礦井提升機(jī)電機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

□ 李程浩

霍州煤電集團(tuán)呂梁山煤電有限公司方山縣店坪煤礦 山西呂梁 033100

1 設(shè)計(jì)背景

隨著采煤行業(yè)的發(fā)展,煤礦的安全生產(chǎn)決定了采煤作業(yè)的質(zhì)量和效率。目前,90%以上的煤炭資源僅能采取井下開采方法,平均開采深度達(dá)到600 m,開采作業(yè)條件較為復(fù)雜。

礦井提升機(jī)是關(guān)系到井下采煤安全的關(guān)鍵設(shè)備之一,其制動(dòng)系統(tǒng)制動(dòng)性能的優(yōu)劣將直接影響整個(gè)礦井的正常生產(chǎn)。目前,礦井提升機(jī)制動(dòng)系統(tǒng)主要通過液壓系統(tǒng)控制盤式制動(dòng)器制動(dòng)。由于液壓系統(tǒng)存在漏油、管路復(fù)雜、液壓油變質(zhì)的問題,往往不能滿足井下作業(yè)的有效制動(dòng)要求。

針對(duì)上述問題,筆者以JKML-4×5多繩摩擦式礦井提升機(jī)為研究對(duì)象,設(shè)計(jì)一套電機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng),提升制動(dòng)性能,降低后期維護(hù)成本。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

結(jié)合礦井提升機(jī)運(yùn)行及制動(dòng)特點(diǎn),采用盤式制動(dòng)器作為制動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。結(jié)合電機(jī)械傳動(dòng)動(dòng)力學(xué)原理,設(shè)計(jì)電機(jī)械制動(dòng)方案,如圖1所示。

從圖1中可以看出,在制動(dòng)系統(tǒng)中,力矩電機(jī)通過減速增扭裝置連接傳動(dòng)部件。在非工作狀態(tài)時(shí),電機(jī)輸出力矩,控制蝶形彈簧,閘瓦后移。在工作狀態(tài)時(shí),電機(jī)斷電,蝶形彈簧推動(dòng)閘瓦及制動(dòng)盤,實(shí)現(xiàn)礦井提升機(jī)構(gòu)制動(dòng)。針對(duì)電機(jī)械制動(dòng)方案,結(jié)合JKML-4×5礦井提升機(jī)制動(dòng)性能要求,確定內(nèi)部元件選型。

對(duì)于動(dòng)力輸出部分,井下工作環(huán)境惡劣,礦井提升機(jī)制動(dòng)過程中需要滿足制動(dòng)周期短、制動(dòng)力矩大等要求。同時(shí),為保證礦井提升能力,制動(dòng)系統(tǒng)的整體質(zhì)量不宜過大。結(jié)合上述要求,選用直流無(wú)刷力矩電機(jī)作為動(dòng)力輸出部分。

對(duì)于傳動(dòng)連接部分,目前提升機(jī)制動(dòng)器的減速增扭系統(tǒng)通常選用行星齒輪減速器或蝸輪蝸桿減速器。蝸輪蝸桿減速器傳動(dòng)比大,結(jié)構(gòu)緊湊,但是傳動(dòng)效率較低,結(jié)構(gòu)精度要求高。行星齒輪減速器傳動(dòng)效率較高,制動(dòng)間隙消除時(shí)間短,結(jié)構(gòu)較穩(wěn)定。結(jié)合礦井環(huán)境,充分考慮制動(dòng)系統(tǒng)的安全可靠性,確定選用行星齒輪減速器作為傳動(dòng)連接部分,以控制礦井提升機(jī)工作狀態(tài)時(shí)振動(dòng)和沖擊對(duì)制動(dòng)系統(tǒng)產(chǎn)生的影響。

對(duì)于制動(dòng)執(zhí)行部分,主要工作是將電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)力矩轉(zhuǎn)換為直線移動(dòng)。國(guó)家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局發(fā)布的《煤礦安全規(guī)程》對(duì)礦井制動(dòng)間隙有嚴(yán)格要求,制動(dòng)間隙不得大于1 mm。因此,選用控制精度較高的螺旋傳動(dòng)系統(tǒng)作為制動(dòng)執(zhí)行元件。

