無極繩單軌吊制動系統的設計與仿真

張嘉銘

（山西新景礦煤業有限責任公司， 山西 陽泉 045000）

引言

隨著煤炭綜采工作面生產量的不斷增加，對工作面大型設備、回撤平臺的運輸和安裝效率提出了更高的要求。傳統輔助運輸系統無法滿足高效率、大運量的運輸要求，使其無法與高效綜采掘進系統相匹配。無極繩單軌吊輔助運輸系統可實現對采煤機、掘進機等大型設備的運輸，從某種程度上提升了運輸效率，從而降低了作業人員勞動強度，間接提升了煤礦的生產效率[1]。本文以10 t 級別的無極繩單軌吊為例開展系列研究，重點對其制動系統進行設計，并對其性能進行仿真分析。

1 無極繩單軌吊制動系統的總體設計

1.1 無極繩單軌吊制動系統總體要求

無極繩單軌吊輔助運輸系統可極大地提升綜采工作面大型設備的運輸、搬運效率，對提升綜采工作面、掘進工作面的生產效率具有重大意義。為保證無極繩單軌吊輔助運輸系統的安全性，設計一款高可靠性的制動系統也尤為重要。結合《煤炭安全規程》的相關標準要求和無極繩單軌吊輔助運輸系統的實際工況，要求其制動系統滿足如下要求：

1）要求制動系統在手動和自動兩種模式下切換運行；

2）當無極繩單軌吊運行速度大于其額定速度的15%時，制動系統可自動施閘完成制動功能，具有較高的靈活性和可靠性；

3）要求無極繩單軌吊制動系統制動過程中的空閘時間不超過0.7 s；

4）在最大載荷且最大運行速度的工況下，制動系統實施后期制動距離不得超過最大運行速度6 s 的行程；

5）在最小載荷和最大坡度上向上運行時，制動系統的制動減速度不得大于5 m/s2；

6）制動系統的液壓系統的壓力為其額定壓力的125%時，要求在保壓5 min 的時間內不得有泄露[2]。

1.2 無極繩單軌吊制動系統總體設計

制動小車為無極繩單軌吊制動系統的重要環節，其可采用的方式包括兩桿式液壓結構和彈簧鉗式摩擦制動結構兩種。在充分借鑒其他設備制動系統設計經驗的基礎上，無極繩單軌吊采用連桿式鉗式液壓制動系統為核心進行設計。對應的液壓制動系統原理，如圖1 所示。

圖1 無極繩單軌吊液壓制動系統原理圖

基于圖1 所示的液壓制動系統具有如下特點：該系統對應的動力特性要求較低；液壓制動系統中液壓缸的壓力到達一定設定值即可保證壓力不變，不會受到外界沖擊所帶來的影響；該液壓制動系統可實現人工和自動兩種控制方式，實現其功能。

2 無極繩單軌吊制動系統關鍵結構設計

根據《單軌吊行業規范》中的相關標準要求，無極繩單軌吊制動系統的制動力應為其鋼絲繩牽引力的1.5～2 倍。本文所研究無極繩單軌吊輔助運輸系統鋼絲繩的牽引力為160 kN，則對應制動系統的制動力應控制在[240 kN，320 kN]的區間范圍之內[3]。本節將重點對制動系統涉及的制動彈簧、制動臂、制動架等關鍵結構部件進行設計。

2.1 制動彈簧的選型設計

單軌吊制動系統的最小制動力為240 kN，單個制動小車可提供制動力為120 kN，則需要兩個制動小車實現制動功能；每個制動小車含有兩個制動彈簧，則要求每個制動彈簧的制動力為60 kN。根據動摩擦系數為0.3，得出單側閘瓦與鋼軌腹板的正壓力不得小于100 kN。

根據制動小車的結構設計和杠桿原理得出：閘緊時彈簧力為24.486 kN，此時對應的彈簧長度為637 mm；而當彈簧的壓縮量達到最大時，其對應的長度為587 mm。在上述計算的基礎上得出所選型制動彈簧的參數如表1 所示。

表1 制動彈簧關鍵參數

2.2 制動臂結構設計及仿真分析

2.2.1 制動臂結構設計

制動臂為制動小車實現其功能的關鍵零部件，其作為主要承載部件，要求其能夠在制動過程中保證足夠剛度和強度，才能夠保證在整個制動過程中相對平穩，制動效果優越[4]。

因此，一般會在制動臂的基礎上分別在其兩側增加側板的斷面；同時，再將三角筋板焊接在側板上，并為其配置銷軸加強的底座。初步設計制動臂板所選用材料的厚度為20 mm，對應銷軸孔的直徑為60 mm。制動臂結構示意圖，如圖2 所示。

圖2 制動臂結構示意圖（單位：mm）

2.2.2 制動臂仿真分析

根據上述研究可知，在實際制動過程中制動彈簧施加到制動臂上的壓力為28.5 kN；施加在銷軸孔處的壓力不小于100 kN。為驗證所設計制動臂的強度是否能夠滿足制動過程中的要求，基于Pro/E 三維軟件建立制動臂的模型，并導入ANSYS 軟件中對相關參數設置完畢、完成網格劃分，并根據工況施加響應的約束和載荷后對制動臂進行仿真分析，仿真結論如下：

制動臂出現應力集中的位置位于銷軸孔的位置，且該處的最大應力為334.7 MPa，小于其許用材料的屈服強度550 MPa；制動臂出現變形最大的位置位于下側板，且最大的變形量為1.47 mm，在合理且可接受的范圍之內。

2.3 制動架結構設計及仿真分析

2.3.1 制動架結構設計

除了制動臂外，制動架也為制動小車的主要承載部件，保證制動架的剛度和強度也是保證制動安全性和效果的關鍵。制動架的基本結構如圖3 所示。

圖3 制動架結構示意圖

由圖3 可知，在基礎構件的基礎上，在制動架兩側板的位置增加筋板和連接板等部件，且設定筋板和連接板的厚度為30 mm。

2.3.2 制動架仿真分析

為驗證所設計制動架的強度是否能夠滿足制動過程中的要求，基于Pro/E 三維軟件建立制動架的模型，并導入ANSYS 軟件中對相關參數設置完畢、完成網格劃分，并根據工況施加響應的約束和載荷后對制動架進行仿真分析[5]。結合實際制動過程的受力分析結果，對制動架左斷面施加180 kN 的力，對制動架側板的耳座施加189 kN 的力。仿真結論如下：

制動架出現應力集中的區域位于側板和加強筋的焊接處，且最大應力值為332.4 MPa，小于其許用材料的屈服強度550 MPa；制動架出現變形最大的位置位于其左端，且對應的最大變形量為0.433 mm，在合理且可接受的范圍之內。

3 結語

無極繩單軌吊輔助運輸系統為實現綜采工作面大型設備高效運輸、搬運和拆卸的設備，其對降低作業人員勞動強度，間接提升煤礦生產效率具有重要意義。本文主要針對無極繩單軌吊輔助運輸系統，完成制動系統關鍵部件包括制動彈簧的選型設計、制動臂和制動架的結構設計，并對其強度和剛度進行仿真分析，所設計的制動架和制動臂均能夠滿足實際制動要求。