基于AMESim的矿井提升机液压制动系统优化与仿真分析

罗宏博，张建锐，胡天林，周 游

1陇东学院机械工程学院 甘肃庆阳 745000

2卡特彼勒技术研发 (中国) 有限公司青岛分公司 山东青岛 266061

煤炭工业在我国国民经济发展中占有举足轻重的地位，其安全、高效生产是优化我国能源供应结构和电力市场资源配置，促进我国经济战略目标实现的重要保证。作为煤矿生产流程中关键设备的矿井提升机，担负着矿场人员和物料的升降，井上井下联系，矿车调度，井下综采设备的安装、拆卸、搬迁，以及各种生产物资辅助运输等任务，它的安全、稳定运行是整个煤矿安全生产的保证[1]。矿井提升机制动性能的优劣是影响生产企业事故率和经济效益的主要因素，因此，提升机制动过程的平稳性与可靠性成为了广大提升设备研究人员的研究重点[2]。

据不完全统计，在矿井提升机以往出现的故障中，60% 以上都是由于制动系统故障造成的[3]。为保证提升设备能够安全、可靠、稳定地运行，除了在实际生产过程中加强对运行状态参数的监控之外，最重要的是在制动系统设备安装前，在深入研究矿井提升机制动系统工作原理的基础上，对影响制动性能的重要参数进行评估，基于制动系统的理论数学模型，借助于成熟仿真软件完成多工况运行仿真分析，为矿井提升机制动系统安全、可靠、稳定运行提供优化方案与依据[4]。现代计算机技术的发展、高效可靠的液压系统仿真软件的进步，为煤矿生产设备动态特性仿真分析及试验研究提供了可靠的软件支撑，通过仿真计算可提前预知回路设计的科学性、合理性及系统运行的稳定性和可靠性，便于在设备运行安装前对方案进行优化和完善，避免事故发生。

1 恒力矩制动系统原理

1.1 应用现状

矿井提升机的制动系统主要分为两类，即恒力矩制动和恒减速制动。目前，我国矿井提升机大多采用恒力矩制动系统，但对缠绕式提升机而言，由于钢丝绳自重较大，在井口或井底速度较大，导致速度减幅较大，对提升机冲击较大，同时还存在残压过高、响应时间长、液压胶管震荡、制动载荷不平衡等缺点。本研究通过添加液压元件对恒力矩制动系统进行优化改造，在实现恒力矩制动的基础上，避免负载对提升机制动效果的影响[5]。

