(江蘇師范大學(xué)連云港校區(qū)海洋港口學(xué)院， 江蘇連云港 222006)

引言

目前，提升機(jī)應(yīng)用于港口、建筑、煤礦等各個(gè)領(lǐng)域[1-3]。礦井提升機(jī)是在煤礦領(lǐng)域應(yīng)用比較廣泛的一種輔助運(yùn)輸設(shè)備，而液壓制動(dòng)系統(tǒng)是礦井提升機(jī)安全運(yùn)行關(guān)鍵，研究薄弱的部分[4-5]，因此研究礦井提升機(jī)在各個(gè)運(yùn)行狀態(tài)下液壓制動(dòng)系統(tǒng)的油壓[6]、碟簧壓縮量[7]、碟簧力[8]等參數(shù)的變化是否符合實(shí)際工況是十分重要的。

礦井提升機(jī)液壓制動(dòng)系統(tǒng)總體由液壓站和制動(dòng)器兩部分組成。液壓站是整個(gè)系統(tǒng)的控制元件，制動(dòng)器相當(dāng)于整個(gè)系統(tǒng)的執(zhí)行元件[9]，依靠液壓站和制動(dòng)閘的有效配合，礦井提升機(jī)可以完成正常開車、正常停車、一級(jí)制動(dòng)、二級(jí)制動(dòng)等一系列的動(dòng)作。本研究使用AMESim對(duì)液壓系統(tǒng)、機(jī)械系統(tǒng)的建模以及系統(tǒng)進(jìn)行仿真和動(dòng)力學(xué)分析[10-12]。 本研究以B159液壓制動(dòng)系統(tǒng)為研究對(duì)象，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行建模、仿真分析，仿真結(jié)果與液壓制動(dòng)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型對(duì)比，驗(yàn)證整個(gè)液壓制動(dòng)系統(tǒng)的有效性，加深礦工對(duì)液壓系統(tǒng)工作的理解，為該系統(tǒng)仿真建模提供一定參考。

1 液壓制動(dòng)系統(tǒng)的工作原理

礦井提升機(jī)正常開車，盤式制動(dòng)器開閘。電機(jī)通電，比例溢流閥7通電，調(diào)整系統(tǒng)壓力為6.3 MPa，電磁換向閥10斷電，電磁換向閥12、15、16通電。電機(jī)帶動(dòng)泵運(yùn)轉(zhuǎn)，液壓管路有三條通路，第一路是油壓經(jīng)過電磁閥G1進(jìn)入A管，第二路是油壓經(jīng)過電磁閥G3進(jìn)入B管，還有一路是油壓經(jīng)過減壓閥9、單向閥13進(jìn)入蓄能器14，給蓄能器補(bǔ)油，當(dāng)油壓大于減壓閥設(shè)定壓力時(shí)此路斷開。此時(shí)A、B管路的油壓都為6.3 MPa，油壓進(jìn)入盤式制動(dòng)器的液壓缸，在油壓作用下，盤式制動(dòng)器的碟簧被壓縮，盤式制動(dòng)器開閘，礦井提升機(jī)正常開車。

礦井提升機(jī)正常停車，盤式制動(dòng)器合閘。電機(jī)通電，比例溢流閥7斷電，調(diào)整系統(tǒng)壓力為0，電磁換向閥10斷電，電磁閥12、15、16通電。電機(jī)帶動(dòng)泵運(yùn)轉(zhuǎn)，液壓管路有二條回油路，一路是A管的油經(jīng)過電磁閥G1和比例溢流閥7回油箱，另外一路是B管的油經(jīng)過電磁閥G3和比例溢流閥7回油箱，因此，盤式制動(dòng)器液壓缸內(nèi)的油全部回油箱，在碟簧預(yù)壓力的作用下，盤式制動(dòng)器合閘，礦井提升機(jī)停車。

