鄧宗岳，于歆婷

1沈陽職業(yè)技術(shù)學院 遼寧沈陽 110045

2沈陽煤業(yè) (集團) 機械制造有限公司 遼寧沈陽 110123

大 功率永磁同步電動機和配套變頻技術(shù)的發(fā)展使得永磁電動滾筒用于帶式輸送機驅(qū)動的方案得到進一步推廣。與異步電動機相比，永磁同步電動機的功率因數(shù)和效率都較高，永磁電動滾筒集驅(qū)動電動機和驅(qū)動滾筒為一體，發(fā)揮了永磁同步電動機節(jié)能高效的優(yōu)勢，簡化了機械傳動環(huán)節(jié)，提高了機械效率。除此之外，該方案減小了設(shè)備空間占用，尤其適用于井下空間有限的采煤工作面的礦用帶式輸送機[1-2]。

傳統(tǒng)的帶式輸送機采用異步電動機、耦合器、減速器、聯(lián)軸器的驅(qū)動方案。而永磁電動滾筒將電動機和減速器集成在滾筒內(nèi)，因此其制動通常采用盤式制動器。制動裝置的性能直接影響到輸送機的穩(wěn)定運行和工作人員的安全，必須高度重視。

1 盤式制動器工作原理

沈陽煤業(yè) (集團) 某礦的 DSJ100/63/2×200 帶式輸送機采用永磁電動滾筒的驅(qū)動形式，采用 2 個驅(qū)動滾筒，配套使用 4 個 KPZ1400/80 盤式制動器。驅(qū)動部分的布置如圖 1 所示。

圖1 驅(qū)動滾筒和制動器結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of driving drum and brake

永磁電動滾筒帶式輸送機制動原理如圖 2 所示，制動盤通過螺栓連接固定在驅(qū)動滾筒上，兩側(cè)裝有制動閘片，制動閘片對制動盤的正壓力取決于液壓站的供油油壓和碟形彈簧的作用力。在輸送機工作時，液壓站提供足夠的壓力，使得制動閘片和制動盤之間保持 0.5～ 1.5 mm 的間隙；在需要制動或斷電等特殊情況下，油壓降低，彈簧推動制動閘片夾緊制動盤，依靠閘片和制動盤間的摩擦實現(xiàn)制動[3-5]。

圖2 盤式制動器原理Fig.2 Principle of disc brake

2 制動減速度計算

采用的帶式輸送機主要原始計算參數(shù)如表 1 所列。

表1 帶式輸送機主要原始計算參數(shù)Tab.1 Main original calculation parameters of belt conveyor

根據(jù)《帶式輸送機工程設(shè)計規(guī)范》可知，水平輸送時，傳動滾筒制動時的減速度

式中：FB為制動力，N；FU為傳動滾筒圓周驅(qū)動力，N；mL為輸送機運動部分總質(zhì)量轉(zhuǎn)換到輸送帶上直線運動的等效質(zhì)量，kg；mD為輸送機旋轉(zhuǎn)部件轉(zhuǎn)動慣量轉(zhuǎn)換到傳動滾筒圓周上直線移動的等效質(zhì)量，kg；FH為主要阻力，N；FN為附加阻力，N；Fs1為特種主要阻力，N；Fs2為特種附加阻力，N；Fst為傾斜阻力，N；qB為輸送帶單位長度質(zhì)量，kg/m；qG為單位長度輸送帶上的物料質(zhì)量，kg/m；K1為托輥旋轉(zhuǎn)部分質(zhì)量轉(zhuǎn)換為直線運動等效質(zhì)量的轉(zhuǎn)換系數(shù)，取K1=0.9；qRo、qRu為上、下托輥區(qū)間單位長度托輥的質(zhì)量，kg/m；L為輸送機長度，m；n為驅(qū)動單元數(shù)量，個；JiD為驅(qū)動單元第i個旋轉(zhuǎn)部件的轉(zhuǎn)動慣量，kg·m2；ii為驅(qū)動單元第i個旋轉(zhuǎn)部件至傳動滾筒的傳動比；Ji為第i個滾筒的轉(zhuǎn)動慣量，kg·m2；r為傳動滾筒半徑，m；ri為第i個滾筒的滾筒半徑，m。

由于該機輸送距離較長，附加阻力明顯小于主要阻力，可以引入一個系數(shù)來考慮阻力，因此式 (2) 可變?yōu)閇6-7]

式中：C為與輸送帶長度有關(guān)的系數(shù)；f為根據(jù)工作條件選取的摩擦因數(shù)；δ為運輸傾角，(°)。

由設(shè)備相關(guān)參數(shù)并結(jié)合式 (3)～ (5)，計算可得mL=134 720 kg，mD=7 780 kg，F(xiàn)U=48 256 N。配套使用KPZ1400/80 盤式制動器，其制動力矩為 80 kN·m，則制動力FB=1.23×105N。

在制動時，液壓油完全泄壓，此時制動力完全用于制動，則將以上數(shù)據(jù)代入式 (1) 可計算出制動減速度aB=1.2 m/s2。根據(jù)帶速v=2 m/s 可得制動時間tB=1.7 s。

