礦井提升機制動系統的聯合模擬分析研究

張麗枝

（晉能控股煤業集團大斗溝煤業有限公司，山西 大同 037000）

引言

礦井提升機是井下煤礦生產中集機、電、液一體的生產設備之一，屬于礦井上下重要的運輸設備[1]，擔負著運輸矸石、煤炭，提升井下設備和作業人員以及下放物料等任務，是貫通井上井下的主要樞紐[2]，因此，提升機在礦井生產中有著不可替代的作用[3]。礦井提升機依照類型分為摩擦式、纏繞式和內裝式三種，其中纏繞式是將鋼絲繩的一端在提升機滾筒上固定，并纏繞于滾筒，另一端繞過天輪與提升容器連接，依靠滾筒的正反轉實現重物提升下降[4]；摩擦式是依靠摩擦力，帶動主動輪和鋼絲繩一起動作，使鋼絲繩帶動下方懸掛的提升容器提升下降；內裝式是將電機裝在摩擦輪內部，摩擦輪與電機轉子成一體[5]。提升機的主要組成有工作機構、機械傳動系統、潤滑系統、制動系統、液壓傳動裝置、觀測和操作系統、控制和保護系統及輔助部分等[6]，其中制動系統包括制動器、液壓傳動裝置及制動閘盤，而其中的制動系統又是井下提升機的核心裝置系統，對井下煤礦生產安全發揮著重要的作用[7]。因此，本文應用軟件AMESim與ADAMS聯合對提升機制動系統的動態特性進行仿真分析，進而實現提升機提升系統的穩定安全性，保證礦井人員和設備的安全生產。

1 礦井提升機制動系統的聯合模擬分析研究

針對礦井提升機系統的動態特性，本文應用AMESim[8]和ADAMS[9]對其進行聯合仿真，并通過分析提升機主軸裝置運行情況確定影響其制動性能的因素，從而得到影響提升機制動系統的主要參數及規律分布情況。

在軟件AMESim中，本文預先對所有液壓仿真的相關參數進行設置，同時，依據提升機盤式制動器與主軸裝置的參數，在軟件ADAMS中也對相對應參數進行設置，最后通過改變液壓系統中的變量值[10]，研究提升機在二級制動過程中主要參數對主軸裝置運行情況的影響，從而得到對其制動性能的影響規律。

1.1 彈簧剛度對卷筒角速度的影響分析

在軟件AMESim中，其余參數不變，分別設置彈簧剛度大小是1×105N/m、3×105N/m、5×105N/m、8×105N/m，在二級制動過程中，應用軟件ADAMS得到主軸裝置的角速度變化情況，如圖1所示。

圖1 不同彈簧剛度對卷筒角速度的變化曲線

從圖1中可看出，彈簧剛度在很大程度上影響著井下提升機卷筒的制動過程，提升機卷筒制動的停止用時隨著彈簧剛度的增加而越長，但是，當彈簧剛度大于5×105N/m以上時，提升機卷筒制動用時不再出現繼續增加。

1.2 液壓管路對卷筒角速度的影響分析

在軟件AMESim中，連接與固定卷筒中的盤式制動器和液壓系統的液壓管路長度分別設置是1 m、3 m、5 m及8 m，同樣應用軟件ADAMS得到在二級制動中主軸裝置的角速度變化情況，如圖2所示。

從圖2中可看出，連接與固定卷筒中的盤式制動器和液壓系統的液壓管路長度增大時，提升機制動用時也相應地增加，主要是因為與制動器相連接的液壓管路長度越大，液壓管路的沿程壓力阻力就會越大，從而使液壓系統的反應降低，直接導致盤式制動器的動作也減緩，從而使形成的正壓力就比較小，因此提升機制動用時就會變長。

圖2 不同液壓管路長度對卷筒角速度的變化曲線

1.3 電磁換向閥固有頻率對卷筒角速度的影響分析

在軟件AMESim中，分別設置固有頻率大小是10 Hz、20 Hz、40 Hz、60 Hz，應用軟件ADAMS聯合仿真得到在二級制動中主軸裝置的角速度變化情況，如圖3所示。

圖3 不同換向閥固有頻率對卷筒角速度的變化曲線

從圖3中可看出，當不斷增加電磁換向閥的固有頻率時，礦井提升機卷筒的制動用時稍有增大，但是，當固有頻率大于10 Hz以上時，卷筒的角速度不再有明顯的變化。

1.4 緊急制動油壓對卷筒角速度的影響分析

在軟件AMESim中，分別設置溢流閥的啟動壓力大小值是1 MPa、2 MPa及2.5 MPa，即分析不同二級制動保壓油對卷筒運行情況的影響，得到如圖4所示的在二級制動中主軸裝置的角速度變化情況。

圖4 不同緊急制動油壓對卷筒角速度的變化曲線

從圖4中可看出，當緊急制動油壓不斷增大時，卷筒角速度減小至0的用時不斷增長，當制動油壓是1 MPa時，卷筒在二級制動保壓時段就已經停止動作；當制動油壓是2 MPa、2.5 MPa時，在二級制動保壓階段3 s，卷筒進入全制動階段后才開始加速停止，主要是因為隨著緊急制動油壓的增大，蝶形彈簧作用在卷筒上的正壓力值反而會變小，使卷筒的制動用時增長。

1.5 緊急制動油壓對主軸減速振動的影響分析

在軟件AMESim中，其余參數不變，分別設置不同緊急制動油壓大小值是1 MPa、2 MPa、2.5 MPa，應用軟件ADAMS仿真得到提升機主軸裝置沿徑向X、Y方向的加速度變化情況，如圖5所示。

圖5 不同緊急制動油壓沿X和Y方向上的加速度變化曲線

從圖5中可看出，提升機卷筒在二級制動過程中，緊急制動開始時間2 s，當緊急制動油壓逐漸增大時，主軸裝置沿徑向X和Y方向上的加速度振動幅度是不斷減小的，這樣主軸裝置在緊急制動過程中就會越平穩。因此，對緊急制動油壓大小進行合理調節，可以很大程度上使提升機制動的平穩安全性提高。

2 結論

本文以礦井提升機為對象，應用軟件ADAMS與AMESim聯合對其制動系統的動態特性進行仿真分析，并獲得提升機在緊急制動過程中液壓系統主要參數對主軸裝置運行的變化情況，結論是：

1）應用AMESim軟件，分析提升機在緊急制動過程中，不同參數液壓管路長度、電磁換向閥固有頻率、彈簧剛度對主軸配置的影響研究，并結合軟件ADAMS獲得不同參數在二級制動過程中卷筒角速度的影響規律。

2）隨彈簧剛度增大，卷筒制動用時就越長，且當達到一定值后，不再增加；隨液壓管路增大，卷筒制動用時也隨之增大；隨電磁換向閥固有頻率增大，卷筒制動用時稍有增大，當達到一定值后，不再變化；隨緊急制動油壓增大，提升機緊急制動過程中的減速制動時間就更長；且隨制動油壓增大，主軸配置沿徑向X和Y方向上的加速度振幅不斷減小，表明制動過程更平穩。