，由于制動(dòng)器故障導(dǎo)致煤礦事故發(fā)生的案例不在少數(shù)。目前，應(yīng)用于帶式輸送機(jī)制動(dòng)裝置的類型包括塊式制動(dòng)器、盤式制動(dòng)器、液力制動(dòng)器及液壓調(diào)壓制動(dòng)器。本文以帶式輸送機(jī)盤式制動(dòng)器為例開展研究，該制動(dòng)器存在系統(tǒng)復(fù)雜、維護(hù)困難等問(wèn)題，關(guān)鍵核心問(wèn)題在于該制動(dòng)器缺乏保壓功能[1]。本文將針對(duì)上述問(wèn)題對(duì)帶式輸送機(jī)盤式制動(dòng)器展開研究，并對(duì)其溫度場(chǎng)進(jìn)行仿真分析。具體闡述如下：

1 盤式制動(dòng)裝置概述

盤式制動(dòng)裝置作為應(yīng)用于帶式輸送機(jī)制動(dòng)系統(tǒng)的機(jī)電液一體化產(chǎn)品，其包括機(jī)械制動(dòng)分系統(tǒng)、液壓制動(dòng)分系統(tǒng)及相關(guān)電氣控制分系統(tǒng)。對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1 所示。

圖1 盤式制動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)框圖及控制流程

由圖1 所示，機(jī)械制動(dòng)分系統(tǒng)主要由盤式制動(dòng)器和制動(dòng)盤組成，其中盤式制動(dòng)器內(nèi)部包括多片蝶形彈簧，通過(guò)對(duì)其施加正壓力產(chǎn)生摩擦而提供制動(dòng)力矩；液壓制動(dòng)分系統(tǒng)主要是對(duì)調(diào)壓閥、電液比例閥等液壓元器件進(jìn)行控制，主要針對(duì)油路的走向和流量根據(jù)工況進(jìn)行調(diào)整，其是對(duì)制動(dòng)力矩調(diào)整的關(guān)鍵分系統(tǒng)；電氣控制系統(tǒng)的主要任務(wù)是對(duì)液壓油的壓力進(jìn)行控制。

在實(shí)際制動(dòng)操作中，盤式制動(dòng)裝置可對(duì)帶式輸送機(jī)在松閘過(guò)程、正常停車、工作制動(dòng)、系統(tǒng)斷電及緊急制動(dòng)等過(guò)程進(jìn)行控制。控制流程如下：盤式制動(dòng)裝置通過(guò)電氣控制系統(tǒng)對(duì)其液壓制動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行控制，通過(guò)液壓油路對(duì)機(jī)械構(gòu)件包括盤式制動(dòng)器和制動(dòng)盤進(jìn)行控制[2]。

2 盤式制動(dòng)裝置液壓元件的選型

盤式制動(dòng)裝置的液壓元件可分為動(dòng)力元件和輔助元件兩種。

2.1 動(dòng)力元件

盤式制動(dòng)裝置動(dòng)力元件主要包括液壓泵、電機(jī)的選型。

2.1.1 液壓泵

對(duì)液壓泵選型的主要依據(jù)為泵的最大工作壓力和流量。對(duì)于液壓泵的最大工作壓力需綜合考慮盤式制動(dòng)器的最大工作壓力和實(shí)際制動(dòng)過(guò)程中管路中壓力的損失。對(duì)于本文所研究盤式制動(dòng)裝置的最大工作壓力為7 MPa；同時(shí)，該盤式制動(dòng)裝置對(duì)應(yīng)的液壓管路相對(duì)復(fù)雜，應(yīng)取管路的壓力損失值1.5 MPa。因此，盤式制動(dòng)裝置液壓泵對(duì)應(yīng)的最大工作壓力為8.5 MPa。

結(jié)合《煤炭安全標(biāo)準(zhǔn)》的相關(guān)規(guī)定，帶式輸送機(jī)盤式制動(dòng)系統(tǒng)在制動(dòng)過(guò)程時(shí)的空動(dòng)時(shí)間不得超過(guò)0.2 s，盤式制動(dòng)裝置的閘瓦間隙不得大于1 mm。結(jié)合相關(guān)理論計(jì)算得出，液壓泵的供油流量不得小于7.68 L/min。

綜上所述，本系統(tǒng)所配置的液壓泵采用型號(hào)為CBF-E16 型齒輪泵，該型泵的具體參數(shù)如下頁(yè)表1所示。

表1 CBF-E16 型齒輪泵關(guān)鍵參數(shù)

2.1.2 電機(jī)

盤式制動(dòng)裝置對(duì)應(yīng)電機(jī)選型的主要依據(jù)為其運(yùn)行時(shí)的所需功率值。電機(jī)功率值與液壓泵的最大工作壓力、額定流量及總效率相關(guān)[3]。結(jié)合上述三項(xiàng)變量及理論計(jì)算公式，得出該系統(tǒng)配置電動(dòng)機(jī)的功率不得小于1.59 kW。參考《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》，本系統(tǒng)所配置電機(jī)的型號(hào)為YB100L1-4，該型電動(dòng)機(jī)的具體參數(shù)如表2 所示。

表2 YB100L1-4 電動(dòng)機(jī)具體參數(shù)