矿井提升机制动系统是机电液一体化的综合，工作原理如图 1 所示，主要由液压工作站、控制装置和盘式制动器等组成。

图1 液压制动系统的工作原理Fig.1 Working principle of hydraulic braking system

1.2 优化方案

根据安全生产的要求，结合井下作业的实际情况，在不改变恒力矩系统原有功能的基础上，对制动系统优化升级，主要分为以下几个方面：

(1) 增加专门的蓄能装置，确保系统制动过程中油压的稳定；

(2) 制动系统配备 2 个动力回路，一回路工作，一回路备用，保证提升系统作业的稳定性和可靠性；

(3) 稳压溢流装置选用电液比例溢流阀，通过多级过滤增加提升设备抗污能力和系统动态性能；

(4) 整个系统压力和信号的检测与控制实现闭环控制，确保系统具备独立的故障诊断监测功能[5]。

1.3 数学模型

盘式制动器的理论模型可以简化成带有复位弹簧的液压缸模型[6-8]，其组成如图 2 所示，制动器主要参数如表 1 所列。

图2 盘式制动器的受力分析Fig.2 Force analysis of disc brake

表1 盘式制动器的主要参数Tab.1 Main parameters of disc brake

矿井提升机停车，盘式制动器处于全制动状态，制动液压缸油液泄压，通过回油管路流回油箱，压力为 0。此时碟簧力等于制动正压力

式中：F2为碟簧力；N为制动正压力；k为碟簧刚度；Δ0为碟簧的变形量；n1为单个制动器碟形弹簧片数量。

矿井提升机工作，盘式制动器处于全开状态，制动液压缸压力为工作压力，制动正压力为 0。此时，活塞推力F1等于碟簧力F2。

全制动状态下，闸瓦对制动盘的制动力矩

式中：Rm为制动盘平均摩擦半径；µ为闸瓦对制动盘的摩擦因数；n0为制动器数量。

为保证安全，《煤矿安全规程》规定Mz应该满足 3 倍静力矩Mj的要求，即

式中：Fc为最大净张力差；D为卷筒名义直径。

根据式 (3) 和式 (4)，制动器的正应力

在全制动到贴闸的过程中，活塞推力

式中：N′为闸盘对闸瓦的反作用力，全制动到贴闸过程中，N′从最大值N降到 0。

贴闸是盘式制动器将要施加制动正压力，但未开始的临界状态。贴闸时，活塞推力

盘式制动器制动的贴闸理论油压

全开闸状态时，碟簧力

盘式制动器处于全开闸状态，碟簧的变形量

盘式制动器处在全制动状态，碟簧的变形量

在实际工作中，盘式制动器存在各种阻力pf，所以实际最大工作油压

2 液压制动系统仿真模型

根据矿井提升机液压系统的工作原理，该模型主要由液压工作站、比例溢流阀、电磁控制阀、蓄能器和盘式制动器组成，盘式制动器被简化成液压缸、质量块和碟簧的组合装置。

2.1 元件模型的建立

(1) 制动器的 AMESim 模型 AMESim 元件库中没有现成的制动器模型，使用液压元件库和机械库中相关元件进行搭建，根据盘式制动器的工作原理及结构搭建的模型如图 3 所示。

图3 盘式制动器的仿真模型Fig.3 Simulation model of disc brake

(2) 蓄能器的 AMESim 模型 在 HCD 库中可以得到蓄能器模型如图 4 所示。

图4 蓄能器模型Fig.4 Model of energy accumulator

(3) 二位三通电磁换向阀 根据回路动作需要，建立了二位三通电磁换向阀模型 (见图 5)，实现提升机制动器二级调压动作。

图5 二位三通电磁换向阀模型Fig.5 Model of two-position 3-way electromagnetic directional valve

2.2 仿真回路的参数设置和系统模型

按照实际生产过程中的结构及运行工况，根据理论计算和相关资料数据，矿井提升机液压制动系统主要仿真参数设置如表 2 所列[9-11]。按照提升机液压制动系统的工作原理和结构特点，建立了基于AMESim软件的液压制动系统仿真计算模型，如图 6 所示。

图6 液压制动系统的仿真模型Fig.6 Simulation model of hydraulic braking system

表2 液压制动系统仿真参数Tab.2 Simulation parameters of hydraulic braking system

3 仿真分析

矿井提升机盘式制动器的制动力矩主要是由碟簧的正压力产生的。当闸瓦开闸时，制动器液压缸的油液在活塞上产生一定的作用力，使碟簧受压，作用在制动盘上的制动力矩减小或消除，实现开闸。液压缸主要通过比例溢流阀来调整和控制主油路工作压力，从而使盘式制动器液压缸内部的油压增大或减小。当闸瓦合闸时，制动液压缸内压力为 0，碟形弹簧正压力最大，从而产生最大的制动力矩，实现制动；随着液压缸内压力逐渐增大，碟簧与液压缸液压力的合力减小，制动力矩减小，制动器开闸，制动消除[6]。

3.1 启动过程仿真分析

盘式制动器在启动过程中，通过蓄能器、电磁阀、溢流阀等液压元件控制回路的动作，使制动液压缸内的压力根据比例溢流阀的控制信号按照比例变化。

仿真设置：0～5 s，矿井提升机处于正常停车状态，系统压力 0，盘式制动器合闸；5～10 s，设置比例电磁铁信号为全压信号的 50%；10～15 s，设置比例电磁铁信号为全压信号的 100%。按上述设置仿真分析制动器液压缸压力的变化及稳定性，结果分别如图 7、8 所示。

