楊敬偉

（中國(guó)煤炭科工集團(tuán) 太原研究院，山西 太原 030006）

0 引言

制動(dòng)系統(tǒng)是連續(xù)采煤機(jī)行走機(jī)構(gòu)十分重要的安全保護(hù)系統(tǒng)，用以保證連續(xù)采煤機(jī)的作業(yè)安全性和效率。連續(xù)采煤機(jī)行走機(jī)構(gòu)采用雙履帶底盤，常見的制動(dòng)形式有：采用電磁閘制動(dòng)形式，利用微型開關(guān)保證在電磁閘完全打開時(shí)電機(jī)啟動(dòng)，而當(dāng)電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)后實(shí)現(xiàn)制動(dòng)；液壓控制的摩擦制動(dòng)形式，該類型制動(dòng)器具有制動(dòng)可靠、操作靈活、體積小、重量輕、散熱性好等特點(diǎn)，當(dāng)需要傳遞較大扭矩時(shí)，可通過增加摩擦片的數(shù)量或增加軸向壓緊力來加以實(shí)現(xiàn)，而不加大制動(dòng)器的徑向尺寸；再一種是行走減速器傳動(dòng)系統(tǒng)采用渦輪蝸桿傳動(dòng)形式，利用渦輪副的自鎖性能來實(shí)現(xiàn)行走機(jī)構(gòu)制動(dòng)的目的。

1 控制策略

EML340 型連續(xù)采煤機(jī)兩側(cè)履帶行走機(jī)構(gòu)分別由一臺(tái)電機(jī)帶動(dòng)減速器獨(dú)立驅(qū)動(dòng)，制動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮電機(jī)拖動(dòng)與駐車制動(dòng)及行車制動(dòng)之間的邏輯關(guān)系，并結(jié)合電氣與液壓的實(shí)際響應(yīng)速度，在程序設(shè)計(jì)中合理設(shè)定時(shí)間延遲量，避免拖動(dòng)與制動(dòng)之間的互相干擾造成電機(jī)過載或制動(dòng)系統(tǒng)壽命縮短。該連采機(jī)行走制動(dòng)系統(tǒng)原理如圖1所示，制動(dòng)器采用彈簧制動(dòng)、液壓釋放結(jié)構(gòu)，行車制動(dòng)和駐車制動(dòng)采用同一組摩擦片。所采用結(jié)構(gòu)屬于常閉式制動(dòng)器結(jié)構(gòu)，具有意外失去動(dòng)力時(shí)可有效保護(hù)設(shè)備處于制動(dòng)狀態(tài)的安全優(yōu)點(diǎn)。

當(dāng)連續(xù)采煤機(jī)需要行車或駐車制動(dòng)時(shí)，根據(jù)行走電機(jī)和液壓電磁閥間的邏輯控制關(guān)系，電機(jī)斷電、電磁閥斷電，制動(dòng)腔中的壓力油經(jīng)過液壓控制閥回到油箱，依靠彈簧的壓力實(shí)現(xiàn)制動(dòng)；當(dāng)行車時(shí)，司機(jī)推動(dòng)行走操作手柄，PLC 分別向電機(jī)和制動(dòng)電磁閥發(fā)出信號(hào)，電機(jī)通電、電磁閥通電，液壓系統(tǒng)中的壓力油通過液壓控制閥閥進(jìn)入制動(dòng)腔推動(dòng)活塞移動(dòng)，彈簧被壓縮解除制動(dòng)，釋放減速器傳動(dòng)軸，從而驅(qū)動(dòng)鏈輪和履帶帶動(dòng)設(shè)備行走。

另外結(jié)合采掘設(shè)備的工作環(huán)境及特點(diǎn)，為了實(shí)現(xiàn)將設(shè)備從巷道空頂區(qū)拖出到安全區(qū)域進(jìn)行維護(hù)等緊急事故的處理，本系統(tǒng)還設(shè)計(jì)了強(qiáng)制解鎖控制單元，通過關(guān)閉主控回路由手壓泵解鎖的方式實(shí)現(xiàn)。

2 參數(shù)確定

圖1 連續(xù)采煤機(jī)制動(dòng)系統(tǒng)原理圖Fig.1 Control strategy of the braking system of continues miner