2.2 輔助元件

輔助元件包括盤式制動(dòng)裝置液壓系統(tǒng)的蓄能器、過(guò)濾器、油箱及管路等。

蓄能器的主要功能是在系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中保證管路中壓力的穩(wěn)定，本系統(tǒng)所配置蓄能器的型號(hào)為NXQ1-L0.63/10-L-H，該蓄能器對(duì)應(yīng)的最大蓄能壓力值為2.5 MPa。

過(guò)濾器的主要功能是管路中液壓油的雜質(zhì)被完全去除，避免管路被阻塞[4]。過(guò)濾器可分為進(jìn)油過(guò)濾器和回油過(guò)濾器。本系統(tǒng)選擇的進(jìn)油過(guò)濾器型號(hào)為WU-40×80，出油過(guò)濾器的型號(hào)為Z/QU-H40×10BDP，對(duì)應(yīng)的關(guān)鍵參數(shù)如表3 所示。

表3 過(guò)濾器關(guān)鍵參數(shù)

結(jié)合實(shí)際制動(dòng)需求和液壓油的需求，配置液壓油箱的長(zhǎng)度為800mm、寬度為700mm、高度為585mm；所配置管路的內(nèi)徑為8 mm，外徑為14 mm。

3 盤式制動(dòng)器的仿真分析

本文重點(diǎn)對(duì)盤式制動(dòng)器在實(shí)際制動(dòng)過(guò)程中的溫度場(chǎng)進(jìn)行仿真分析。在實(shí)際仿真時(shí)需作出如下假設(shè)：

1）假設(shè)在制動(dòng)過(guò)程中盤式制動(dòng)器的摩擦系數(shù)為恒定值。

2）假設(shè)盤式制動(dòng)系統(tǒng)中制動(dòng)器材料的物理參數(shù)均為恒定值。

3）假設(shè)盤式制動(dòng)系統(tǒng)在實(shí)際制動(dòng)過(guò)程中的摩擦功全部轉(zhuǎn)化為摩擦熱。

4）忽略盤式制動(dòng)器在制動(dòng)過(guò)程中的輻射散熱。

5）假設(shè)整個(gè)制動(dòng)過(guò)程為勻減速過(guò)程。

基于SolidWorks 軟件建立制動(dòng)盤和閘瓦的三維模型，并對(duì)三維模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分操作，根據(jù)制動(dòng)盤和閘瓦的材料特性對(duì)模型中的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置[5]。其中，制動(dòng)盤采用的材料類型為16Mn，閘瓦采用無(wú)石棉環(huán)保型閘瓦。仿真初始參數(shù)設(shè)置如下：

設(shè)定制動(dòng)盤的初始轉(zhuǎn)速為60 r/min，整個(gè)仿真時(shí)間設(shè)定為20 s，制動(dòng)過(guò)程的時(shí)間為12 s，系統(tǒng)所設(shè)定的制動(dòng)壓力值為80 kN，制動(dòng)盤與閘瓦之間摩擦系數(shù)為0.35，泊松比為0.3。整個(gè)仿真過(guò)程中制動(dòng)系統(tǒng)的初始溫度和環(huán)境溫度均為22 ℃，并得到如圖2 所示的仿真結(jié)果。

圖2 制動(dòng)盤最高溫度隨時(shí)間的變化

如圖2 所示，在制動(dòng)時(shí)間為0.1 s 左右時(shí)，制動(dòng)盤溫度最高范圍位于摩擦副的接觸表面和制動(dòng)盤及其軸承相連接的位置，此時(shí)最高溫度為47.29 ℃；隨著制動(dòng)時(shí)間的延長(zhǎng)，閘瓦和制動(dòng)盤轉(zhuǎn)動(dòng)的圈數(shù)不斷增加，所產(chǎn)生的熱量不斷積累，并在0.5 s 時(shí)制動(dòng)盤的溫度達(dá)到最高，最高值為49.899 ℃；隨著制動(dòng)操作的進(jìn)行，制動(dòng)盤的轉(zhuǎn)速不斷減小，對(duì)應(yīng)的摩擦制動(dòng)產(chǎn)生的熱量也在減小，當(dāng)12 s 制動(dòng)結(jié)束后制動(dòng)盤的轉(zhuǎn)速降為零，在制動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生的熱量通過(guò)空氣散熱的方式最終降低至與室溫相接近的24.49 ℃。

4 結(jié)語(yǔ)

帶式輸送機(jī)為綜采工作面的關(guān)鍵運(yùn)輸設(shè)備，其運(yùn)行的安全性和可靠性在很大程度上決定于制動(dòng)裝置的性能。本文結(jié)合帶式輸送機(jī)的實(shí)際運(yùn)輸任務(wù)主要對(duì)其盤式制動(dòng)裝置的液壓主元件和輔助元件進(jìn)行設(shè)計(jì)，并對(duì)盤式制動(dòng)器在制動(dòng)過(guò)程中制動(dòng)盤的溫度場(chǎng)進(jìn)行仿真分析，掌握制動(dòng)盤的溫度場(chǎng)變化趨勢(shì)，為后續(xù)盤式制動(dòng)器的優(yōu)化奠定基礎(chǔ)。