王建華

（同煤集團(tuán)煤峪口礦大型設(shè)備隊(duì)， 山西 大同 037000）

引言

礦井提升機(jī)是煤礦生產(chǎn)的關(guān)鍵設(shè)備，也是保障安全的重要裝備，制動(dòng)閘瓦是提升機(jī)制動(dòng)裝置的核心部件，閘瓦的摩擦學(xué)特性決定了提升系統(tǒng)運(yùn)行質(zhì)量，也直接影響了全礦生產(chǎn)人員的生命安全。隨著礦井開(kāi)采深度、生產(chǎn)規(guī)模和產(chǎn)能的迅速增加，礦井提升機(jī)運(yùn)行速度、工作載荷和提升高度均有了巨大提升，國(guó)內(nèi)應(yīng)用提升機(jī)的運(yùn)行速度可達(dá)20 m/s、工作載荷100 t[1]。高速、重載制動(dòng)工況使閘瓦材料摩擦載荷嚴(yán)重增加，引發(fā)的高速過(guò)卷、打滑、墩罐等惡性事故有所增加，嚴(yán)重威脅了礦井人員和財(cái)產(chǎn)的安全。閘瓦材料摩擦特性是材料本身的物理屬性，開(kāi)發(fā)新型閘瓦材料并提高其摩擦性能，可有效提高提升機(jī)制動(dòng)系統(tǒng)的可靠性和安全性[2]。

1 磁性提升機(jī)閘瓦的性能測(cè)試方法

提升機(jī)閘瓦的評(píng)價(jià)指標(biāo)為摩擦系數(shù)和磨損率，這兩項(xiàng)指標(biāo)決定了制動(dòng)功能的優(yōu)劣，因此研究磁性閘瓦物理機(jī)械特性、摩擦特性和磨損規(guī)律是保證提升機(jī)安全穩(wěn)定運(yùn)行的重要前提[3]。

提升機(jī)液壓系統(tǒng)對(duì)稱(chēng)布置，制動(dòng)時(shí)油缸同時(shí)實(shí)施制動(dòng)動(dòng)作，油路整體為并聯(lián)結(jié)構(gòu)，液壓缸推動(dòng)閘瓦對(duì)制動(dòng)盤(pán)施加制動(dòng)，制動(dòng)時(shí)液壓缸保壓無(wú)動(dòng)作[4]。實(shí)驗(yàn)前標(biāo)定傳感器，液壓缸閘住飛輪不動(dòng)，油缸壓緊和松開(kāi)動(dòng)作由兩電磁換向閥完成，由于實(shí)驗(yàn)過(guò)程僅需要加壓油缸壓緊即可，無(wú)壓緊速度等要求，因此實(shí)驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，實(shí)驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

實(shí)驗(yàn)時(shí)摩擦盤(pán)在驅(qū)動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)下旋轉(zhuǎn)，制動(dòng)盤(pán)轉(zhuǎn)數(shù)通過(guò)感應(yīng)式接近開(kāi)關(guān)測(cè)量得出；正壓力通過(guò)氣缸對(duì)閘瓦試樣和制動(dòng)盤(pán)實(shí)施；摩擦力由測(cè)力傳感器獲得；制動(dòng)過(guò)程溫升由熱電耦測(cè)出，熱電偶在制動(dòng)盤(pán)表面；實(shí)驗(yàn)環(huán)境溫度由專(zhuān)門(mén)加熱裝置進(jìn)行控制；試驗(yàn)過(guò)程的溫度、速度、摩擦力等數(shù)據(jù)全部自動(dòng)完成采集。

圖1 摩擦特性實(shí)驗(yàn)簡(jiǎn)圖

2 磁性提升機(jī)閘瓦摩擦試驗(yàn)方案

閘瓦摩擦特性實(shí)驗(yàn)執(zhí)行機(jī)械行業(yè)中對(duì)礦井提升機(jī)盤(pán)形制動(dòng)器閘瓦的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測(cè)試，根據(jù)提升機(jī)實(shí)際制動(dòng)工況設(shè)置試驗(yàn)參數(shù)，參數(shù)如表1 所示。

表1 制動(dòng)實(shí)驗(yàn)參數(shù)表

閘瓦與摩擦盤(pán)的摩擦因數(shù)μ 計(jì)算公式為：

式中：F 為閘瓦對(duì)摩擦盤(pán)形成的摩擦力，N；P 為制動(dòng)壓力，MPa；A 為摩擦接觸區(qū)面積，mm2。

采用螺旋測(cè)微器測(cè)量閘瓦試樣體積磨損率ω，其計(jì)算公式為：

式中：R 為理論摩擦半徑，mm；Nd為摩擦盤(pán)累計(jì)轉(zhuǎn)數(shù)；d1，d2分別為試驗(yàn)前、后閘瓦試樣的平均厚度，mm；Fm為實(shí)驗(yàn)獲得的平均摩擦力，N。