图7 制动液压缸压力变化曲线Fig.7 Variation curve of pressure of braking cylinder

图8 制动液压缸活塞位移变化曲线Fig.8 Variation curve of displacement of piston of braking cylinder

由图 7、8 可知，在 0～5 s，盘式制动器主油路的压力为零，在电动机启动之时，液压工作站的压力给系统主压力产生一定的振动，但振动的幅值很小，时间也很短，不会对系统的稳定性产生很大的影响；在 5～ 10 s，比例溢流阀控制信号为全压信号的 50%，主系统压力增压到 3.5 MPa；在 10～15 s，比例溢流阀控制信号变为全压信号，主系统压力达到 6.8 MPa。

刚开始，碟簧的正压力最大，制动器合闸。随着比例溢流阀进口油压增大，制动液压缸内的油液压力增大，当压力增大到 2.8 MPa 时，制动液压缸活塞位移L为 0，此时，制动液压缸内的油液压力等于碟簧正压力，制动器处于合闸与开闸的临界状态；当系统压力大于2.8 MPa 时，盘式制动器的碟簧被压缩，盘式制动器开闸，矿井提升机正常开车。

在15～20 s，比例电磁阀断电，这时制动器 B 液压缸压力迅速降为 0，在碟簧正压力的作用下，制动器合闸，实现制动。盘式制动器 A 由于蓄能器里面储存了一定的能量，可维持制动液压缸一个短暂的平衡，在 12 s 时候，制动器 A 液压缸压力降为 0。由此可见，制动器 A的合闸滞后于制动器 B。

由图 7、8 可知，两盘式制动器液压缸内的压力变化曲线和活塞位移变化曲线基本一致，随时间的同步性较高。由此可知，系统具有很高的稳定性和同步性。

3.2 矿井提升机制动器合闸、一级制动、二级制动过程仿真

矿井提升机在井中的位置不同，其需要的安全制动级别不同。罐笼在井口附近，需要进行一级制动；罐笼在井筒中，需要进行二级制动。

仿真设置：0～5 s，矿井提升机处于正常停车状态，制动液压系统压力 0，盘式制动器合闸；5～10 s，蓄能器储能和制动液压缸通入压力油，盘式制动器制动力矩减小，制动器开闸，矿井提升机正常工作；10～15 s 为二级制动过程，15～20 s 为一级制动过程。按上述设置仿真分析不同工况下活塞压力变化，结果分别如图 9、10 所示。

图9 不同工况下活塞压力变化曲线Fig.9 Variation curve of pressure of piston in various operation modes

图10 不同工况下活塞推力变化曲线Fig.10 Variation curve of thrust of piston in various operation modes

如图 9、10 所示，在 0～5 s，比例溢流阀断电，盘式制动器液压缸压力为 0，碟簧的制动力矩最大，制动器合闸，矿井提升机停车；在 5～10 s，蓄能器充压和制动液压缸增压过程，盘式制动器开闸，矿井提升机正常工作；10～15 s 为二级制动过程。制动过程中，先是比例溢流阀断电，制动器 B 液压缸压力降为 0，实现制动；制动器 A 液压站进油压力降为 0，但是蓄能器里储存了能量，通过溢流阀 11 将其压力调整为 5.8 MPa。第 16 s 后，A 制动液压缸压力降为0，A、B 同时泄压，实现一级制动过程。

如图 9、10 所示，当系统压力为 0 时，制动液压缸内的活塞推力为 0，压力变化曲线和活塞推力变化曲线趋势一致，在制动过程中两制动器具有较好的同步性，制动液压缸压力变化和摩擦力随时间变化基本一致，能保证一、二级制动的稳定性和可靠性。

4 结论

根据矿井提升机恒力矩制动系统的工作原理和结构特点，按照煤矿安全生产的要求对其改造升级，基于AMESim 软件平台搭建了升级后的制动器仿真模型，仿真结果表明：

(1) 改造后的液压制动回路压力控制准确，稳定性高，响应快，制动回路的冲击小。

(2) 在原有恒力矩制动系统基础上提出的改造方案，结构简单、成本低，对实际生产具有一定的指导意义。