帶式輸送機盤式制動器的仿真分析

衛亞龍

（陽泉華鑫采礦運輸設備有限公司， 山西 陽泉 045299）

引言

帶式輸送機為煤礦生產的主要運輸設備，隨著工作面的開采和采煤工藝的進步，帶式輸送機將朝著大運量、長距離以及高運速的方向發展，可見帶式輸送機在煤礦生產中的重要作用。尤其是帶式輸送機制動器的有效性直接決定其運行的安全性。目前，應用于帶式輸送機的制動器包括有塊式制動器、盤式制動器、液力制動器以及液壓調壓制動器四種，其中盤式制動器由于安全性、可靠性高被廣泛應用[1]。但是，在實際應用中盤式制動系統較復雜，尤其是保壓功能存在缺陷。為此，本文對盤式制動器的液壓系統進行優化，并對效果進行仿真分析。

1 帶式輸送機盤式液壓制動系統研究

鑒于傳統帶式輸送機盤式制動裝置液壓系統保壓功能存在缺陷，本文創新設計出可保證在油泵的工作間隙實現保壓的液壓系統。本小節重點對盤式液壓制動系統進行研究。

1.1 盤式制動裝置組成工作原理研究

盤式制動裝置屬于集中機械、液壓以及電氣為一體的產品，從系統組成可將其分為機械制動分析、液壓制動分系統以及電氣控制分系統三類。其中，機械制動分系統主要包括有制動盤、盤式制動器以及底座等，蝶形彈簧為制動器的關鍵器件。液壓制動分系統主要作用是基于系統中的調壓閥、電液比例閥等液壓元器件對液壓油壓力進行調節控制，從而達到對制動力矩控制的目的，最終能夠根據工況完成帶式輸送機的制動[2]。電氣控制系統基于PLC 控制器根據現場傳感器所采集到的參數和實時工況進行分析計算后得出控制指令，對相關的液壓元器件的開啟、關閉以及開口大小等進行控制，最終實現對液壓油壓的控制。

盤式制動器作為制動裝置的核心裝置，其結構如圖1 所示。

圖1 盤式制動器結構示意圖

如圖1 所示，盤式制動器主要包括有蝶形彈簧、制動閘瓦和制動盤。其中，蝶形彈簧所提供的彈力可保證制動盤與閘瓦之間存在間隙，保證帶式輸送機在非制動狀態下正常工作；制動盤與閘瓦依據所提供油壓的變化，增加二者之間的摩擦力，進而根據工況提供不同的制動力矩。根據帶式輸送機的實際工作需求，要求盤式制動器可滿足帶式輸送機在空載停車、過載停車、事故停車、斷電停車以及超速制動等工況下的制動要求。

本文所研究盤式制動器的型號為YZ-80，其可提供80 kN 的制動壓力，最大工作油壓為7 MPa。

1.2 液壓制動系統的改進

目前，帶式輸送機盤式制動裝置對應液壓系統原理如下頁圖2 所示。

基于如下頁圖2 所示的液壓系統要求制動盤與閘瓦松開后還需保證電機一直工作才能夠保持松閘狀態，才能夠實現液壓系統的保壓功能。因此，上述液壓系統容易導致電機運行時間過長，從而縮短其使用壽命；同時，液壓油一直處于工作狀態，降低了制動的安全性[3]。為解決上述問題，在原液壓制動系統的基礎上進行改進，并得出如圖3 所示的液壓制動系統原理圖。

圖2 盤式制動裝置現液壓原理圖

圖3 改進后的液壓制動系統原理圖

如圖3 所示，與原液壓制動系統相比，改進后的液壓制動系統采用電液比例控制為核心技術，該技術能夠實現對液壓油壓的平穩控制，保證油壓的變化幅度較小，從而避免了油壓制動力矩發生突變而導致事故的問題。同時，基于電液比例控制技術實現對液壓制動系統的自動保壓功能，減小對電動機的損耗，提升電動機的使用壽命。

2 液壓制動系統元器件選型

根據帶式輸送機實際工況和制動需求，為圖3 的液壓制動系統配置相應的液壓動力元件和輔助元件。

2.1 液壓動力元件的選型

本系統的液壓動力元件主要包括有電機和液壓泵。結合帶式輸送機的實際應用要求，盤式制動器對應的最大工作壓力為7 MPa，考慮到液壓制動系統中布置有調速閥且管路復雜的情況，液壓泵壓力計算時需考慮管路的壓力損失1.5 MPa。則液壓泵的工作壓力為8.5 MPa。

對于YZ-80 盤式制動器而已，對應液壓缸的工作面積為0.016 m2，活塞桿的行程為10 mm，則對應單個閘瓦與制動盤間隙達到最大時所需的液壓油的體積為0.16 L。YZ-80 盤式制動器共包含有4 個液壓缸，對應的松閘過程中所需的液壓油的最大體積為0.64 L。

根據《煤炭安全規程》的相關規定，要求盤式制動器接到制動指令后5 s 內完成松閘動作，則對應的液壓泵提供的制動流程為：0.64 L/5 s=7.68 L/min。

基于上述理論計算，最終確定選用齒輪泵為其液壓泵，具體型號為CBF-E16。

電動機選型時，假定整個制動過程對應的負載和流量均處于穩定狀態[4]；同時，考慮1.2 倍的系數，得出所需電動機的功率為1.59 kW。結合《機械設計手冊》的電機類型及參數，確定電動機的型號為YB100L1-4。

2.2 液壓輔助元件的選型

結合上述液壓動力元件的選型結果，此處不一一列出輔助元件的選型計算過程，僅對輔助元件的選型結果進行說明，如表1 所示。

表1 液壓制動系統輔助元件型號及關鍵參數

3 盤式制動器仿真分析

為驗證液壓制動系統改進后的制動性能，本文基于AMESim 軟件對整個制動過程進行仿真分析[5]。仿真過程如下：當閘瓦與制動盤處于貼合狀態，即整個系統處于制動狀態時，將液壓制動系統的制動油壓增加5 MPa 實現閘瓦與制動盤的預貼合后，繼續增加制動液壓油壓至7 MPa 實現制動盤與閘瓦的完全分離。對上述過程閘瓦位移的響應特性和系統進口壓力進行仿真分析，仿真結果如下頁圖4 所示。

如下頁圖4 所示，系統大約在5 s 左右進口壓力達到最大的7 MPa，該項值滿足《煤炭安全規程》中盤式制動器接到制動指令5s 內完成松閘動作的要求；同時，當進口壓力達到7MPa，時刻為5s 時，閘瓦間隙為1mm，該項值同樣符合《煤炭安全規程》的要求。

圖4 仿真結果

4 結論

帶式輸送機為綜采工作面的主要運輸設備，其制動系統的性能直接決定煤礦生產的安全性和效率。盤式制動器為當前應用最為廣泛的制動裝置，為進一步提升其制動性能和帶式輸送機運行的安全性，本文基于電液比例控制技術設計了新的液壓制動控制系統，并完成關鍵液壓元器件的選型。經仿真分析可得：

1）系統大約在5s 左右進口壓力達到最大值7MPa時，該項值滿足《煤炭安全規程》中盤式制動器接到制動指令后5 s 內完成松閘動作的要求；

2）當進口壓力達到7 MPa，時刻為5 s 時，閘瓦間隙為1 mm，該項值同樣符合《煤炭安全規程》的要求。