基于Simulink的帶式輸送機復合制動系統的研究

李利青

（山西潞安環保能源開發股份有限公司漳村煤礦， 山西 長治 046204）

引言

目前，雖然各類清潔能源的應用比例和范圍不斷擴大，但煤炭資源依舊是國民經濟發展的支柱性能源資源之一，全球對煤炭資源依舊保持著旺盛的需求，各大煤炭生產企業都在不斷提升煤炭資源的產能，加大煤炭資源的供應。隨著煤礦井下綜采效率的不斷提高，對帶式輸送機設備也提出了更高的要求，越來越多的大傾角、高帶速、長距離、大運量的輸送機系統不斷投入使用，在帶來煤炭輸送效率迅速提高的同時，也頻繁出現輸送機在運輸過程中發生故障，制動系統制動失效，導致輸送帶上的物料堆積到巷道底部、機架損壞等，造成嚴重的經濟損失[1]。分析發現，對大傾角、高帶速、長距離、大運量的輸送機系統采用的依舊是單一的機械制動或者液壓柔性制動，以上制動方式在獨立工作狀態下無法滿足對重載、大傾角、長距離的輸送機系統的制動要求，因此需要針對性開發一種新的制動系統，以滿足對重載、大傾角、長距離的輸送機系統的制動要求，提高煤礦生產的安全性。

1 復合制動系統的組成及工作原理

經對多種制動裝置工作原理、制動特性的分析，本文選取了盤式制動裝置及液壓軟制動裝置作為該復合制動系統的組合。

盤式制動裝置又稱盤閘[2]，該制動裝置是利用儲存在制動頭內的高壓油液將制動裝置的碟簧進行壓縮時制動片向兩側張開，在正常工作時液壓系統一直處于保壓狀態，制動裝置與電機軸上的制動盤不接觸，輸送機系統正常工作，當開始制動時液壓系統的回路接通，儲存在制動頭內的油液按一定的速度流回到油箱，摩擦片在碟簧的作用下和制動盤接觸，并不斷增加作用在制動盤上的正壓力，最終實現對輸送機系統的制動，其低速制動性好，且在低速制動時不會產生火花，發熱量也較小。

液壓軟制動裝置是利用能量轉換原理實現制動的設備，在工作時軟制動裝置依靠剎車變量泵把輸送機在減速時的慣性和動能轉換為液壓油的壓力，最后系統再將液體的壓力能轉換為液體的溫升，通過油箱實現液壓油的冷卻。該制動裝置在整個制動過程中不會直接摩擦，因此不會產生火花，制動力矩可調，高速制動時平穩性較好，在低速制動時液壓流量波動大，制動可靠性差。

根據以上兩種制動方式的特點，本文設計的復合制動系統的整體結構如圖1所示。

圖1 復合制動系統三維結構示意圖

在該復合制動系統中，當輸送機在高速運行時發生異常需要急停，則由液壓軟制動裝置對輸送機系統進行制動，直到輸送機的運行速度降低到系統設定的臨界值時，控制系統斷開液壓軟制動裝置，同時啟動盤閘制動裝置工作，直到系統完全停止運行。

2 復合制動系統數學模型的建立

該復合制動裝置在執行制動時包括高速制動階段（此時電機的轉速ω大于系統設定的臨界轉速ω1）、低速制動階段（此時電機的轉速ω小于系統設定的臨界轉速ω1）和穩車制動階段（此時電機的轉速ω為0，此時盤式制動裝置單獨作用，對輸送機進行穩車），三個階段的受力分析如圖2所示。

圖2 制動時輸送機主軸各階段的受力情況

根據圖5，可建立該復合制動系統的數學模型[3]：

式中：Ta為剎車泵制動時的輸入力矩；Tb為輸送機下滑時的慣性力；R2為驅動電機轉軸的半徑；I為電機轉軸、聯軸器、減速器、傳動滾筒、托輥轉動慣量之和；i為減速器的傳動比；V為電機轉軸的線速度；ω為電機轉軸的角速度；MZ為盤式制動裝置的制動力矩。

3 復合制動系統仿真模型的建立

為了驗證復合制動系統的制動效果，利用Simulink仿真分析模塊[4]對其制動時的動態特性進行分析，根據所建立的復合制動系統的數學模型，建立如圖3所示的仿真分析模型，在系統中設置了制動方式自動切換模塊，將切換時的電機轉速設置為ω1=600 r/min，分析時設定當輸送機系統完全停止運行后，在驅動電機內部仍然存在著一定的轉動慣量，用于模擬在實際工況下輸送機停車后在煤炭和輸送帶自身重力作用下所存在的下滑力矩，設定驅動電機的初始轉速為1 440 r/min。

4 復合制動系統的仿真分析

根據實際工況設定相關仿真分析參數，仿真分析結果如圖4、圖5、圖6所示。

由圖4可知，輸送機驅動電機工作轉速為1 440 r/min，輸送機平穩運行，在第10 s系統發出制動指令后，液壓軟制動裝置首先開始利用輸送機下滑時的動力逐漸將其轉化為制動壓力，當壓力達到一定程度時，剎車泵開始進入制動狀態，隨著時間的增加其制動力矩不斷增大，直到達到穩態值后系統維持輸送機進行橫減速制動，當電機轉速降低到600 r/min后，液壓軟制動裝置因流量波動開始出現震蕩，此時系統斷開軟制動裝置，使盤式制動裝置開始執行制動，直到電機轉速為零后，此時液壓軟制動裝置的制動力矩也降低為零，盤式制動裝置開始執行穩車工作。

由圖5、圖6可知，在復合制動系統的作用下，帶式輸送機在工作時能夠實現恒減速的制動，在制動過程中制動力矩平穩，制動及時、有效，可靠性高。

圖3 復合制動系統的仿真分析模型

圖4 復合制動下的轉速—轉矩變化曲線

圖5 復合制動下的轉速—減速度變化曲線

圖6 復合制動下的轉速—復合轉矩變化曲線

5 結論

仿真試驗結果表明，利用該復合制動系統可實現在高速運行時依靠液壓軟制動獨立進行恒減速制動，當速度降低到一定值時，啟動盤式制動裝置的制動及穩車，該復合制動系統的制動流程合理、有效，制動效果明顯。