如果安全回路掉電，為了確保安全，礦井提升機(jī)需要進(jìn)行緊急制動(dòng)，如果罐籠在井口，進(jìn)行一級(jí)制動(dòng)；如果罐籠在井中，需要進(jìn)行二級(jí)制動(dòng)。在井口處受電控系統(tǒng)控制，提升機(jī)的罐籠的速度已經(jīng)降速，到達(dá)了減速點(diǎn)，需要制動(dòng)器立刻抱閘實(shí)現(xiàn)制動(dòng)，所以需要A、B管連接的制動(dòng)閘油缸內(nèi)的油壓立刻降為0，實(shí)現(xiàn)一級(jí)制動(dòng)。在井中時(shí)，提升機(jī)罐籠的速度相對(duì)較大，需要A管連接的制動(dòng)器的油缸的油降為0，B管連接的制動(dòng)器油缸內(nèi)的油壓降為一級(jí)制動(dòng)油壓，實(shí)現(xiàn)第一級(jí)制動(dòng)，使罐籠的速度符合煤礦安全規(guī)程的減速度，以保證平穩(wěn)、可靠停車。然后，第二級(jí)制動(dòng)再施加上去，即B管的油壓降為0，完成二級(jí)制動(dòng)，確保提升機(jī)安全停車。

在礦井提升機(jī)進(jìn)行一級(jí)制動(dòng)過程中，電機(jī)停電，比例溢流閥7斷電，調(diào)整系統(tǒng)壓力為0。電磁換向閥10、12、15、16全部斷電。管路有兩條回油路，一路是A管的油經(jīng)過電磁閥G1回油箱，另外一路是B管的油經(jīng)過電磁閥G3回油箱，因此，盤式制動(dòng)器液壓缸內(nèi)的油全部回油箱，在碟簧回復(fù)力的作用下，盤式制動(dòng)器立刻合閘，礦井提升機(jī)實(shí)現(xiàn)一級(jí)制動(dòng)。

在礦井提升機(jī)進(jìn)行二級(jí)制動(dòng)過程中，電機(jī)停電，比例溢流閥7斷電，調(diào)整系統(tǒng)壓力為0。電磁換向閥10、12、15斷電，電磁換向閥16通電，延時(shí)2秒，電磁換向閥16再斷電。A管的油經(jīng)過電磁閥G1直接回油箱，A管的油壓直接降到0。由于蓄能器14可以保壓，蓄能器經(jīng)過溢流閥11和電磁換向閥15的作用，B管的油壓從6.3 MPa先降到3.5 MPa，2秒后，電磁換向閥16斷電，B管的油經(jīng)過電磁閥換向閥16直接回油箱，B管的油壓降為0。因此，對(duì)于連接A管路的盤式制動(dòng)器液壓缸內(nèi)的油壓直接降為0，連接B管路的盤式制動(dòng)器液壓缸內(nèi)的油壓先降到二級(jí)制動(dòng)的一級(jí)油壓3.5 MPa，延時(shí)2 s后，再降到0，礦井提升機(jī)實(shí)現(xiàn)緊急二級(jí)制動(dòng)。

表1 B159液壓站主要參數(shù)表

2 數(shù)學(xué)模型理論推導(dǎo)

假設(shè)礦井提升機(jī)液壓制動(dòng)系統(tǒng)處于理想狀態(tài)，忽略油缸內(nèi)部摩擦、油壓泄漏、液壓管路能量損耗等因素，圖2為盤式制動(dòng)器簡化示意圖。

圖2 盤式制動(dòng)器示意圖

盤式制動(dòng)器處于全制動(dòng)狀態(tài)，液壓缸內(nèi)的油壓通過液壓管路回油箱，液壓缸內(nèi)的油壓為0，此時(shí)碟簧力等于制動(dòng)正壓力：

N=F2=kΔ0/n1

(1)

盤式制動(dòng)器處于全開閘狀態(tài)，制動(dòng)正壓壓力為0，此時(shí)活塞推力F1等與碟簧力F2：

F1=F2

(2)

