礦用調(diào)度絞車設(shè)計及其制動系統(tǒng)仿真分析

賈 瑞

（西山煤電建筑工程集團有限公司礦建分公司， 山西 太原 030053）

引言

調(diào)度絞車為煤礦生產(chǎn)中用于完成對工作面開拓掘進、中間巷道調(diào)度組礦車的調(diào)度以及工作面其他一些輔助運輸搬運的任務(wù)。調(diào)度絞車性能的好壞直接決定煤礦生產(chǎn)的安全性和可靠性。鑒于綜采工作面相對惡劣的生產(chǎn)環(huán)境，加之調(diào)度絞車相對復(fù)雜的傳動結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致其在實際應(yīng)用中出現(xiàn)安裝不便且制動系統(tǒng)可靠性較差的問題，制約了工作面的運輸效率和生產(chǎn)進度的推進[1]。為此，本文將設(shè)計一種以定軸輪系和行星輪系相結(jié)合的傳動方式作為調(diào)度的傳動系統(tǒng)以增加設(shè)備的傳動比，從而增加整機的傳動效率，提升了設(shè)備傳動的穩(wěn)定性。同時，設(shè)計基于人力的盤式制動裝置，極大提升了設(shè)備制動性能的安全性和可靠性。

1 調(diào)度絞車的總體設(shè)計

我國的調(diào)度絞車以卷筒纏繞式為主，采用電機進行驅(qū)動，各項參數(shù)均需符合《煤炭安全規(guī)程》的相關(guān)規(guī)定，以保證其能夠適應(yīng)工作面相對惡劣的生產(chǎn)環(huán)境。調(diào)度絞車的基本結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 調(diào)度絞車基本結(jié)構(gòu)

結(jié)合工作的實際情況，可將調(diào)度絞車的工作模式分為正常工作狀態(tài)、制動狀態(tài)以及下放狀態(tài)。其中，正常工作狀態(tài)為通過鋼絲繩纏繞卷筒完成提升重物的工作任務(wù)；制動狀態(tài)為卷筒停止轉(zhuǎn)動，使重物處于停止?fàn)顟B(tài)；下放狀態(tài)為重物的重力牽引卷筒旋轉(zhuǎn)，使得重物下放[2]。

本小節(jié)重點對調(diào)度絞車電動機、執(zhí)行機構(gòu)以及制動機構(gòu)進行設(shè)計。調(diào)度絞車各零部件的設(shè)計依據(jù)如表1 所示。

表1 調(diào)度絞車各零部件設(shè)計依據(jù)

1.1 電動機的選型

電動機的主要選型依據(jù)為其工作功率。考慮到調(diào)度絞車實際工作中各零部件的實際傳動效率小于1，綜合彈性聯(lián)軸器、行星齒輪傳動效率以及卷筒等傳動效率得出調(diào)度絞車的總傳動效率為0.886。根據(jù)鋼絲繩的最大張力和繩速，得出調(diào)度絞車卷筒的功率為10 kN×1 m/s=10 kW。

因此，可以得出實際所需電動機的功率為10 kW/0.886=11.286 kW。故選用型號為YBJ11.4-4 型的防爆型電動機作為調(diào)度絞車的動力源，其具體參數(shù)如表2 所示。

表2 YBJ11.4-4 型防爆電機主要參數(shù)

1.2 執(zhí)行機構(gòu)的設(shè)計

執(zhí)行機構(gòu)具體指調(diào)度絞車的鋼絲繩和卷筒。本節(jié)完成調(diào)度絞車鋼絲繩和卷筒的設(shè)計。

1.2.1 鋼絲繩的選型

目前，我國礦井生產(chǎn)中主要采用鋼絲繩的規(guī)格為1 570 N/mm2和1 770 N/mm2。根據(jù)《煤炭安全規(guī)程》的相關(guān)規(guī)定，要求礦井中采用單纏繞式鋼絲繩的安全系數(shù)大于6.5。結(jié)合鋼絲繩的最大張力為10 kN，對應(yīng)所選型鋼絲繩的最大破斷力不得小于10 kN×6.5=65 kN。結(jié)合該項指標(biāo)最終確定鋼絲繩的型號為FC1770ZZ76.9，該型鋼絲繩的最小破斷力為76.9 kN，滿足要求。該型鋼絲繩的直徑為11 mm，公稱抗拉強度為1 770 MPa。

