王之康

（晉能控股煤業(yè)集團晉圣三溝鑫都煤業(yè)， 山西 晉城 048200）

引言

煤礦運輸系統(tǒng)分為主要運輸系統(tǒng)和輔助運輸系統(tǒng)，其中，主要運輸系統(tǒng)包括帶式輸送機、刮板輸送機和提升機等；輔助運輸系統(tǒng)包括絞車、架空乘人裝置等。針對煤礦綜采工作面大型機電設(shè)備搬運困難、效率低以及勞動強度大等問題，無極繩絞車牽引單軌吊設(shè)備很好地解決了上述問題，不僅提高了工作面輔助運輸?shù)淖詣踊鳂I(yè)水平，還降低了作業(yè)人員的勞動強度和機械損耗[1]。但是，對于現(xiàn)階段無極繩絞車主要面臨的問題無針對性措施。本文將重點開展無極繩絞車制動小車關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的設(shè)計，并進行有限元分析驗證。

1 無極繩絞車制動系統(tǒng)的總體設(shè)計

根據(jù)我國煤炭行業(yè)標準，關(guān)于無極繩絞車制動系統(tǒng)的相關(guān)規(guī)定，無極繩絞車制動系統(tǒng)需滿足如下四項要求：

1）無極繩絞車制動系統(tǒng)可實現(xiàn)手動和自動兩種控制功能。

2）對于額定速度小于2m/s 的無極繩絞車而言，要求制動系統(tǒng)在裝置超速30%時能夠自動施閘；對于額定速度大于2 m/s 的無極繩絞車而言，要求制動系統(tǒng)在裝置超速15%時能夠自動施閘。

3）要求制動系統(tǒng)在得到制動的指令后到施閘的時間小于0.7 s。

4）要求制動系統(tǒng)所提供的制動力能夠保證設(shè)備在任何速度下6 s 內(nèi)制動停車，即制動時間小于6 s[2]。

無極繩絞車采用制動小車為核心的系統(tǒng)進行制動。因此，制動小車的性能和相關(guān)制動結(jié)構(gòu)件的設(shè)計及材料選型對于整個制動系統(tǒng)的性能尤為關(guān)鍵。本文將采用以制動小車為核心的彈簧鉗式摩擦制動方式實施制動。但是，對于彈簧鉗式摩擦制動結(jié)構(gòu)而言，由于在制動彈簧恢復(fù)時容易對制動臂造成較大應(yīng)力集中的現(xiàn)象[3]。因此，本文將重點開展對無極繩絞車制動小車關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的設(shè)計，并對所設(shè)計的結(jié)構(gòu)通過有限元仿真分析方式進行校核。

2 無極繩絞車關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的設(shè)計

彈簧鉗式摩擦制動方式的制動小車的關(guān)鍵部件包括制動輪、連桿、制動臂、彈簧座、制動彈簧等。本節(jié)將在對整個制動小車受力分析的基礎(chǔ)上，對制動臂、制動架、彈簧座的結(jié)構(gòu)進行設(shè)計，并對最終所設(shè)計制動小車的疲勞壽命進行分析。

2.1 無極繩絞車制動小車受力分析

無極繩絞車制動小車的結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 無極繩絞車制動小車結(jié)構(gòu)示意圖

本文將根據(jù)無極繩絞車在最危險工況下對應(yīng)的制動小車所應(yīng)滿足的制動性能為基礎(chǔ)，對其中的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)進行設(shè)計。在實際生產(chǎn)中，制動小車彈簧所需的恢復(fù)力為28.5 kN，此時由于1∶3.5 的制動臂，當前制動小車制動輪對鋼軌腹板的正壓力為100 kN；而且，在緊急制動時要求制動小車所提供的制動力不小于120 kN，此時制動小車側(cè)板所承受的鋼絲繩的拉力為160 kN。

2.2 制動小車關(guān)鍵結(jié)構(gòu)設(shè)計與分析

本小節(jié)重點對制動小車的制動臂、制動架以及彈簧座的結(jié)構(gòu)進行設(shè)計，并對設(shè)計后的結(jié)構(gòu)進行有限元分析。

2.2.1 制動臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計及分析

2.2.1.1 制動臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計

制動臂為整個制動小車承載制動力的關(guān)鍵部件。因此，要求所設(shè)計制動臂的強度和剛度應(yīng)滿足要求，保證在整個制動過程平穩(wěn)[4]。無極繩絞車在正常工作時，液壓油將彈簧壓緊且壓縮量達到最大，此時閘瓦與制動輪之間的距離最大為21 mm；在制動工況下，液壓油卸荷，閘瓦在彈簧的作用下與制動輪接觸，達到摩擦制動的效果；而且，通過制動臂可對彈簧的回復(fù)力進行控制，從而實現(xiàn)對摩擦制動大小的控制，直接反應(yīng)為制動減速度。

