煤礦提升絞車新型制動裝置研究

趙 鑫

（陽煤集團五礦，山西 平定045209）

引言

目前，盤式制動器常被應用于提升絞車中，由于容易出現閘瓦磨損和力矩不足的問題，使得制動性能急劇下降，甚至失去制動效果。因此，應用一種增壓制動裝置，可以有效解決提升絞車體積較大、質量較重等問題。

1 增壓制動器介紹

1.1 結構

盤式制動器通過閘瓦與制動盤之間相互摩擦，產生摩擦力作用使得制動盤減速至停止狀態，實現對提升絞車的制動效應，但是此過程會造成閘瓦的磨損。當閘瓦的磨損程度超過一定界限的時候，會使得閘瓦與制動盤之間的間隙越來越大，最后失去了制動的效果。

增壓制動器是基于鼓式制動器設計的一種增壓式制動裝置，主要的制動形式為內張式，整體設計緊湊，采用常閉式設計實現在不進行工作的時候卷筒被抱閘的，整體結構示意圖如圖1所示[1-2]。

圖1 增壓制動器整體結構設計示意圖

由圖1可知，新型結構設計可以解決現有結構卷筒體積較大的問題，將制動盤與卷筒結合成一體，減小整體體積，使結構更為緊湊。

1.2 安裝工藝

增壓制動器將卷筒安裝在兩側，并在左側使得制動盤與擋繩板結合成一體，制動鼓在旋轉過程中的每處角速度都相同，使制動盤的制動效應均勻分布，從而避免由于每處制動阻力不同而造成的閘瓦的磨損加大[3-4]。增壓制動器與原有結構的安裝工藝大致相同，通過連軸器與軸承對旋轉部件進行連接，采用斜楔塊實現導向功能，這樣的設計會使得整體結構的對稱性較好并且振動幅度較小。整體安裝結構示意圖如圖2所示。

圖2 增壓制動器安裝工藝圖

1.3 主要參數

增壓制動器根據實際現場工況條件設計，滿足實際工作強度、性能需要，設計出工作參數如下：

提升絞車卷筒直徑為1 300 mm，最大靜力偏差值為19.6 kN，閘瓦與制動盤的摩擦系數為0.45，制動鼓摩擦直徑為1 600 mm，最大靜態制動力矩為45 kN·m，增壓制動器額定正向壓力為15 000 N。

2 有限元仿真模型建立及參數設定

2.1 理想狀態假設

為了提高數值模擬分析的效率和精確性對增壓制動裝置的有限元模型提出以下假設：忽略制動過程中的噪聲干擾，考慮將運行機械的動能全部轉化為熱能，以極限狀態考慮摩擦副的工作性能；將提升過程全程考慮為均勻減速運動，減速度值不變；對制動鼓和閘瓦的材料進行假設，忽略其中材料雜質，將閘瓦和制動鼓的材料假設為各項同性材料；制動鼓所輸出的制動率考慮為恒定值，不發生制動力數值波動變化并且與閘瓦屬于全面積接觸。

2.2 材料參數

制動鼓和閘瓦的彈性模量分別為2.12×1011N·m-2和1.3×109N·m-2；泊松比分別為0.25和0.35；熱膨脹系數分別為1.28×10-5K-1和3×10-5K-1，密度大小與實際情況相符，同時根據現場閘瓦襯板的材料進行參數設置。由于進行溫度場分析對于導熱系數的數值敏感性較強，對制動鼓、閘瓦、閘瓦襯板的導熱系數分別設置為53.2 W/（m·K）、1.76 W/（m·K）、16.3 W/（m·K）。

閘瓦材料應穩定可靠，具有摩擦系數不變的特性，在受到外界載荷作用力和溫度變化的情況下，摩擦系數也能保持與最初狀態一致，確保制動性能。此外，閘瓦應選用常規材料種類要求成本較低和加工工藝簡單，降低人工更換成本，減小對制動鼓的損傷面積。

2.3 模型建立

按照實際尺寸1∶1比例的模型大小建立起閘瓦、制動鼓等部件的有限元仿真模型，采用50 mm×50 mm的網格大小進行網格細致劃分，每個單元體采用SOLID45網格單元類型，具有六面體4節點的網格形式，對兩者之間接觸產生的溫度場和應力場進行分析計算。由于主要計算的是增壓制動裝置的局部結構，為提升仿真計算的效率，去除零碎部件，提高整體仿真計算結果的精確性，仿真計算網格模型圖如圖3所示[5]。

圖3 增壓制動裝置仿真計算結構示意圖

2.4 載荷參數設置

在閘瓦與制動骨接觸位置施加正壓力大小為18 MPa的應力值，并且設置在0.002 s時間內達到最大值，與實際制動過程時間相符。設置環境溫度為25℃，對閘瓦與制動鼓約束x軸與y軸的自由度，并對相關不受力部件設置為剛體材料。

3 仿真結果分析

由圖4可以得出，當制動器在工作以后制動鼓的表面上的溫度分布并不均勻，而且當制動器在工作的過程中，閘瓦和制動鼓接觸區域的部分附近的溫度是最高的，并且溫度達到71℃左右。而在其他的時候高溫區域主要出現在制動鼓離開閘瓦接觸面的位置上。溫度在剛開始的時候變化較快，而在后來其溫度上升的幅度開始減小。這主要是因為在剛開始的時候制動鼓的外表面溫度較低，并且只有當制動鼓的溫度高于周圍環境的溫度時，制動鼓的溫度才能在其表面進行對流散熱。并且熱量的傳遞在制動鼓中的傳播是需要一定的時間的。從整個過程分析可以得出增加制動器，在制動過程中產生的溫度符合實際工作安全方面的規定，相比于原始結構在溫度數值下降為23.1%，有效地提高了閘瓦材料的使用壽命。

圖4 閘瓦與制動鼓接觸面溫度場（℃）分布圖

此外，分析閘瓦與制動鼓接觸面的應力狀態，下頁圖5為當制動器穩定運行時制動鼓和閘瓦的等效應力分布圖。從圖5中可以看出制動鼓的應力分布狀況很均勻，也可以看到最大應力出現的位置。最大應力出現在的原因是其運動的過程主要靠位移的變化來實現的[6]。雖然在連接處會最大值的應力數值。但是最大應力值為704 MPa，遠小于材料的安全最大應力數值質，并不影響整個制動鼓的應力情況，由圖5應力狀態圖形可以看到制動鼓的表面上應力是可以承受的。

4 結語

增壓制動裝置可以提高制動裝置的工作力矩并通過增設增壓油缸的方式避免當閘瓦失效后的安全問題，提高了提升絞車的安全可靠性。增壓制動裝置通過高壓油缸和閘瓦聯合對制動盤進行制動動作，減輕了閘瓦的工作強度，提高了閘瓦的工作壽命，避免了頻繁更換閘瓦的情況出現，減小了使用成本并節約了人力、材料和機具使用的費用。研究成果為礦井相關安全制動裝置設備研發、設計提供了依據。

圖5 閘瓦與制動鼓接觸面應力場分布圖