基于SolidWorks Simulation 盘式制动器研究

金 生

（秦皇岛港股份有限公司第二港务分公司，河北秦皇岛 066000）

0 引言

B2DQ 门式堆取料机卷扬机构的制动器安装在机械传动中的高速轴上，即减速机输入轴。因机械传动的中间环节和不可靠因素较多，故安全可靠性相对较差。如果制动器安装在机械传动的低速轴上，则比较安全可靠，因此，需要在卷筒低速度端增加制动器来提高门取活动梁的安全可靠性。当卷扬机构的高速制动器出现失效故障时，低速盘式制动器可直接制动卷筒，从而有效阻止活动梁在其自重作用下坠落。

根据问题的原因所在，对卷扬机构进行设计改进，通过理论计算、选型，安装低速盘式制动器，设计电控系统。应用Solid－Works 设计软件对制动盘和钳口进行静力学分析、有预应力的模态分析、瞬态动力学分析，寻找制动盘和钳口的薄弱环节和易损坏部位。通过仿真分析，验证卷扬机构低速盘式制动器的安全性和可靠性，避免了不易实现且造价昂贵的活动梁坠落实验。

1 立项背景

B2DQ 门式堆取料机是煤二期预留堆场中的主要装卸设备。门式堆取料机活动梁卷扬机构的技术状况对整个大机的正常运转至关重要，2003 年本队相同类型的B1DQ 门式堆取料机发生一起活动梁掉落的重大机损事故，直接经济损失300 余万元。为此，对活动梁卷扬系统的安全状况引起重视，该系统的任何一个组成部分发生故障，都会对活动梁乃至整个大机产生不可估量的损害。

B2DQ 门式堆取料机的活动梁升降通过钢丝绳滑轮卷扬系统实现。该系统设有2 台卷扬机构，分别布置在设备的刚性腿侧和柔性腿侧。卷扬机构均为双卷式，传动形式为电机—减速机高速轴（加双制动）—经减速到低速轴—卷筒。活动梁上升靠电机驱动，活动梁下降靠自身重力驱动，此时启动电机反转，控制活动梁的下降速度。活动梁升降的制动通过减速机高速轴上的双制动器实现。

B2DQ 门式堆取料机卷扬机构的制动器安装在机械传动中的高速轴上。此时，需要的制动力矩小，制动器体积小、重量轻，因机械传动的中间环节和不可靠因素较多，安全可靠性相对较差。如果安装在机械传动的低速轴上，则比较安全可靠，但转动惯量大，所需制动力矩大，制动器体积和重量相对也大。因此，需要在卷筒低速度端增加制动器来提高门取活动梁的安全可靠性。当卷扬机构的高速制动器出现失效故障时，低速盘式制动器可直接制动卷筒，从而有效阻止活动梁在其自重作用下坠落。

2 技术方案

2.1 盘式制动器的布置安装

经过现场测绘，制动盘可与卷筒的轮毂通过高强螺栓及定位销联接在一起。另外，根据盘式制动器的外形尺寸，由于卷筒离驱动平台的高度仅为100 mm，安装制动盘后会与卷筒底座相互摩擦，故需要重新制作电机、减速机和卷筒等的底座，将卷扬机构整体抬高200 mm，可完成卷扬机构低速盘式制动器的安装。

2.2 低速盘式制动器的工作逻辑

B2DQ 卷扬机构的低速盘式制动器有两个作用。第一个作用类似于汽车驻车时的“手刹”。在卷扬机构正常启升与下降工作时，低速盘式制动器应不起任何作用；在卷扬机构正常制动时，低速盘式制动器延时高速制动器1 s 启动；在卷扬机构工作启动时，低速盘式制动器应提前于高速制动器启动，提前启动时间为2 s。第二个作用是应急安全保障的制动。当卷扬机构的高速制动器、电机和减速机等失效时，低速盘式制动器将承担卷扬机构的全部制动，防止由卷扬机构钢丝绳牵引的活动梁意外坠落，起到应急安全保障的作用。

2.3 盘式制动器电气控制

了解低速盘式制动器的工作逻辑后，可以在B2DQ 卷扬盘式制动器卷盘轴处安装绝对值编码器，利用Profibus-DP 总线通信技术，将编码器数据引入PLC 控制系统。B2DQ 卷扬盘式制动器控制系统逻辑关系。在B2DQ 卷扬盘式制动器南侧两侧安装打开到位限位开关，并将两个限位开关的信号引入控制系统，限位开关设有开到位信号，活动梁不能动作，无论盘式制动器是否投入使用，该限位开关信号均有效，开到位时，限位开关指示灯点亮。利用卷扬盘式制动器南北两侧编码器和卷扬电机南北两个编码器（共计4 个编码器）分别计算活动梁4 个编码器距离最低点的差值，当南北任意一侧两个编码器计算的差值超越整定值，在远控状态下，控制系统会立刻输出抱闸信号，低速盘式制动器立即起作用，防止活动梁坠落事故的发生。