1.2.2 卷筒的設(shè)計

卷筒的設(shè)計與卷筒的容繩量、鋼絲繩直徑等相關(guān)，最終確定卷筒的直徑、長度等參數(shù)。

1）根據(jù)式（1）初步對卷筒的直徑進行估算：

式中：h 為系數(shù)，與調(diào)度絞車的工作級別相關(guān)，本文所研究調(diào)度絞車的工作級別為M7，故h 取22.4；d 為鋼絲繩的直徑，取11 mm。

將上述參數(shù)代入式（1）得出，卷筒初步估算的直徑為246.4 mm。

2）卷筒的長度需根據(jù)鋼絲繩的直徑、相鄰繩槽之間的間距，以及鋼絲繩的圈數(shù)綜合確定，如式（2）所示：

式中：Z 為每層鋼絲繩的圈數(shù)。結(jié)合當(dāng)前調(diào)度絞車室的卷筒長度，初步確定卷筒的長度為363 mm，則可以得出每層鋼絲繩的圈數(shù)為25 圈。同樣，結(jié)合式（3）得出鋼絲繩的層數(shù)為14 層。

式中：l 為卷筒的容繩量，取400 m；D 為卷筒繩槽底部的直徑，取224.4 mm；n 為每層鋼絲繩的圈數(shù)，取14。

將上述參數(shù)代入式（3）得出，鋼絲繩的圈數(shù)為14 層。

1.3 制動機構(gòu)的設(shè)計

制動機構(gòu)是保證調(diào)度絞車安全工作的根本保障，一旦其失效或者性能不佳將會導(dǎo)致嚴(yán)重事故的發(fā)生[3]。本工程將采用人力驅(qū)動和液壓傳動相結(jié)合的方式實現(xiàn)對調(diào)度絞車的制動，其主要結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 制動機構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖

結(jié)合相關(guān)理論公式，本小節(jié)完成制動器、增壓缸以及制動主缸的參數(shù)設(shè)計，結(jié)果如表3 所示。

表3 制動機構(gòu)關(guān)鍵部件參數(shù)設(shè)計

2 制動系統(tǒng)仿真分析

為驗證通過理論計算設(shè)計制動系統(tǒng)的可靠性和制動性能是否滿足《煤炭安全規(guī)程》的相關(guān)規(guī)定[4]，本小節(jié)根據(jù)上述設(shè)計的參數(shù)，基于AMESim 軟件建立仿真模型，并對相關(guān)性能進行驗證。

設(shè)定制動系統(tǒng)的制動力最大為600 N，通過線性變化趨勢從0 增大，并要求在1 s 內(nèi)達(dá)到要求，對應(yīng)的仿真結(jié)果如圖3 所示。

由圖3 可知，制動系統(tǒng)能夠在規(guī)定的時間內(nèi)達(dá)到調(diào)度絞車所需的制動力，且最大制動力可達(dá)27 216 N。但是，圖3 中的曲線并不是完全呈線性關(guān)系，分析其原因為在0.5 s 的時刻，由于制動系統(tǒng)需通過另一塊摩擦塊與制動盤接觸提高制動力所導(dǎo)致。同時，在t=0.5 s 時對應(yīng)的制動力為17 394 N。

圖3 響應(yīng)特性仿真結(jié)果

因此，可以得到所設(shè)計調(diào)度絞車制動系統(tǒng)的響應(yīng)時間和制動力均能夠滿足其在實際工況的制動要求。

3 結(jié)語

調(diào)度絞車為煤礦生產(chǎn)的輔助運輸設(shè)備，其運輸效率和安全性直接決定了煤礦生產(chǎn)的效率和安全性[5]。本文重點完成了調(diào)度絞車電動機、執(zhí)行機構(gòu)以及制動系統(tǒng)的設(shè)計，并重點對制動系統(tǒng)的性能進行驗證。并總結(jié)如下：

1）采用型號為YBJ11.4-4 電動機為調(diào)度絞車提供動力；

2）選用鋼絲繩的型號為FC1770ZZ76.9，直徑為11 mm，對應(yīng)卷筒的直徑為246.4 mm，每層鋼絲繩的圈數(shù)為25 圈，鋼絲繩的層數(shù)為14 層。

3）經(jīng)對所設(shè)計制動系統(tǒng)的性能進行仿真得知：調(diào)度絞車制動系統(tǒng)的響應(yīng)時間和制動力均能夠滿足其在實際工況的制動要求。