綜合上述機(jī)構(gòu)元件的選擇,電機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

從圖2中可以看出,電機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)采用雙側(cè)制動(dòng)的形式,通過兩個(gè)電機(jī)械結(jié)構(gòu)同時(shí)夾緊一個(gè)制動(dòng)輪。這樣的結(jié)構(gòu)較為特殊,為驗(yàn)證制動(dòng)特性,需要模擬電機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)的正壓力對(duì)制動(dòng)時(shí)間的影響。

3 模擬仿真分析

制動(dòng)響應(yīng)時(shí)間是反映制動(dòng)系統(tǒng)制動(dòng)性能的主要依據(jù),為驗(yàn)證電機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)的制動(dòng)特性,結(jié)合提升機(jī)制動(dòng)原理,利用ADAMS軟件,對(duì)電機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行模擬仿真分析。

進(jìn)行原理分析,并且建立約束。影響制動(dòng)響應(yīng)時(shí)間的主要因素包括制動(dòng)正壓力、制動(dòng)間隙、制動(dòng)方式等。JKML-4×5 礦井提升機(jī)的制動(dòng)原理是電機(jī)帶動(dòng)絲杠驅(qū)動(dòng)閘瓦產(chǎn)生制動(dòng)正壓力。根據(jù)結(jié)構(gòu)運(yùn)行情況,充分考慮制動(dòng)影響因素,對(duì)電機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)增加對(duì)應(yīng)約束。

電機(jī)、軸承座、制動(dòng)器殼體設(shè)置固定地面。螺母、滑塊、軸瓦座之間沒有相對(duì)制動(dòng)間隙,將其設(shè)置為整體結(jié)構(gòu)。將蝶形彈簧改為彈性阻尼器,并增加彈簧力約束。滑塊與絲杠之間、軸瓦與滑塊之間增加旋轉(zhuǎn)副及固定副。制動(dòng)盤與固定地面之間增加扭矩及旋轉(zhuǎn)副。

進(jìn)行制動(dòng)力函數(shù)建模。礦井提升機(jī)的制動(dòng)方式是通過制動(dòng)盤與軸瓦接觸產(chǎn)生制動(dòng)力。針對(duì)電機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)的制動(dòng)力,可以使用沖擊函數(shù)法建模,具體表達(dá)式如下:

IMPACT=

STEP(x,x1,-d,cmax,x1,0)=

式中:x為閘瓦與制動(dòng)盤的距離;x0為阻尼完全作用下閘瓦與制動(dòng)盤的距離;x1為閘瓦與制動(dòng)盤接觸時(shí)的相對(duì)距離;k為剛度因數(shù),取0.35;c為剛度指數(shù);cmax為阻尼因數(shù),取0.4;d為摩擦產(chǎn)生阻力作用下的距離。

利用ADAMS軟件模擬制動(dòng)過程,結(jié)合礦井提升機(jī)運(yùn)行要求,設(shè)定電機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)的制動(dòng)正壓力為30 kN,制動(dòng)盤摩擦因數(shù)為0.3,制動(dòng)盤初始速度為20.5 m/s。礦井提升機(jī)運(yùn)行過程中是否安全可靠,制動(dòng)系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間是關(guān)鍵指標(biāo)。通常情況下,制動(dòng)響應(yīng)時(shí)間主要包括摩擦制動(dòng)時(shí)間和制動(dòng)間隙消除時(shí)間兩個(gè)部分。在制動(dòng)力不變的情況下,摩擦制動(dòng)時(shí)間通常不會(huì)產(chǎn)生較大的變化,制動(dòng)系統(tǒng)性能主要由制動(dòng)間隙消除時(shí)間決定。剛?cè)狁詈现苿?dòng)夾緊力響應(yīng)如圖3所示。

