李利青

（山西潞安環(huán)保能源開發(fā)股份有限公司漳村煤礦， 山西 長治 046204）

引言

目前，雖然各類清潔能源的應(yīng)用比例和范圍不斷擴(kuò)大，但煤炭資源依舊是國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的支柱性能源資源之一，全球?qū)γ禾抠Y源依舊保持著旺盛的需求，各大煤炭生產(chǎn)企業(yè)都在不斷提升煤炭資源的產(chǎn)能，加大煤炭資源的供應(yīng)。隨著煤礦井下綜采效率的不斷提高，對帶式輸送機(jī)設(shè)備也提出了更高的要求，越來越多的大傾角、高帶速、長距離、大運(yùn)量的輸送機(jī)系統(tǒng)不斷投入使用，在帶來煤炭輸送效率迅速提高的同時(shí)，也頻繁出現(xiàn)輸送機(jī)在運(yùn)輸過程中發(fā)生故障，制動(dòng)系統(tǒng)制動(dòng)失效，導(dǎo)致輸送帶上的物料堆積到巷道底部、機(jī)架損壞等，造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失[1]。分析發(fā)現(xiàn)，對大傾角、高帶速、長距離、大運(yùn)量的輸送機(jī)系統(tǒng)采用的依舊是單一的機(jī)械制動(dòng)或者液壓柔性制動(dòng)，以上制動(dòng)方式在獨(dú)立工作狀態(tài)下無法滿足對重載、大傾角、長距離的輸送機(jī)系統(tǒng)的制動(dòng)要求，因此需要針對性開發(fā)一種新的制動(dòng)系統(tǒng)，以滿足對重載、大傾角、長距離的輸送機(jī)系統(tǒng)的制動(dòng)要求，提高煤礦生產(chǎn)的安全性。

1 復(fù)合制動(dòng)系統(tǒng)的組成及工作原理

經(jīng)對多種制動(dòng)裝置工作原理、制動(dòng)特性的分析，本文選取了盤式制動(dòng)裝置及液壓軟制動(dòng)裝置作為該復(fù)合制動(dòng)系統(tǒng)的組合。

盤式制動(dòng)裝置又稱盤閘[2]，該制動(dòng)裝置是利用儲(chǔ)存在制動(dòng)頭內(nèi)的高壓油液將制動(dòng)裝置的碟簧進(jìn)行壓縮時(shí)制動(dòng)片向兩側(cè)張開，在正常工作時(shí)液壓系統(tǒng)一直處于保壓狀態(tài)，制動(dòng)裝置與電機(jī)軸上的制動(dòng)盤不接觸，輸送機(jī)系統(tǒng)正常工作，當(dāng)開始制動(dòng)時(shí)液壓系統(tǒng)的回路接通，儲(chǔ)存在制動(dòng)頭內(nèi)的油液按一定的速度流回到油箱，摩擦片在碟簧的作用下和制動(dòng)盤接觸，并不斷增加作用在制動(dòng)盤上的正壓力，最終實(shí)現(xiàn)對輸送機(jī)系統(tǒng)的制動(dòng)，其低速制動(dòng)性好，且在低速制動(dòng)時(shí)不會(huì)產(chǎn)生火花，發(fā)熱量也較小。

液壓軟制動(dòng)裝置是利用能量轉(zhuǎn)換原理實(shí)現(xiàn)制動(dòng)的設(shè)備，在工作時(shí)軟制動(dòng)裝置依靠剎車變量泵把輸送機(jī)在減速時(shí)的慣性和動(dòng)能轉(zhuǎn)換為液壓油的壓力，最后系統(tǒng)再將液體的壓力能轉(zhuǎn)換為液體的溫升，通過油箱實(shí)現(xiàn)液壓油的冷卻。該制動(dòng)裝置在整個(gè)制動(dòng)過程中不會(huì)直接摩擦，因此不會(huì)產(chǎn)生火花，制動(dòng)力矩可調(diào)，高速制動(dòng)時(shí)平穩(wěn)性較好，在低速制動(dòng)時(shí)液壓流量波動(dòng)大，制動(dòng)可靠性差。

根據(jù)以上兩種制動(dòng)方式的特點(diǎn)，本文設(shè)計(jì)的復(fù)合制動(dòng)系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 復(fù)合制動(dòng)系統(tǒng)三維結(jié)構(gòu)示意圖

在該復(fù)合制動(dòng)系統(tǒng)中，當(dāng)輸送機(jī)在高速運(yùn)行時(shí)發(fā)生異常需要急停，則由液壓軟制動(dòng)裝置對輸送機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行制動(dòng)，直到輸送機(jī)的運(yùn)行速度降低到系統(tǒng)設(shè)定的臨界值時(shí)，控制系統(tǒng)斷開液壓軟制動(dòng)裝置，同時(shí)啟動(dòng)盤閘制動(dòng)裝置工作，直到系統(tǒng)完全停止運(yùn)行。

