基于SolidWorks Simulation 盤式制動器研究

金 生

（秦皇島港股份有限公司第二港務分公司，河北秦皇島 066000）

0 引言

B2DQ 門式堆取料機卷揚機構的制動器安裝在機械傳動中的高速軸上，即減速機輸入軸。因機械傳動的中間環節和不可靠因素較多，故安全可靠性相對較差。如果制動器安裝在機械傳動的低速軸上，則比較安全可靠，因此，需要在卷筒低速度端增加制動器來提高門取活動梁的安全可靠性。當卷揚機構的高速制動器出現失效故障時，低速盤式制動器可直接制動卷筒，從而有效阻止活動梁在其自重作用下墜落。

根據問題的原因所在，對卷揚機構進行設計改進，通過理論計算、選型，安裝低速盤式制動器，設計電控系統。應用Solid－Works 設計軟件對制動盤和鉗口進行靜力學分析、有預應力的模態分析、瞬態動力學分析，尋找制動盤和鉗口的薄弱環節和易損壞部位。通過仿真分析，驗證卷揚機構低速盤式制動器的安全性和可靠性，避免了不易實現且造價昂貴的活動梁墜落實驗。

1 立項背景

B2DQ 門式堆取料機是煤二期預留堆場中的主要裝卸設備。門式堆取料機活動梁卷揚機構的技術狀況對整個大機的正常運轉至關重要，2003 年本隊相同類型的B1DQ 門式堆取料機發生一起活動梁掉落的重大機損事故，直接經濟損失300 余萬元。為此，對活動梁卷揚系統的安全狀況引起重視，該系統的任何一個組成部分發生故障，都會對活動梁乃至整個大機產生不可估量的損害。

B2DQ 門式堆取料機的活動梁升降通過鋼絲繩滑輪卷揚系統實現。該系統設有2 臺卷揚機構，分別布置在設備的剛性腿側和柔性腿側。卷揚機構均為雙卷式，傳動形式為電機—減速機高速軸（加雙制動）—經減速到低速軸—卷筒。活動梁上升靠電機驅動，活動梁下降靠自身重力驅動，此時啟動電機反轉，控制活動梁的下降速度。活動梁升降的制動通過減速機高速軸上的雙制動器實現。

B2DQ 門式堆取料機卷揚機構的制動器安裝在機械傳動中的高速軸上。此時，需要的制動力矩小，制動器體積小、重量輕，因機械傳動的中間環節和不可靠因素較多，安全可靠性相對較差。如果安裝在機械傳動的低速軸上，則比較安全可靠，但轉動慣量大，所需制動力矩大，制動器體積和重量相對也大。因此，需要在卷筒低速度端增加制動器來提高門取活動梁的安全可靠性。當卷揚機構的高速制動器出現失效故障時，低速盤式制動器可直接制動卷筒，從而有效阻止活動梁在其自重作用下墜落。

2 技術方案

2.1 盤式制動器的布置安裝

經過現場測繪，制動盤可與卷筒的輪轂通過高強螺栓及定位銷聯接在一起。另外，根據盤式制動器的外形尺寸，由于卷筒離驅動平臺的高度僅為100 mm，安裝制動盤后會與卷筒底座相互摩擦，故需要重新制作電機、減速機和卷筒等的底座，將卷揚機構整體抬高200 mm，可完成卷揚機構低速盤式制動器的安裝。

2.2 低速盤式制動器的工作邏輯

B2DQ 卷揚機構的低速盤式制動器有兩個作用。第一個作用類似于汽車駐車時的“手剎”。在卷揚機構正常啟升與下降工作時，低速盤式制動器應不起任何作用；在卷揚機構正常制動時，低速盤式制動器延時高速制動器1 s 啟動；在卷揚機構工作啟動時，低速盤式制動器應提前于高速制動器啟動，提前啟動時間為2 s。第二個作用是應急安全保障的制動。當卷揚機構的高速制動器、電機和減速機等失效時，低速盤式制動器將承擔卷揚機構的全部制動，防止由卷揚機構鋼絲繩牽引的活動梁意外墜落，起到應急安全保障的作用。

2.3 盤式制動器電氣控制

了解低速盤式制動器的工作邏輯后，可以在B2DQ 卷揚盤式制動器卷盤軸處安裝絕對值編碼器，利用Profibus-DP 總線通信技術，將編碼器數據引入PLC 控制系統。B2DQ 卷揚盤式制動器控制系統邏輯關系。在B2DQ 卷揚盤式制動器南側兩側安裝打開到位限位開關，并將兩個限位開關的信號引入控制系統，限位開關設有開到位信號，活動梁不能動作，無論盤式制動器是否投入使用，該限位開關信號均有效，開到位時，限位開關指示燈點亮。利用卷揚盤式制動器南北兩側編碼器和卷揚電機南北兩個編碼器（共計4 個編碼器）分別計算活動梁4 個編碼器距離最低點的差值，當南北任意一側兩個編碼器計算的差值超越整定值，在遠控狀態下，控制系統會立刻輸出抱閘信號，低速盤式制動器立即起作用，防止活動梁墜落事故的發生。