制動(dòng)系統(tǒng)中的主要部件是制動(dòng)器，安裝在連續(xù)采煤機(jī)行走減速器第二級(jí)傳動(dòng)軸上，主要由殼體、動(dòng)摩擦片、靜摩擦片、彈簧、活塞、主軸、端蓋以及密封等組成，結(jié)構(gòu)如圖2所示。將彈簧與活塞放置在制動(dòng)器的兩側(cè)，彈簧力通過撐桿作用在活塞上，制動(dòng)工作時(shí)，彈簧壓力作用在摩擦片上實(shí)現(xiàn)摩擦片的軸向壓緊制動(dòng)。制動(dòng)器另一側(cè)端蓋加工了一系列沉孔，一方面起到減輕制動(dòng)器重量的作用，另一方面較傳統(tǒng)的濕式制動(dòng)器內(nèi)部可以儲(chǔ)存更多的潤(rùn)滑油，既能充分潤(rùn)滑摩擦片又能降低制動(dòng)器的溫升。另外該制動(dòng)器還設(shè)計(jì)有磨損指示功能，便于在使用過程中及時(shí)檢查磨損情況，當(dāng)磨損到設(shè)計(jì)許用范圍時(shí)，可及時(shí)進(jìn)行維護(hù)或更換。該制動(dòng)器具有結(jié)構(gòu)緊湊、可靠性高、制動(dòng)扭矩大等優(yōu)點(diǎn)。

圖2 制動(dòng)器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.2 Structure of brake

2.1 制動(dòng)力矩的確定

制動(dòng)系統(tǒng)按行車制動(dòng)和駐車制動(dòng)兩種工況研究制動(dòng)力矩的選取。行車制動(dòng)力矩按滿足連采機(jī)行駛過程中行車制動(dòng)距離的要求確定，駐車制動(dòng)按滿足連采機(jī)在最大設(shè)計(jì)坡度上作業(yè)不下滑的要求確定。對(duì)于行車制動(dòng)和駐車制動(dòng)采用不同壓緊力來源的制動(dòng)器結(jié)構(gòu)，應(yīng)按兩種力矩分別確定行車、駐車制動(dòng)力矩及壓緊力。結(jié)合連采機(jī)的工作特點(diǎn)，其行駛速度相對(duì)較低，該機(jī)采用行車、駐車制動(dòng)一體式設(shè)計(jì)，可按兩制動(dòng)力矩中較大者作為結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)依據(jù)。

（1）按制動(dòng)距離計(jì)算。在水平路面上，按兩側(cè)制動(dòng)力矩相等考慮，行車制動(dòng)時(shí)連采機(jī)單個(gè)制動(dòng)器上的制動(dòng)力矩M1為：

式中：δ—回轉(zhuǎn)質(zhì)量折算系數(shù)；m—整機(jī)質(zhì)量（kg）；a1—制動(dòng)加速度（m/s2）；μ—連采機(jī)行走阻力系數(shù)；r1-驅(qū)動(dòng)鏈輪半徑（m）； J1—驅(qū)動(dòng)鏈輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（kg·m2）； Jm—

第m個(gè)回轉(zhuǎn)部件轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（kg·m2）；im—第m個(gè)回轉(zhuǎn)部件到驅(qū)動(dòng)鏈輪的傳動(dòng)比；v0—連采機(jī)行走速度（m/s）；S0—連采機(jī)制動(dòng)距離（m）；t1—制動(dòng)系統(tǒng)反應(yīng)時(shí)間。

（2）按坡道駐車計(jì)算。連續(xù)采煤機(jī)的在最大設(shè)計(jì)作業(yè)坡道駐車作業(yè)時(shí)，需克服重力分力，以及截割部切割煤壁時(shí)煤壁給整機(jī)的反作用力。如圖3所示，根據(jù)受力分析，按照機(jī)器在坡道上作業(yè)不下滑的工況計(jì)算所需的制動(dòng)扭矩，所需制動(dòng)力為：

F=mg·sinα+F1-μ·mg·cosα

式中：α—最大設(shè)計(jì)作業(yè)坡道角度；F1—連采機(jī)工作時(shí)所承受外負(fù)荷反作用力。

單條履帶的滑動(dòng)阻力矩為：Mf=F×rl/2

式中：i—制動(dòng)器安裝軸到輸出軸的傳動(dòng)比；η—行走傳動(dòng)系統(tǒng)效率。則按照取兩制動(dòng)力矩中較大者作為結(jié)

圖3 連采煤機(jī)坡道作業(yè)受力分析圖Fig.3 Dynamics analysis on ramp of continues miner

構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)依據(jù)。同時(shí)出于實(shí)際使用中的安全、磨損及制造非一致性等因素考慮，設(shè)計(jì)中一般會(huì)在計(jì)算值基礎(chǔ)上考慮一定的安全裕度系數(shù)λ，則制動(dòng)器所需制動(dòng)扭矩為：M=λ×max[M1，M2]

