提升機盤式制動器制動時制動部件載荷應力分布規律的研究

梁 晨

（山西潞安檢測檢驗中心有限責任公司， 山西 長治 046204）

引言

隨著國民經濟生產生活需要，礦井每日開采量大幅增加，對于礦井的轉動設備、傳輸設備以及制動設備的工作性能有較高的要求。由于礦井的工作環境較為惡劣，地層下有許多未知不可預見的危險因素，容易突發緊急安全事件，如得不到及時處理，有可能會形成安全生產事故，對礦井作業人員的生命安全造成嚴重威脅。盤式制動器就是在突發的安全事件下完成緊急制動，保障安全隱患能夠得到有效的處置，并且盤式制動器對于煤礦開采過程中的安全性也有較大的影響。盤式制動器由許多零部件組成，每個部件的安全性得到保障才能使整個盤式制動器的工作性能要求得以提升。分析制動時盤式制動器各個零部件的載荷應力分布狀況，可得到各個制動部件的結構薄弱環節，為設計優化其結構提供理論指導。目前的研究大多數是針對閘瓦與制動盤之間的相互作用機理，對于各個部件在制動時的受力狀態沒有過多關注，因此通過有限元仿真的技術對盤式制動器各個部件的受力應力分布狀況進行研究，得到最大應力出現的部位，提出針對該部位結構優化的設計方案[1-3]。

1 盤式制動器工況分析

1.1 工作原理

盤式制動器主要靠液壓系統完成各個部件的動作，液壓系統通過輸入、輸出高壓液壓油的方式，通過各個管路形成循環回路，推動活塞并使同體運動，最終是閘瓦貼在制動盤的表面，兩者相互之間形成摩擦阻力。當液壓單元回收液壓油的時候，活塞朝相反的方向運動，使閘瓦離開制動盤表面。因此，盤式制動器主要包括松閘及制動兩個工作工況。盤式制動器主要通過內置彈簧作用力產生制動力作用，實現提升機制動的性能。結構示意圖如圖1所示。

圖1 盤式制動器結構示意圖

1.2 技術特點

盤式制動器放置于制動盤兩側呈對稱布置，確保兩側的受力平衡性。閘瓦與制動盤的表面均光滑平整，對相互之間摩擦接觸面積得以保證[4]。為確保制動性能，制動盤與閘瓦的相互布置角度均成對稱傾斜分布，通過合理布置閘瓦的角度，可確保制動盤在各個方向上有摩擦阻力。制動盤用特殊材料制作，熱膨脹系數較小，能夠很好地傳遞制動過程中產生的熱量，并且單個盤使制動器的尺寸及重量均偏小，整體設計上結構組成很緊湊，方便后期管理人員的維護更換。盤式制動器的以上優勢特點使其被國內外煤礦企業廣泛采用于煤炭開采過程中。

1.3 工作特性

1.3.1 松閘受力

提升機開始輸送煤炭物料的時候，盤式制動器不產生制動作用，此時制動器將被輸入液壓系統的液壓油，推動活塞相反方向運動，使閘瓦遠離制動盤，液壓油的注入將克服彈簧預緊力，在相互力的平衡下，此時的合力為零。閘瓦與制動盤將呈分離狀態，油腔內的液壓油不斷注入的時候，彈簧的壓縮量將不斷的增加，將抵消掉液壓油產生的推動力。

1.3.2 抱閘受力

盤式制動器開始工作的時候，液壓油箱的油壓就會逐漸變小，活塞將推動閘瓦結構向制動盤方向移動，此時瓦閘結構與制動盤表面緊密貼合，并產生正向的制動壓力，產生制動效應。閘瓦施加給制動盤的正壓力取決于彈簧預壓量、油缸內的壓力以及活塞運動阻力[5]。

2 盤式制動器建立仿真模型

2.1 三維模型

針對目前煤礦常用的KZP型盤式制動器開展研究，根據實際機器的1∶1比例建立三維模型圖。通過UG三維模型軟件對盤式制動器的模型進行整體建立，考慮到每個零部件之間的連接關系，并去除一些無相關的零部件，提高仿真計算的效率。盤式制動器的整體模型如圖2所示，并按照各個部件之間的位置關系進行裝配。

圖2 盤式制動器三維模型

2.2 仿真模型

2.2.1 工況參數

設置KZP型盤式制動器實際工況參數：卷筒直徑1.5 m、電動機轉速750 r/min、靜態張力差為170kN、最大制動力為100 kN、最大工作油壓14 MPa、閘瓦與制動盤的摩擦參數為0.8。

2.2.2 材料參數

對KZP型盤式制動器各個部件的材料設置進行定義，確保各個部件與實際的材料用料相符，確保仿真計算的精確性，如表1所示。

2.2.3 模型建立

表1 盤式制動器材料屬性

針對盤式制動器各個部件的精密程度進行不同網格大小的劃分，通常采用20 mm×20 mm×20 mm的網格大小，為確保仿真結果的精確性選用12面10節點的solid185單元網格。對于需要精密計算的部位，減小該部位網格大小，網格劃分后圖形如圖3所示。按照實際工況載荷大小對模型進行載荷約束力的限制，并設置邊界條件，從松閘、貼閘、抱閘的三個過程[6]。共計仿真時間設置為1.1 s。

圖3 盤式制動器的網格模型

3 應力計算結果分析

3.1 仿真計算結果

如圖4所示為盤式制動器轉動滾筒的應力分布云圖，由圖4可知筒體底座附近由于受到來自彈簧機構的正壓力，出現了應力集中現象，最大應力數值為13.852 MPa，位置在筒體支撐蝶形彈簧的凸臺邊緣處。

圖4 盤式制動器制動部件等效應力云圖

圖5 盤式制動器制動部件應力隨時間變化曲線

開閘、抱閘運動過程中盤式制動器的核心部件筒體結構的底部應力數值變化曲線如圖5所示，該圖體現了盤式制動器開閘、抱閘的工作工程。由圖5可以得出在前期1.05 s之前的開閘過程，筒體結構的最大應力數值為15.9 MPa；隨后的1.05～1.07 s的貼閘過程中應力數值有所下降，從15.9 MPa下降至14.9 MPa；此外，抱閘過程1.07～1.1 s的時間段內，盤式制動器筒體應力數值保持不變。

3.2 結構的優化設計

通過上述分析可知，盤式制動動在制動工況下最大的應力部位為筒體支撐蝶形彈簧的凸臺邊緣處，此處易出現應力集中現象。但是最大應力數值沒有超過該材料的屈服強度。為更好地發揮盤式制動器的結構性能，應對此部位進行優化，建議如下：

1）通過改變制造材料，但該種方法的制作成本較高并且可以在該處接觸應力較大的部分采用特殊材料制作。

2）通過應力云圖的環狀布置情況，可以在滾筒底部增加墊圈或在彈簧體的接觸位置增加防震材料。

3）制動過程中調整螺母的受力比彈簧座受力大，應選用高強度的螺栓并定期維護更換。

4 結語

礦井提升機盤式制動器是在煤礦出現安全緊急事件時能夠快速準確處置安全隱患的關鍵部件，其性能的可靠性關系到了礦井作業人員的生命健康安全。目前常見的研究主要是針對于盤式制動器閘瓦與制動板之間的相互作用力或者是制動器的整體振動形態。本文通過對KZP型盤式制動器在制動時整體結構的應力分布狀況研究，找到了最大應力數據所在分布之處，并對其應力云圖分布規律進行了說明。根據仿真計算結果提出了盤式制動器結構優化的建議，為礦井盤式制動器的結構優化研究提供了思路。