為了避免溜槽堆煤，并考慮到緊急情況下的安全，制動需盡快實現(xiàn)。但停車也不是越快越好，制動減速度過大會引起輸送機喘振，設(shè)備不穩(wěn)，造成設(shè)備零件損壞。因此，帶式輸送機允許的制動減速度范圍通常在 0.1～ 0.3 m/s2[8-10]。對比計算所得數(shù)據(jù)可知，制動時的減速度過大，正常工作時，應(yīng)使帶速降至30% 時再進行制動[11-13]。

3 基于 SolidWorks Motion 的制動過程仿真分析

3.1 仿真模型建立

永磁電動滾筒帶式輸送機配套盤式制動器實際安裝如圖 3 所示，每個永磁電動滾筒有 2 個制動盤，制動盤通過螺栓固定于滾筒兩側(cè)。制動器固定于制動器座上。整機有 2 個驅(qū)動滾筒，因此共有 4 個制動器對其進行制動。

圖3 制動器安裝示意Fig.3 Sketch of brake installation

為簡化計算和提高計算速度，在 SolidWorks 中建立 1 副盤式制動器的簡化模型，如圖 4 所示。制動盤外徑為 1 400 mm，材料為普通碳素結(jié)構(gòu)鋼，制動閘片材料為無石棉樹脂。未制動時，液壓系統(tǒng)壓力抵抗碟形彈簧的彈力，使得制動閘片和制動盤的距離保持在 1.5 mm；制動時，液壓系統(tǒng)泄壓，制動閘片在碟形彈簧的彈力作用下夾緊制動盤[14]。制動盤和制動閘片的材料參數(shù)如表 2 所列。

圖4 盤式制動器簡化模型Fig.4 Simplified model of disc brake

表2 制動盤和制動閘片材料參數(shù)Tab.2 Material parameters of braking disc and braking pad

設(shè)置好材料，根據(jù)帶速計算制動盤的轉(zhuǎn)速為 38 r/min，在制動盤上添加旋轉(zhuǎn)馬達，設(shè)置馬達轉(zhuǎn)速為38 r/min。制動盤旋轉(zhuǎn) 1 s 后，給制動閘片施加碟形彈簧彈力 180 kN。在彈力作用下制動閘片向制動盤移動，夾緊制動盤后開始進行制動。根據(jù)兩者的接觸情況和接觸面材料，設(shè)置接觸時的動態(tài)摩擦因數(shù)μk=0.46、靜態(tài)摩擦因數(shù)μs=0.5。

3.2 仿真結(jié)果分析

設(shè)置好計算所需的時間和幀數(shù)，添加制動盤角速度和摩擦力，之后進行運算。

制動盤的角速度變化曲線如圖 5 所示。在第 1.0 s內(nèi)未進行制動，制動盤保持勻角速度轉(zhuǎn)動。從第 1.0 s開始施加制動力，在約第 1.2 s 時制動盤角速度開始快速下降，在約第 3.0 s 時角速度降為 0，制動盤停止轉(zhuǎn)動。

圖5 制動盤角速度變化曲線Fig.5 Variation curve of angular velocity of braking disc

制動盤和制動閘片之間的摩擦力變化曲線如圖 6所示。制動開始前制動力為 0，在制動開始時刻制動力快速上升，制動盤與制動閘片之間克服最大靜摩擦力發(fā)生運動，之后由于制動盤的慣性，進入滑動摩擦階段，摩擦力保持恒定，直至制動盤停止后摩擦力又降為 0。

圖6 摩擦力變化曲線Fig.6 Variation curve of friction

通過仿真結(jié)果可知，該型盤式制動器的制動時間和理論計算值近似，制動摩擦力符合實際變化規(guī)律，同時也驗證了液壓系統(tǒng)完全泄壓制動后制動減速度過大。因此，在實際使用過程中，可在控制系統(tǒng)中設(shè)置，使帶速降至 30% 時再進行制動，或者調(diào)整碟簧的調(diào)節(jié)螺母，根據(jù)實際使用情況適當降低制動力[15]，以免造成輸送機喘振及設(shè)備不穩(wěn)，引起設(shè)備零件損壞。

4 結(jié)論

永磁電動滾筒驅(qū)動帶式輸送機具有節(jié)能高效、傳動效率高、易于維護、空間占用小等優(yōu)點。輸送機的制動性能對整機的安全穩(wěn)定運行至關(guān)重要，借助理論公式計算了制動過程的減速度。但由于永磁電動滾筒在低速區(qū)間運行，且沒有傳統(tǒng)驅(qū)動系統(tǒng)中的減速器和聯(lián)軸器等環(huán)節(jié)，其轉(zhuǎn)動慣量小，因此直接制動時減速度過大，會造成不良后果。

通過對比實際的制動器，在 SolidWorks Motion中建立了制動系統(tǒng)的簡化模型，并對制動過程進行了仿真，結(jié)果驗證了理論計算的正確性。理論計算和仿真結(jié)果對制動器設(shè)計具有一定的參考價值，為該型永磁電動滾筒驅(qū)動帶式輸送機在煤炭企業(yè)生產(chǎn)的正確使用提供了參考，對于設(shè)備的安全操作也具有一定的指導意義。