礦用下運帶式輸送機制動裝置的研究與應用分析

張鋒

（陽泉市上社煤炭有限責任公司，山西 盂縣 045100）

1 概 況

帶式輸送機是煤礦領域重要的輔助運輸裝置，由于煤礦井下生產環境復雜，部分運輸巷道向下傾斜，在此環境下使用的輸送機稱為下運帶式輸送機。由于整體向下傾斜，使得煤礦物料自身重力變成一種驅動力，促使帶式輸送機加速向下運動，若不采取措施進行制動，輸送機運行速度會越來越快，最終失控，出現所謂的“飛車”現象。一旦出現“飛車”現象，輕則影響煤礦的正常運輸，重則威脅設備和人員安全。因此需采取措施對下運帶式輸送機的運行過程進行精確制動，確保皮帶運行速度在安全范圍以內。本文以上社煤礦DSJ120/100/2×315 型帶式輸送機為研究對象，在分析傳統盤式制動器結構缺陷問題的基礎上，對傳統制動器結構進行優化改進。

2 制動裝置的基本原理及布置情況

2.1 基本原理

制動裝置是下運帶式輸送機的必備設備，不僅可以對啟動及停車過程進行控制，緊急情況下可以對設備進行制動，避免出現飛車、滑車等現象，保障其安全。制動裝置的基本原理是機械能與熱能之間的轉換，可將設備運行時的機械能轉換成制動盤熱能，最終耗散掉。制動裝置運行時配合控制系統，利用傳感器對皮帶速度進行實時監測，并作為控制系統的反饋值，可以對帶式輸送機的運行速度進行精確控制，防止速度突變對設備造成沖擊，提升設備的運行穩定性，降低故障率。

2.2 制動裝置的布置

因為其工作原理，制動裝置運行時會產生大量熱量，導致裝置溫度快速上升。溫度上升過快或過大會影響制動盤性能，給設備正常運行埋下隱患。根據《煤礦安全規程》中的相關規定，煤礦中使用的所有設備溫度不得高于100 ℃。為避免制動盤溫度過高，需要將制動裝置設置在轉速相對較低的位置，避免轉速過高產生高溫。基于此，此次研究將制動裝置設置在低速軸上，如圖1 所示。

圖1 下運帶式輸送制動裝置的安裝位置示意Fig.1 Installation position of downward belt conveyor braking device

3 傳統盤式制動裝置存在的問題分析

上社煤礦DSJ120/100/2×315 型帶式輸送機原有的盤式制動裝置屬于油缸后置式，這是我國煤礦中使用較多的一種結構形式，如圖2 所示。傳統盤式制動裝置結構相對簡單，加工方便，但在上社煤礦實際應用中存在一些問題，主要表現在以下3 個方面。

（1）傳統盤式制動裝置中，主要通過中心軸1 承受碟簧力，在一些特殊工況條件下，碟簧力非常大，若中心軸力學性能不達標就容易出現斷軸問題。

（2）傳統盤式制動裝置中有多個位置需要密封，具體為圖2 標記2 所指位置。密封位置越多越容易出現泄露問題，影響設備正常工作，所以在上社煤礦實踐中經常出現漏油現象。

（3）傳統的盤式制動裝置工作過程中對筒體與支撐、油缸與活塞、油缸蓋與活塞這3 個部位的同軸度要求較高，即圖2 中標記3 指向的3 個位置。若加工或裝配時誤差較大，則會影響裝置的正常穩定運行，即上社煤礦實踐中經常出現的卡閘現象。

4 盤式制動裝置的結構改進研究

4.1 結構改進

針對傳統盤式制動裝置工作過程中暴露出的缺陷問題，基于筆者實踐經驗對結構進行了優化改進，以期在一定程度上緩解傳統裝置存在的問題。圖3 為優化改進后的盤式制動裝置整體結構。

