單軌吊制動車關鍵部件設計與分析

于 飛

（陽煤一礦掘二隊， 山西 陽泉 045000）

引言

近年來，單軌吊車由于其便捷性和實用性在礦井中得到了大量使用，逐漸成為礦井生產必不可少的工具。單軌吊車通過懸掛好的特定軌道運行，不會被礦井中的惡劣環境所局限，產生噪聲小、不易發生損壞、便于維修，而且能夠直接達到運送地點。但隨著礦井生產的日益標準化、科學化、現代化，急需一種能夠與當前吊軌無縫銜接，并能在吊車超速失控下自動停車的制動系統以保證緊急制動的安全性、穩定性。本文設計了單軌吊系統的關鍵部件，并結合應用情況對其主要受力部件進行了探討和論證。

1 關鍵部件設計

單軌吊由于需要在礦井的限制條件下使用，即使處于正常工作也不可避免要遭受到諸多惡劣環境的各種地質情況的局限。首先，制動系統需要滿足煤礦安全規程中嚴格的防火防爆規定，這樣對材料的選取就提出了很高的要求[1]。另一方面，在礦井中，巷道較為狹窄和雜亂，單軌吊運行環境差而且空間不大，所以要求制動系統總體尺寸不能過大，太大的話會影響其他工種的生產進行。

根據《煤礦安全規程》，單軌吊運行的最高速度不得大于2 m/s，當速度達到2.6 m/s時必須進行緊急制動防止失控[2]。本制動系統主要由限速管控裝置、動作機構和液壓缸等組成，其主要原理是利用核心技術檢測單軌吊車行駛速度，當速度值躍過設計額定值后，過高的運轉帶來的慣性力觸發限速管控裝置，在動作機構和液壓油缸的共同作用下，在制動閘載彈簧力的作用下緊貼軌道頂板產生較大摩擦力，實現緊急平穩制動。

單軌吊制動系統在設計和應用中存在一些不可避免的問題，由于主要依靠摩擦進行制動，而且所處空間極為有限，在剎車過程中可能會產生火花，甚至引發礦井安全生產事故，故各種材料的選取極為關鍵[3]。液壓缸和彈簧組合使用給液壓缸的選型和設計帶來了挑戰，既要考慮液壓缸的自身效用的發揮，也要充分發揮和彈簧的組合功能。另外，制動器在運行過程中空轉時間不得大于規定值，這就為制動系統的設計改進提出了更高的要求。單軌系統的懸掛軌道為類火車軌道的工字型斷面，但二者的物理性質和化學成分等在很大程度上都存在不同。

1.1 限速管控裝置設計

限速管控裝置是監測單軌吊車行駛速度并進行超速運作的關鍵部件，是用于阻止車輛向前運動的核心構件，它不僅用于緊急制動，而且能在自身重力加載的情況下使車速保持穩定。針對生產實際要求，通常會設有三種制動形態，司機制動、緊急停車制動和剎車制動。限速管控裝置主要組成如圖1所示。自動降速通過將軌道速度傳給緊連著的轉輪，轉輪裝置里有彈簧等調節小部件，當監測到轉速超過規定值后，滑塊拉出彈簧進行剎車觸發。

圖1 限速管控裝置結構示意圖

制動器所用材料在選擇時主要考慮兩個方面，一是制動構件材料，二是所用摩擦片。煤炭行業對制動材料有明確的要求和限制條件，閘片不準使用橡膠和類橡膠材料，確保在制動時不會發生爆炸和失火情況的發生，所以本次設計采用帶有銅粉末的新型合成材料，首先這種燒結材料在剛度方面能達到設計要求，同時保持了銅自身的延展性，而且，銅材料在使用時較難產生火花。對比橡膠等材料的導熱性，銅基新型材料的導熱性是常規材料的90倍還多，非常易于制動系統散熱到礦井空氣中，這樣就能保持系統溫度不會過高，減少了發生礦井火災爆炸的危險隱患。