從肋拱混凝土3 d、7 d、28 d強度曲線圖的變化趨勢，可以判斷混凝土強度變化情況。根據(jù)施工經(jīng)驗，得出3 d強度值約為設(shè)計強度的30%，7 d強度值約為設(shè)計強度的50%，28 d強度值為設(shè)計強度的100%以上。在關(guān)鍵部位制作同條件試件（7 d），破壞荷載為：658 MPa、682 MPa、535.95 MPa，可以達到設(shè)計強度79%。

根據(jù)無極繩絞車的結(jié)構(gòu)特點，考慮到空間和制動效果，將制動臂的厚度設(shè)定為20 mm，材料選型為Q550；并綜合考慮1∶3.5 的制動臂，確定銷軸孔的直徑為60 mm。所設(shè)計制動臂的其他尺寸如圖2 所示。

圖2 制動臂尺寸（單位：mm）

2.2.1.2 制動臂的有限元分析

基于Pro/E 三維建模軟件建立制動臂的三維結(jié)構(gòu)，并將三維結(jié)構(gòu)導入有限元分析軟件中設(shè)定網(wǎng)格劃分；根據(jù)制動工況下制動臂的受力情況，在制動臂的側(cè)板施加100 kN 的負載，對制動臂的受力情況進行仿真分析，并得出如下結(jié)論：

制動臂的應(yīng)力集中位置位于銷軸孔和連板的鉸接位置，最大應(yīng)力值為421.8 MPa，遠小于材料的需用屈服強度550 MPa；同時，制動臂的最大變形量發(fā)生在其下側(cè)板的位置，且最大變形量僅為1.25 mm，在合理范圍之內(nèi)。

綜上，所設(shè)計的制動臂滿足無極繩絞車在制動工況下的受力要求。

2.2.2 彈簧座的結(jié)構(gòu)設(shè)計及分析

彈簧座作為承載制動彈簧回復(fù)力的關(guān)鍵載體，其還承擔連接制動臂的作用[5]。從整體上彈簧座主要分為底板和四個立板，其中，立板通過焊接的方式與底板進行固定。所設(shè)計的彈簧座的三維結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

圖3 彈簧座三維結(jié)構(gòu)示意圖

2.2.2.2 彈簧座的有限元分析

將上述所設(shè)計的彈簧座導入有限元分析軟件中，并根據(jù)制動工況為其施加28.5 kN 的負載，對其在制動工況下的應(yīng)力和變形進行分析，并得出如下結(jié)論：

彈簧座的應(yīng)力集中位置處于底板和立板的焊接位置，且最大應(yīng)力值為172.5 MPa，遠小于材料的需用屈服強度550 MPa；同時，彈簧座的最大變形量發(fā)生在其立板的上端面和下端板，且最大變形量僅為0.14 mm，在合理范圍之內(nèi)。

綜上，所設(shè)計的彈簧座滿足無極繩絞車在制動工況下的受力要求。

2.2.3 制動小車疲勞壽命分析

基于上述制動臂和彈簧座的設(shè)計，將其裝配為制動小車，根據(jù)制動工況下制動小車的受力情況對其負載進行施加，最后對制動小車的疲勞壽命進行仿真分析。

2.2.3.1 受力分析

經(jīng)仿真分析可知，所設(shè)計的制動小車整體發(fā)生應(yīng)力集中的位置處于制動臂側(cè)板與橫板的焊接處，且最大應(yīng)力值為375.84 MPa，遠小于材料的需用屈服強度550 MPa；同時，制動小車整體的變形量位于彈簧座的底端，其最大變形量為2.58 mm，變形量均勻無突變情況。

2.2.3.2 疲勞壽命分析

經(jīng)仿真分析可知，制動小車最容易發(fā)生疲勞失效的位置處于制動臂橫板與加強筋焊接的位置，其對應(yīng)的壽命失效次數(shù)為15 644 次；通過安全系數(shù)因子云圖可知，制動小車的整體安全系數(shù)為2.055，具有足夠的安全系數(shù)，即可完全保證制動工況的安全運行。

3 結(jié)語

無極繩絞車為煤礦搬運大型機電設(shè)備的裝置，作為輔助運輸系統(tǒng)，搬運效率和制動效果最為關(guān)鍵，本文根據(jù)無極繩絞車的實際制動工況設(shè)計了無極繩絞車制動小車制動臂和彈簧座關(guān)鍵結(jié)構(gòu)，并對所設(shè)計制動小車的疲勞壽命進行分析得知：所設(shè)計的制動臂、彈簧座和制動小車可在制動工況下安全、穩(wěn)定運行，應(yīng)力和變形均滿足要求；同時，制動小車的安全系數(shù)高達2.055，具有足夠的安全系數(shù)。