圖3 改進后的盤式制動裝置結構Fig.3 Improved structure of disc brake device

與傳統制動裝置相比較，中心軸的功能利用12 根拉緊螺栓替代，12 根螺栓沿圓周方向均勻分布，確保特殊工況條件下結構的抗拉強度，避免出現斷軸問題。新裝置只對支撐與油缸、油缸與活塞2 個位置的同軸度有較高的要求，與傳統裝置相比減少了1 個，理論上說設備運行時出現卡閘的概率降低了1/3。另外，油缸與活塞之間只需要實施一次密封即可，降低了泄漏的概率。改進裝置中設置有力傳感器，可以對碟簧力大小進行實時監測，可以通過控制系統對制動過程進行更加精確的控制。

需要注意的是，具體應用時，圖3 所示的結構裝置需成對使用，對稱布置在制動盤兩側，確保制動盤受力均衡。

4.2 制動裝置基本工作過程分析

如圖4 所示為改進后的盤式制動裝置工作時的基本受力情況。盤式制動裝置運行時的受力主要包括內部碟簧彈力FD、制動液壓力Fp、機構運行總摩擦力Ff，制動裝置作用在制動盤上的力FN=FDFp-Ff。內部碟簧彈力FD主要與閘瓦間隙△x1、碟簧預壓縮量△x2這2 個參數有關，制動液壓力Fp主要與油缸截面積和油壓有關，機構摩擦力主要與法線方向正壓力相關。

圖4 盤式制動裝置工作時的受力情況Fig.4 Force situation of disc brake device when it is working

當把制動裝置對稱地安裝在制動盤兩側時，碟簧的預壓縮量和剛度基本保持不變，油缸和活塞直徑也基本不變，當機構之間潤滑良好時幾乎可忽略摩擦力的影響。根據制動裝置制動力FN的計算公式可知，FN的大小主要受到液壓力和閘瓦間隙的影響。閘瓦通常選用耐磨材料，具有非常高的耐磨性，短時間內的磨損量可以忽略不計，閘瓦間隙變化量相對較小，所以FN主要受液壓系統提供液壓力的影響。因此可知，制動液壓力Fp與制動盤壓力FN之間呈反比例關系，通過控制液壓系統提供的制動液壓力即可對制動力進行準確控制。

當制動液壓力Fp較小時，在碟簧彈力的作用下，制動裝置將處于工作狀態，對制動盤進行制動；相反，當制動液壓力Fp較大時，液壓力與碟簧彈力相抵消，此時作用在制動盤上的力FN減小，下運帶式輸送機的制動效果減弱。據此達到帶式輸送機精確制動的目的。

5 制動裝置的應用效果

為了驗證改進后的盤式制動器的可行性和可靠性，根據設計方案將其運用到上社煤礦工程實踐中，試運行1 a 左右，期間對制動裝置的運行情況進行觀察記錄。結果發現，制動裝置整體運行良好，未出現故障問題，可以對DSJ120/100/2×315型帶式輸送機的運行過程進行精確制動，之前上社煤礦偶爾會出現的帶式輸送機“飛車”現象沒有再出現，為企業創造了很好的安全效益和經濟效益。

6 結論

以上社煤礦中使用的DSJ120/100/2×315 型帶式輸送機制動裝置為研究對象，在分析傳統制動裝置問題的基礎上，對結構進行優化改進。

（1）制動裝置主要利用制動盤和閘瓦之間的摩擦進行制動，工作時因摩擦會產生大量的熱量，因此制動裝置需要安裝在低速軸上，以保障溫度在安全規程要求的100 ℃范圍內。

（2）傳統制動裝置工作時容易出現卡閘、斷軸、泄露等問題，改進后的結構可緩解或避免上述問題，裝置工作時通過液壓油壓力控制制動力，配合傳感器可實現制動力的精確控制。

（3）將改進后的盤式制動裝置應用到上社煤礦帶式輸送機工程實踐中，經1 a 時間的實踐應用表明，改進后的盤式制動裝置達到了預期效果，期間再未出現“飛車”問題，安全效益和經濟效益顯著。