3 滑動(dòng)速度對(duì)閘瓦摩擦的影響規(guī)律及機(jī)理

首先通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究滑動(dòng)速度和摩擦系數(shù)之間的關(guān)系，保持恒定的制動(dòng)壓力，制動(dòng)盤(pán)旋轉(zhuǎn)速度越大摩擦熱產(chǎn)生越多，表面溫度也就越高，溫度的升高會(huì)引起摩擦面狀態(tài)改變，隨著物理性能的改變，混合摩擦模式產(chǎn)生，導(dǎo)致摩擦系數(shù)不斷降低，如圖2 所示。制動(dòng)盤(pán)磨損率也會(huì)隨著滑動(dòng)速度的增加而加劇，同時(shí)壓力增加磨損率也會(huì)顯著變大。其原理可以解釋為制動(dòng)盤(pán)表面微凸體在高溫作用下不斷被剪切、移除，滑動(dòng)速度和壓力增加，加劇了這一過(guò)程，從而引起摩擦系數(shù)降低，磨損率增加。

圖2 摩擦系數(shù)隨滑動(dòng)速度的變化曲線

4 制動(dòng)壓力對(duì)閘瓦摩擦的影響規(guī)律及機(jī)理

影響摩擦系數(shù)兩大因素為制動(dòng)壓力和摩擦接觸面積，制動(dòng)壓力增大會(huì)導(dǎo)致接觸區(qū)域產(chǎn)生彈性變形，從而增加摩擦實(shí)際接觸面積，但實(shí)際接觸面積的增加遠(yuǎn)小于制動(dòng)壓力的提升，在摩擦熱增加的過(guò)程中，摩擦系數(shù)隨著制動(dòng)壓力增加開(kāi)始不發(fā)生變化，但制動(dòng)壓力達(dá)到一定值后反而出現(xiàn)摩擦系數(shù)減小的現(xiàn)象，其規(guī)律如圖3 所示。

5 溫度對(duì)閘瓦摩擦的影響規(guī)律及機(jī)理

閘瓦和制動(dòng)盤(pán)的摩擦將會(huì)產(chǎn)生熱量，當(dāng)熱量無(wú)法通過(guò)空氣擴(kuò)散時(shí)，材料在接觸面的高溫作用下產(chǎn)生相應(yīng)變化，通過(guò)實(shí)驗(yàn)分析可以得出，制動(dòng)盤(pán)物理性能變化拐點(diǎn)為180 ℃，低于這個(gè)溫度時(shí)材料結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，當(dāng)超過(guò)180 ℃時(shí)材料軟化，熱衰退現(xiàn)象明顯，摩擦系數(shù)迅速下降，如圖4 所示，同時(shí)材料的磨損率也相應(yīng)增大，其原因可以歸納為當(dāng)溫度升高在一定范圍內(nèi)，接觸面表面的凸起對(duì)摩擦產(chǎn)生的剪切抗力變化不大，當(dāng)超過(guò)180 ℃時(shí)，材料軟化后摩擦面的剪切抗力明顯降低，表面凸起迅速脫落，因此摩擦系數(shù)也迅速衰減，材料的磨損率也迅速增加。

圖3 摩擦系數(shù)隨制動(dòng)壓力的變化曲線

圖4 摩擦系數(shù)隨溫度的變化曲線

6 結(jié)論

通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究滑動(dòng)速度、制動(dòng)壓力和工作溫度對(duì)閘瓦摩擦特性影響規(guī)律，證明摩擦系數(shù)與主動(dòng)盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)速度、制動(dòng)壓力和制動(dòng)盤(pán)表面溫度變化成反比，磨損率與這三個(gè)因素成正比，其中滑動(dòng)速度和溫度相互耦合共同作用，影響摩擦系數(shù)和磨損率的程度最大，制動(dòng)壓力對(duì)摩擦系數(shù)和磨損率影響較低。通過(guò)分析磁性閘瓦的摩擦特性，為提升機(jī)設(shè)計(jì)新的制動(dòng)系統(tǒng)和控制模式提供很好的原始數(shù)據(jù)和理論依據(jù)，對(duì)保證提升機(jī)安全生產(chǎn)具有重要意義。