全制動(dòng)狀態(tài)下，閘瓦對(duì)制動(dòng)盤的制動(dòng)力矩為：

Mz=2NRmμn0

(3)

為了保證安全，煤礦安規(guī)程規(guī)定：制動(dòng)力矩Mz應(yīng)滿足3倍的靜力矩Mj，所以：

Mz=2NRmμn0=3Mj=3FcD/2

(4)

根據(jù)式(3)和式(4)，制動(dòng)器正壓力N應(yīng)為：

(5)

在全制動(dòng)到貼閘階段，活塞推力F1計(jì)算為：

F1=kΔ0/n1-N′

(6)

其中N′為閘盤對(duì)閘瓦的反作用力，全制動(dòng)到貼閘過程中，N′從最大值N降到0，貼閘是盤式制動(dòng)將要施加制動(dòng)正壓力還未施加制動(dòng)正壓力的臨界狀態(tài)，所以貼閘時(shí)，活塞的推力為：

F1=kΔ0/n1

(7)

所以盤式制動(dòng)器的理論貼閘油壓px為：

(8)

盤式制動(dòng)器處于全開閘狀態(tài)，碟簧力F2為：

(9)

盤式制動(dòng)器處于全開閘狀態(tài)，碟簧的變形量Δ0+Δ為：

(10)

盤式制動(dòng)器處于在全制動(dòng)狀態(tài)，碟簧的變形量Δ0為：

(11)

在實(shí)際工作中，盤式制動(dòng)器存在各種阻力pf，所以實(shí)際最大工作油壓pm為：

pm≥px+pf

(12)

根據(jù)以上各式可以推導(dǎo)出液壓制動(dòng)系統(tǒng)的理論參數(shù)，結(jié)果如表3所示。

表3 液壓制動(dòng)系統(tǒng)理論參數(shù)

3 液壓制動(dòng)系統(tǒng)的仿真

液壓制動(dòng)系統(tǒng)的整體仿真模型的搭建如圖3所示，盤式制動(dòng)器被簡化成油缸、質(zhì)量塊和碟簧組合，其主要仿真參數(shù)如表4所示。

圖3 液壓系統(tǒng)的整體仿真模型

模型參數(shù)設(shè)置值電機(jī)轉(zhuǎn)速/r·min-11500定量泵轉(zhuǎn)速/r·min-11500比例溢流閥最大壓力/MPa14調(diào)定壓力/MPa0～6.3溢流閥開啟壓力/MPa7彈簧彈簧剛度/kN·mm-136.1質(zhì)量塊質(zhì)量/kg40液壓缸油缸直徑/mm140活塞直徑/mm60容積容積/cm3120蓄能器預(yù)充氣壓/MPa3.0體積/L6.3

3.1 貼閘油壓仿真驗(yàn)證

貼閘油壓是保證盤式制動(dòng)器的閘瓦對(duì)閘盤將要施加力尚未施加力的一個(gè)臨界油壓。假如盤式制動(dòng)器液壓缸的油壓小于貼閘油壓，盤式制動(dòng)器內(nèi)的碟簧保持原來的預(yù)壓縮量；反之，如果盤式制動(dòng)器液壓缸的油壓大于貼閘油壓，盤式制動(dòng)器內(nèi)的碟簧會(huì)在預(yù)壓縮量的基礎(chǔ)上增加。貼閘油壓是盤式制動(dòng)器制動(dòng)過程中一個(gè)重要參數(shù)，以下將通過仿真驗(yàn)證貼閘油壓的準(zhǔn)確性。

仿真設(shè)置：0～5 s液壓制動(dòng)系統(tǒng)處于停車狀態(tài)；5～10 s，系統(tǒng)壓力調(diào)定為2.7 MPa；10～15 s，系統(tǒng)壓力調(diào)定為2.8 MPa；15～20 s，系統(tǒng)壓力調(diào)定為2.7 MPa。圖4為盤式制動(dòng)器液壓缸內(nèi)的油壓變化曲線，圖5為盤式制動(dòng)器內(nèi)碟簧的變形量。