2.2 軸向壓緊力計(jì)算

根據(jù)制動(dòng)扭矩計(jì)算制動(dòng)器所需的軸向壓緊力：

式中：K—工作情況系數(shù)；f—摩擦片摩擦系數(shù)；m—摩擦片總摩擦面數(shù)量；R-摩擦片當(dāng)量半徑；D1—摩擦片外徑；D2—摩擦片內(nèi)徑。

2.3 活塞軸向壓緊力計(jì)算

液壓系統(tǒng)管路向制動(dòng)器腔體內(nèi)提供的工作壓力為P，則解除制動(dòng)時(shí)活塞缸的軸向壓緊力為：

式中：P—解制動(dòng)壓力；D—活塞外徑；d—活塞內(nèi)徑。

2.4 摩擦片總磨損量計(jì)算

制動(dòng)器粉片與鋼片磨損到一定程度時(shí)需要更換，按照設(shè)計(jì)指標(biāo)，要求單片粉片的磨損量≤0.25mm，單片鋼片的磨損量≤0.1mm，則最大允許磨損量為：

h=0.25×m1+0.1×m2

式中：m1—粉片的摩擦面數(shù)量；m2—鋼片的摩擦面數(shù)量。

3 可靠性驗(yàn)算

由于該制動(dòng)器為彈簧制動(dòng)、液壓釋放機(jī)構(gòu)，要求制動(dòng)性能可靠、解除制動(dòng)靈敏，摩擦片的工作比壓不得超過摩擦材料的許用值。因此，設(shè)計(jì)時(shí)必須對(duì)彈簧的軸向力、摩擦片的開合可靠性以及摩擦片的最大工作比壓進(jìn)行驗(yàn)算。

3.1 制動(dòng)可靠性驗(yàn)算

已知制動(dòng)器單個(gè)彈簧的最小壓力為F'，則為保證制動(dòng)可靠性，應(yīng)滿足摩擦片上的軸向壓緊力：

式中：∑F'—彈簧的總壓力；△P—制動(dòng)系統(tǒng)回路背壓；n—彈簧的數(shù)量；Q3—活塞及摩擦片軸向運(yùn)動(dòng)摩擦阻力， 一般為0.03·Q1。

3.2 解制動(dòng)可靠性驗(yàn)算

連采機(jī)行走時(shí)，解制動(dòng)系統(tǒng)在液壓力作用下，推動(dòng)活塞壓縮彈簧，摩擦片動(dòng)、靜片分離，制動(dòng)器解除制動(dòng)，為防止制動(dòng)器脫離不充分造成行駛阻力增大及制動(dòng)器磨損，解除制動(dòng)應(yīng)充分、可靠。要實(shí)現(xiàn)制動(dòng)器解除制動(dòng)時(shí)，摩擦片能夠充分脫離，應(yīng)當(dāng)滿足：

3.3 摩擦片工作比壓驗(yàn)算

摩擦片一般有銅基、鐵基、紙基等材料類型，設(shè)計(jì)選型中應(yīng)據(jù)工作特點(diǎn)選擇適用的類型，并校核其工作比壓是否在許用范圍內(nèi)。該制動(dòng)器為彈簧制動(dòng)、液壓釋放類型，當(dāng)制動(dòng)系統(tǒng)回路壓力為零時(shí)摩擦片的工作比壓最大，應(yīng)當(dāng)滿足：

式中： [P]—摩擦片許用比壓。

4 結(jié)束語

由于連續(xù)采煤機(jī)作業(yè)工況較惡劣，增加制動(dòng)系統(tǒng)能有效提高連續(xù)采煤機(jī)對(duì)各種復(fù)雜工況的適應(yīng)性，防止機(jī)器在行走以及作業(yè)過程中出現(xiàn)打滑等狀況，有效提高設(shè)備作業(yè)的穩(wěn)定性和安全性。本文根據(jù)連續(xù)采煤機(jī)的實(shí)際工況，探討了連續(xù)采煤機(jī)制動(dòng)系統(tǒng)的控制策略，提出了合理確定制動(dòng)器的制動(dòng)力矩，以及結(jié)構(gòu)和相關(guān)參數(shù)進(jìn)行了設(shè)計(jì)計(jì)算和可靠性驗(yàn)算的方法。根據(jù)該方法設(shè)計(jì)的制動(dòng)系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)緊湊、可靠性高、反應(yīng)靈敏等特點(diǎn)，已經(jīng)應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)中，并在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際使用過程中取得了良好的效果。

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