1.2 彈簧設計

彈簧種類形式多樣，而考慮到圓形可壓縮彈簧簡單實用易于更換，所以選用圓形可壓縮彈簧。當單軌吊處于正常運行速度時，滑塊的角速度為40 r/s左右，離心力在4 000 N左右。而當達到最大超限速度2.6 m/s時，角速度達到了52 r/s，由此可得到離心力大小、彈簧受力以及彈簧剛度。所以最終選取剛度為0.25 N/mm，直徑在0.5～6.0 mm的彈簧均能滿足條件。彈簧是整個制動系統不可或缺的一環，彈簧的穩定應用能極大地保證剎車動作的順利實現，所以必須使用高強度、較高彈性極限和抗屈服極限的材料；另外，還得經過特殊的熱處理工藝，使其具備較高的延展性，通過比對市面各種材料，選擇公認的各種性質優良的該型號材料。

1.3 液壓缸設計

液壓缸和彈簧的組合是剎車的動力來源，彈簧套在液壓缸筒上進行壓縮產生制動力來解決不同工況和不同系統的復雜要求，在剎車過程中，液壓缸無疑會遭到較大沖擊力，故往往需要焊接加固減少對液壓缸的沖擊破壞。

液壓缸缸筒內徑設計公式如下：

式中：D為內徑；F為最大載荷，額定值F=60 kN；P為缸內壓力；n=0.9，

經計算，缸筒內徑取標準值為80 mm。

外圈直徑取95 mm，缸筒材料選用硬質鋼并經過特殊處理。

活塞桿是連接兩個關鍵部件的中轉裝置，選用硬質鋼并經特殊處理，綜合考慮各種條件，并根據機械設計相關規定，選用直徑為50 mm的活塞桿，經過強度和彎曲穩定性檢驗，設計的安全系數較高，強度和穩定性能夠滿足要求。

一般來說，剎車制動產生的阻力是最大動力的1.8倍左右，而礦井生產實際中，常使用好幾個驅動元協同運行，這就需要考慮最大生產力來確定驅動個數。當前常用的單軌吊，額定生產力在20 kN。

2 關于制動搖臂部件的有限元計算

制動搖臂中段通過軸承處在機器架子上，上下分別連接控制閘和制動彈簧，彈簧的彈力本來很小，但利用杠桿原理作用后控制制動閥，能有效實現對單軌吊的平穩制動。為了充分驗證搖臂的運行可靠性，通過建立幾何模型進行強度檢驗，利用有限元計算，并通過網格進行單元格劃分，每個空間設置為5 mm，通過材料屬性進行工況設定，根據受力分析模型，當搖臂在制動狀態下所承受的載荷無疑達到最大，模擬結果顯示，搖臂下部和臂部相垂直的推力為33 kN，而搖臂上部要承受垂直于臂部的推力120 kN，中間通過滾動軸承固定并進行一個方向的活動和作業。當搖臂處在最不利的工作情況下，對此時制動搖臂的狀態進行限制并逐步施加荷載。在受力軟件模擬下，得出變形示意圖和受力狀態圖。

通過模型可以看出，當處在最不利的工作條件下，制動搖臂所承受的最大應力為150 MPa，所用器具的屈服強度為350 MPa，剛度設計科學合理，且在滿負荷條件下，最大形變量為0.90 mm，而且位置處在最下端，對單軌吊車所帶來的影響較小，并不能夠威脅吊車的可靠性。另外，比較搖臂的運作過程，液壓缸受到壓縮而彈簧座會受到彈力的反作用力，在分析液壓缸和彈簧座的形變云圖后，可知彈簧座的強度能夠達到設計要求，而液壓缸由于受力較大，雖然能夠滿足當前的設計強度，但考慮到安全系數和足夠的可靠余地，需額外進行焊接加固，在受力較大處焊接鋼板增大接觸面減小壓強避免液壓缸帶來的破壞和變形。

3 結語

為了充分論證所設置系統的科學性，準確掌握預測單軌吊工作過程中的形變大小，利用軟件對搖臂、液壓缸和彈簧座等核心構件建立模型導入軟件表格中進行有限元計算。通過對結果比較分析可知，模擬結果和設計想要達到的理想結果基本一致，能達到剛度和強度要求，并能提升單軌吊在礦井中的運行可靠性，這種設計思路和礦井實際應用情況給同類設備的設計和應用提供了借鑒和參考。