圖4 貼閘仿真時(shí)盤式制動(dòng)器液壓缸內(nèi)的油壓

圖5 貼閘仿真時(shí)盤式制動(dòng)器內(nèi)碟簧的變形量

從圖4和圖5可知，在10 s盤式制動(dòng)器內(nèi)液壓缸的油壓從2.7 MPa上升到2.8 MPa，碟簧的變形量從8.8 mm增加8.89 mm；在15 s盤式制動(dòng)器內(nèi)液壓缸的油壓從2.8 MPa下降到2.7 MPa，碟簧的變形量從8.89 mm下降到8.8 mm，顯然2.8 MPa是貼閘油壓，這和理論結(jié)果一致。

3.2 正常停車和開車仿真驗(yàn)證

仿真設(shè)置：0～5 s液壓制動(dòng)系統(tǒng)處于正常停車狀態(tài)，系統(tǒng)壓力調(diào)定為0；5～10 s，液壓制動(dòng)系統(tǒng)處于正常開車狀態(tài)，系統(tǒng)壓力調(diào)定為6.3 MPa。圖6為正常停車和開車時(shí)盤式制動(dòng)器液壓缸的油壓變化曲線，圖7為正常停車和開車時(shí)盤式制動(dòng)器碟簧的變形量，圖8為正常停車和開車時(shí)盤式制動(dòng)器碟簧的碟簧力變化曲線。

圖6 正常停車和開車是盤式制動(dòng)器液壓缸的油壓

圖7 正常停車和開車時(shí)盤式制動(dòng)器碟簧的變形量

圖8 正常停車和開車時(shí)盤式制動(dòng)器碟簧的碟簧力

如圖6～圖8所示，在0～5 s內(nèi)，提升機(jī)正常停車，液壓缸的油壓為0.03 MPa，碟簧的變形量為8.8 mm，碟簧力為35.2 kN，此時(shí)盤式制動(dòng)器處于全制動(dòng)狀態(tài)，所以制動(dòng)正壓力也為35.2 kN；5～5.5 s，是一個(gè)開閘過程，液壓缸的油壓從0.03 MPa上升到6.33 MPa，碟簧的變形量為8.8 mm增加到10.8 mm，碟簧力從35.2 kN增加到43.2 kN；在5.5～10 s，提升機(jī)正常開車，液壓缸的油壓為6.33 MPa，碟簧的變形量為10.8 mm，碟簧力為43.2 kN。正常停車和開車符合實(shí)際規(guī)律，仿真結(jié)果近似理論結(jié)果。

3.3 一級(jí)制動(dòng)仿真驗(yàn)證

仿真設(shè)置：0～5 s為液壓制動(dòng)系統(tǒng)給蓄能器沖壓，系統(tǒng)壓力調(diào)定為6.3 MPa；5～10 s為液壓制動(dòng)系統(tǒng)處于一級(jí)制動(dòng)過程。圖9為一級(jí)制動(dòng)時(shí)盤式制動(dòng)器液壓缸油壓變化曲線。

圖9 一級(jí)制動(dòng)時(shí)盤式制動(dòng)器液壓缸油壓

如圖9所示，在0～5 s內(nèi)，蓄能器沖壓，其中在0～0.7 s液壓缸內(nèi)油壓有一個(gè)曲折上升，這個(gè)過程是由于給蓄能器充壓的一個(gè)過程，因?yàn)闇p壓閥的調(diào)定壓力為3.3 MPa，在壓力低于3.3 MPa之前液壓制動(dòng)系統(tǒng)一直處于蓄能器充壓過程，充壓完成后，當(dāng)大于3.3 MPa，減壓閥所在的回路相當(dāng)于斷路，0.7 s液壓缸內(nèi)的油壓保持在6.3 MPa。在5～10 s，液壓制系統(tǒng)進(jìn)行一級(jí)制動(dòng)，A、B管的油壓直接降為0.02 MPa，仿真結(jié)果和實(shí)際一級(jí)制動(dòng)的過程一致。在5 s后，B管的油壓從3.5 MPa降到零的時(shí)間比A管降的慢，并不完全重合，那是因?yàn)樵贐管路的蓄能器的緩沖作用，因此B管和A管的油壓曲線不重合。