從圖3中可以看出,在未給予制動(dòng)信號(hào)前,電機(jī)控制左右制動(dòng)器不工作。在0.5 s時(shí)輸入制動(dòng)信號(hào),制動(dòng)電機(jī)停轉(zhuǎn),左右制動(dòng)器響應(yīng),響應(yīng)偏差為0.08 s,并分別在0.61 s、0.63 s達(dá)到30 kN制動(dòng)力。制動(dòng)消除時(shí)間為0.11～0.13 s,滿足《煤礦安全規(guī)程》中礦井提升機(jī)制動(dòng)器制動(dòng)間隙消除時(shí)間在0.3 s以內(nèi)的技術(shù)要求。

最終左側(cè)制動(dòng)壓力穩(wěn)定在29.46 kN,右側(cè)制動(dòng)壓力穩(wěn)定在29.52 kN,整體偏差值不大于2%,滿足制動(dòng)力均勻制動(dòng)的要求。

4 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

為驗(yàn)證電機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)處于不同工況下的制動(dòng)性能,在ADAMS軟件模擬仿真分析的基礎(chǔ)上,在實(shí)驗(yàn)室搭建1∶1電機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng),用于驗(yàn)證模擬仿真分析的正確性,檢測(cè)不同制動(dòng)力矩下的制動(dòng)性能。制動(dòng)試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)如圖4所示。

制動(dòng)試驗(yàn)通過三個(gè)方面對(duì)制動(dòng)效果進(jìn)行檢測(cè)。動(dòng)力部分檢測(cè)力矩電機(jī)及減速器,通過編碼器檢測(cè)器輸入轉(zhuǎn)速。傳動(dòng)部分檢測(cè)聯(lián)軸器,通過扭矩傳感器檢測(cè)扭矩輸出。制動(dòng)部分檢測(cè)制動(dòng)器,通過壓力傳感器檢測(cè)制動(dòng)力。

為驗(yàn)證電機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性,分析在不同礦井提升機(jī)運(yùn)行速度時(shí)的制動(dòng)性能,在制動(dòng)力相同為3 kN的情況下,設(shè)計(jì)三組制動(dòng)盤初始轉(zhuǎn)速,分別為120 r/min、180 r/min、240 r/min,檢測(cè)制動(dòng)時(shí)間,試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。

從圖5中可以看出,在制動(dòng)正壓力不變的情況下,隨著轉(zhuǎn)速的提高,制動(dòng)時(shí)間按比例延長(zhǎng)。初始轉(zhuǎn)速為120 r/min時(shí),制動(dòng)加速度為53 m/s2。初始轉(zhuǎn)速為180 r/min時(shí),制動(dòng)加速度變?yōu)?6 m/s2。初始轉(zhuǎn)速為240 r/min時(shí),制動(dòng)加速度變?yōu)?2 m/s2。制動(dòng)加速度偏差比不大于6%,制動(dòng)性能穩(wěn)定。

5 結(jié)束語(yǔ)

為解決傳統(tǒng)液壓盤式制動(dòng)器在礦井提升機(jī)中結(jié)構(gòu)復(fù)雜、維護(hù)成本高等問題,以JKML-4×5礦井提升機(jī)為研究對(duì)象,設(shè)計(jì)了電機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)。

針對(duì)井下惡劣環(huán)境,電機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用電機(jī)—減速器—絲杠—蝶形彈簧—制動(dòng)盤的結(jié)構(gòu),結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,運(yùn)行穩(wěn)定,能有效承受礦井提升機(jī)工作狀態(tài)時(shí)的振動(dòng)和沖擊。

為了驗(yàn)證電機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)的效果,建立電機(jī)械制動(dòng)動(dòng)力學(xué)模型,利用ADAMS 軟件模擬仿真。仿真結(jié)果顯示,電機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)制動(dòng)間隙消除時(shí)間不超過0.1 s,能夠有效改善礦井提升機(jī)的制動(dòng)性能,保證工作安全性。

通過搭建制動(dòng)試驗(yàn)臺(tái),分析在不同礦井提升機(jī)運(yùn)行速度時(shí)的實(shí)際制動(dòng)性能。結(jié)果顯示,在制動(dòng)力相同的情況下,隨著轉(zhuǎn)速的提高,制動(dòng)時(shí)間按比例延長(zhǎng),制動(dòng)性能穩(wěn)定可靠。