2.4 基于SolidWorks 卷扬低速制动系统的仿真分析

SolidWorks 是目前主流的三维设计、仿真软件。可以与大多数计算机辅助设计软件实现数据的共享和交换，广泛应用于石油化工、航空航天、机械制造等多个领域。

本文基于SolidWorks，建立卷筒制动盘与低速制动器钳口的虚拟样机，对卷扬机构的低速制动系统进行静力学分析、模态分析以及瞬态动力学分析，旨在分析验证卷扬机构的低速制动系统的安全性、可靠性，为日常工作提供理论依据。

（1）制动系统虚拟样机的建立。按照卷扬制动盘与低速制动器钳口的外形尺寸，建立制动系统的虚拟样机，如图1 所示。在材料属性中设定制动盘的材料为45#钢，弹性模量2.05×1011N/m2，屈服强度5.3×108N/m2，泊松比0.29。

（2）制动盘与钳口的静力学分析。根据制动盘与钳口的实际工作条件，向所要研究的制动盘与钳口施加力和约束。考虑到制动盘受到卷筒力矩，故给制动盘施加64.4054 kN·m 的力矩；考虑到钳口受到盘式制动器的夹紧力，故给钳口施加160 kN 的夹紧力。相关应力云图显示表明：制动盘与钳口的最大应力点位于制动盘离开钳口的驶出点，其应力值小于屈服强度530 MPa。因此，卷扬机构在停止工作的静止状态时，盘式制动器的夹紧状态是安全和可靠的。

图1 制动系统的虚拟样机

（3）制动盘与钳口的有预应力的模态分析。模态分析是动力学分析的重要组成部分，通过固有频率和振型的分析，即模态分析，可以寻找制动盘与钳口的薄弱环节和易损坏部位，为低速制动器的日常检查提供参考。

由于低速盘式制动器在工作状态下的钳口处于夹紧状态，夹紧力为160 kN，因此需要对制动盘与钳口进行有预应力的模态分析，并对低速制动器的钳口施加约束。可以得到制动盘与钳口的5 阶模态振型。

制动盘与钳口在1 阶固有频率（14.088 Hz）主要表现为制动盘与钳口沿周向的压缩变形；制动盘与钳口在2 阶固有频率（28.747 Hz）主要表现为制动盘与钳口沿径向的扭转变形；制动盘与钳口在3 阶固有频率（68.225 Hz）主要表现为制动盘与钳口沿侧向的扭转变形；制动盘与钳口在4 阶固有频率（96.08 Hz）主要表现为制动盘与钳口沿侧向的压缩变形；制动盘与钳口在5 阶固有频率（119.16 Hz）主要表现为制动盘与钳口沿轴向的扭转变形；由此可以得到，第3 阶模态和和第5 阶模态对制动盘的影响最大，为日后的设备检查重点提供了理论依据。

（4）制动盘与钳口的瞬态动力学分析。在卷扬机构静止时，静力学分析可以确保制动盘与钳口承受稳定载荷的作用而不失效。但这远远不够，瞬态动力学可以动态地对活动梁坠落时制动盘与钳口的冲击工作状态进行仿真分析，避免不易实现且造价昂贵的活动梁坠落实验。

当卷扬机构的高速制动器、电机、减速机发生失效，导致活动梁意外坠落时，可以在SolidWorks Simulation 系统中设定制动盘受到的转矩64.4054 kN·m。此时，盘式制动器的钳口立即夹紧动作，施加在钳口的夹紧力为160 kN。设定制动盘沿卷筒轴的圆周约束以及制动器钳口的滚柱滑杆约束，设定制动盘与钳口的摩擦系数为0.36。通过运算，可以得到制动盘与钳口的瞬态动力学的应力云图及总位移。

通过制动盘与钳口的瞬态动力学的应力云图及总位移，可以得到当卷扬机构的高速制动器、电机、减速机发生失效，导致活动梁意外坠落时，制动系统在不超出制动盘与钳口许用应力的前提下，安全可靠完成了卷扬机构的制动。

通过制动盘与钳口的瞬态动力学仿真，可以模拟还原出活动梁发生坠落时，活动梁下降位移约为133 mm，制动位移较小，对设备冲击也较小。低速盘式制动器达到了安全制动的作用。

确定技术方案后，进行技术图纸的绘制、零部件的采购及现场的施工安装，最终经过相关人员共同努力，用较短时间完成了门式堆取料机卷扬盘式制动器的技术改进，顺利通过试运行。

经过近1 年的运行观察，新改进的卷扬盘式制动器运行可靠、平稳，故障率为零。事实证明，本次技术改进彻底消除了门式堆取料机卷扬驱动部位存在的重大安全隐患，为公司生产作业提供了可靠保证。