2.4 基于SolidWorks 卷揚低速制動系統的仿真分析

SolidWorks 是目前主流的三維設計、仿真軟件。可以與大多數計算機輔助設計軟件實現數據的共享和交換，廣泛應用于石油化工、航空航天、機械制造等多個領域。

本文基于SolidWorks，建立卷筒制動盤與低速制動器鉗口的虛擬樣機，對卷揚機構的低速制動系統進行靜力學分析、模態分析以及瞬態動力學分析，旨在分析驗證卷揚機構的低速制動系統的安全性、可靠性，為日常工作提供理論依據。

（1）制動系統虛擬樣機的建立。按照卷揚制動盤與低速制動器鉗口的外形尺寸，建立制動系統的虛擬樣機，如圖1 所示。在材料屬性中設定制動盤的材料為45#鋼，彈性模量2.05×1011N/m2，屈服強度5.3×108N/m2，泊松比0.29。

（2）制動盤與鉗口的靜力學分析。根據制動盤與鉗口的實際工作條件，向所要研究的制動盤與鉗口施加力和約束。考慮到制動盤受到卷筒力矩，故給制動盤施加64.4054 kN·m 的力矩；考慮到鉗口受到盤式制動器的夾緊力，故給鉗口施加160 kN 的夾緊力。相關應力云圖顯示表明：制動盤與鉗口的最大應力點位于制動盤離開鉗口的駛出點，其應力值小于屈服強度530 MPa。因此，卷揚機構在停止工作的靜止狀態時，盤式制動器的夾緊狀態是安全和可靠的。

圖1 制動系統的虛擬樣機

（3）制動盤與鉗口的有預應力的模態分析。模態分析是動力學分析的重要組成部分，通過固有頻率和振型的分析，即模態分析，可以尋找制動盤與鉗口的薄弱環節和易損壞部位，為低速制動器的日常檢查提供參考。

由于低速盤式制動器在工作狀態下的鉗口處于夾緊狀態，夾緊力為160 kN，因此需要對制動盤與鉗口進行有預應力的模態分析，并對低速制動器的鉗口施加約束。可以得到制動盤與鉗口的5 階模態振型。

制動盤與鉗口在1 階固有頻率（14.088 Hz）主要表現為制動盤與鉗口沿周向的壓縮變形；制動盤與鉗口在2 階固有頻率（28.747 Hz）主要表現為制動盤與鉗口沿徑向的扭轉變形；制動盤與鉗口在3 階固有頻率（68.225 Hz）主要表現為制動盤與鉗口沿側向的扭轉變形；制動盤與鉗口在4 階固有頻率（96.08 Hz）主要表現為制動盤與鉗口沿側向的壓縮變形；制動盤與鉗口在5 階固有頻率（119.16 Hz）主要表現為制動盤與鉗口沿軸向的扭轉變形；由此可以得到，第3 階模態和和第5 階模態對制動盤的影響最大，為日后的設備檢查重點提供了理論依據。

（4）制動盤與鉗口的瞬態動力學分析。在卷揚機構靜止時，靜力學分析可以確保制動盤與鉗口承受穩定載荷的作用而不失效。但這遠遠不夠，瞬態動力學可以動態地對活動梁墜落時制動盤與鉗口的沖擊工作狀態進行仿真分析，避免不易實現且造價昂貴的活動梁墜落實驗。

當卷揚機構的高速制動器、電機、減速機發生失效，導致活動梁意外墜落時，可以在SolidWorks Simulation 系統中設定制動盤受到的轉矩64.4054 kN·m。此時，盤式制動器的鉗口立即夾緊動作，施加在鉗口的夾緊力為160 kN。設定制動盤沿卷筒軸的圓周約束以及制動器鉗口的滾柱滑桿約束，設定制動盤與鉗口的摩擦系數為0.36。通過運算，可以得到制動盤與鉗口的瞬態動力學的應力云圖及總位移。

通過制動盤與鉗口的瞬態動力學的應力云圖及總位移，可以得到當卷揚機構的高速制動器、電機、減速機發生失效，導致活動梁意外墜落時，制動系統在不超出制動盤與鉗口許用應力的前提下，安全可靠完成了卷揚機構的制動。

通過制動盤與鉗口的瞬態動力學仿真，可以模擬還原出活動梁發生墜落時，活動梁下降位移約為133 mm，制動位移較小，對設備沖擊也較小。低速盤式制動器達到了安全制動的作用。

確定技術方案后，進行技術圖紙的繪制、零部件的采購及現場的施工安裝，最終經過相關人員共同努力，用較短時間完成了門式堆取料機卷揚盤式制動器的技術改進，順利通過試運行。

經過近1 年的運行觀察，新改進的卷揚盤式制動器運行可靠、平穩，故障率為零。事實證明，本次技術改進徹底消除了門式堆取料機卷揚驅動部位存在的重大安全隱患，為公司生產作業提供了可靠保證。