3.4 二級(jí)制動(dòng)仿真驗(yàn)證

仿真設(shè)置：0～5 s液壓制動(dòng)系統(tǒng)給蓄能器沖壓，系統(tǒng)壓力調(diào)定為6.3 MPa；5～12 s，液壓制動(dòng)系統(tǒng)為二級(jí)制動(dòng)過程，圖10為二級(jí)制動(dòng)時(shí)盤式制動(dòng)器液壓缸油壓的變化曲線。

圖10 二級(jí)制動(dòng)的盤式制動(dòng)器液壓缸油壓變化曲線

如圖10所示，在0～5 s內(nèi)，與一級(jí)制動(dòng)時(shí)蓄能器充壓同理。在5～12 s，液壓制系統(tǒng)進(jìn)行二級(jí)制動(dòng)，5 s以后，A管的油壓立刻從6.33 MPa直接降到0.02 MPa； 5～7 s，B管的油壓從6.3 MPa降到二級(jí)制動(dòng)時(shí)一級(jí)油壓值3.5 MPa，7～12 s，B管的油壓再降為0.02 MPa，二級(jí)制動(dòng)完成，仿真結(jié)果和實(shí)際二級(jí)制動(dòng)的過程一致。

4 結(jié)論

結(jié)合液壓制動(dòng)系統(tǒng)的工作原理，根據(jù)礦井提升機(jī)液壓制動(dòng)系統(tǒng)的幾種實(shí)際工況進(jìn)行AMESim仿真，仿真結(jié)果表明：

(1) 礦井提升機(jī)液壓制動(dòng)系統(tǒng)的貼閘油壓為2.8 MPa，仿真結(jié)果與理論結(jié)果一致，表明了貼閘油壓的理論計(jì)算模型正確可靠，貼閘油壓準(zhǔn)確有效可以減少制動(dòng)器制動(dòng)的空行程時(shí)間，保證制動(dòng)器有效貼閘，為提升機(jī)安全制動(dòng)奠定了良好的基礎(chǔ)；

(2) 礦井提升機(jī)在正常停車和開車的過程中，液壓制動(dòng)系統(tǒng)的液壓缸的油壓、碟簧力、碟簧的變形量和制動(dòng)正壓力的仿真結(jié)果符合理論計(jì)算，礦井提升機(jī)在開車停車過程中，關(guān)鍵參數(shù)運(yùn)行的穩(wěn)定可靠，保證提升機(jī)安全工作；

(3) 礦井提升機(jī)液壓制動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行一級(jí)制動(dòng)和二級(jí)制動(dòng)過程中，A、B管盤式制動(dòng)器液壓缸內(nèi)油壓變化曲線符合實(shí)際的動(dòng)作過程，假如提升機(jī)需要安全制動(dòng)，液壓制動(dòng)系統(tǒng)可以確保提升機(jī)安全制動(dòng)，提高整個(gè)制動(dòng)的可靠性，保證煤礦的人員安全和經(jīng)濟(jì)效益;

(4) 仿真與理論驗(yàn)證加深了煤礦技術(shù)人員對(duì)該系統(tǒng)的理解，指導(dǎo)煤礦技術(shù)人員根據(jù)工況要求調(diào)節(jié)液壓系統(tǒng)參數(shù)，保證整個(gè)液壓制動(dòng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。