2 復(fù)合制動(dòng)系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的建立

該復(fù)合制動(dòng)裝置在執(zhí)行制動(dòng)時(shí)包括高速制動(dòng)階段（此時(shí)電機(jī)的轉(zhuǎn)速ω大于系統(tǒng)設(shè)定的臨界轉(zhuǎn)速ω1）、低速制動(dòng)階段（此時(shí)電機(jī)的轉(zhuǎn)速ω小于系統(tǒng)設(shè)定的臨界轉(zhuǎn)速ω1）和穩(wěn)車制動(dòng)階段（此時(shí)電機(jī)的轉(zhuǎn)速ω為0，此時(shí)盤式制動(dòng)裝置單獨(dú)作用，對輸送機(jī)進(jìn)行穩(wěn)車），三個(gè)階段的受力分析如圖2所示。

圖2 制動(dòng)時(shí)輸送機(jī)主軸各階段的受力情況

根據(jù)圖5，可建立該復(fù)合制動(dòng)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型[3]：

式中：Ta為剎車泵制動(dòng)時(shí)的輸入力矩；Tb為輸送機(jī)下滑時(shí)的慣性力；R2為驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)軸的半徑；I為電機(jī)轉(zhuǎn)軸、聯(lián)軸器、減速器、傳動(dòng)滾筒、托輥轉(zhuǎn)動(dòng)慣量之和；i為減速器的傳動(dòng)比；V為電機(jī)轉(zhuǎn)軸的線速度；ω為電機(jī)轉(zhuǎn)軸的角速度；MZ為盤式制動(dòng)裝置的制動(dòng)力矩。

3 復(fù)合制動(dòng)系統(tǒng)仿真模型的建立

為了驗(yàn)證復(fù)合制動(dòng)系統(tǒng)的制動(dòng)效果，利用Simulink仿真分析模塊[4]對其制動(dòng)時(shí)的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行分析，根據(jù)所建立的復(fù)合制動(dòng)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，建立如圖3所示的仿真分析模型，在系統(tǒng)中設(shè)置了制動(dòng)方式自動(dòng)切換模塊，將切換時(shí)的電機(jī)轉(zhuǎn)速設(shè)置為ω1=600 r/min，分析時(shí)設(shè)定當(dāng)輸送機(jī)系統(tǒng)完全停止運(yùn)行后，在驅(qū)動(dòng)電機(jī)內(nèi)部仍然存在著一定的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，用于模擬在實(shí)際工況下輸送機(jī)停車后在煤炭和輸送帶自身重力作用下所存在的下滑力矩，設(shè)定驅(qū)動(dòng)電機(jī)的初始轉(zhuǎn)速為1 440 r/min。

4 復(fù)合制動(dòng)系統(tǒng)的仿真分析

根據(jù)實(shí)際工況設(shè)定相關(guān)仿真分析參數(shù)，仿真分析結(jié)果如圖4、圖5、圖6所示。

由圖4可知，輸送機(jī)驅(qū)動(dòng)電機(jī)工作轉(zhuǎn)速為1 440 r/min，輸送機(jī)平穩(wěn)運(yùn)行，在第10 s系統(tǒng)發(fā)出制動(dòng)指令后，液壓軟制動(dòng)裝置首先開始利用輸送機(jī)下滑時(shí)的動(dòng)力逐漸將其轉(zhuǎn)化為制動(dòng)壓力，當(dāng)壓力達(dá)到一定程度時(shí)，剎車泵開始進(jìn)入制動(dòng)狀態(tài)，隨著時(shí)間的增加其制動(dòng)力矩不斷增大，直到達(dá)到穩(wěn)態(tài)值后系統(tǒng)維持輸送機(jī)進(jìn)行橫減速制動(dòng)，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速降低到600 r/min后，液壓軟制動(dòng)裝置因流量波動(dòng)開始出現(xiàn)震蕩，此時(shí)系統(tǒng)斷開軟制動(dòng)裝置，使盤式制動(dòng)裝置開始執(zhí)行制動(dòng)，直到電機(jī)轉(zhuǎn)速為零后，此時(shí)液壓軟制動(dòng)裝置的制動(dòng)力矩也降低為零，盤式制動(dòng)裝置開始執(zhí)行穩(wěn)車工作。

由圖5、圖6可知，在復(fù)合制動(dòng)系統(tǒng)的作用下，帶式輸送機(jī)在工作時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)恒減速的制動(dòng)，在制動(dòng)過程中制動(dòng)力矩平穩(wěn)，制動(dòng)及時(shí)、有效，可靠性高。

圖3 復(fù)合制動(dòng)系統(tǒng)的仿真分析模型

圖4 復(fù)合制動(dòng)下的轉(zhuǎn)速—轉(zhuǎn)矩變化曲線

圖5 復(fù)合制動(dòng)下的轉(zhuǎn)速—減速度變化曲線

圖6 復(fù)合制動(dòng)下的轉(zhuǎn)速—復(fù)合轉(zhuǎn)矩變化曲線

5 結(jié)論

仿真試驗(yàn)結(jié)果表明，利用該復(fù)合制動(dòng)系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)在高速運(yùn)行時(shí)依靠液壓軟制動(dòng)獨(dú)立進(jìn)行恒減速制動(dòng)，當(dāng)速度降低到一定值時(shí)，啟動(dòng)盤式制動(dòng)裝置的制動(dòng)及穩(wěn)車，該復(fù)合制動(dòng)系統(tǒng)的制動(dòng)流程合理、有效，制動(dòng)效果明顯。