带式输送机盘式制动装置的设计及仿真分析

翟 寰

（山西阳煤寺家庄有限责任公司， 山西 昔阳 045300）

引言

带式输送机是综采工作面的主要运输设备，其运输效率和安全性直接决定工作面的运输能力。带式输送机运输的安全性在很大程度上决定于设备制动的有效性。统计表明，由于制动器故障导致煤矿事故发生的案例不在少数。目前，应用于带式输送机制动装置的类型包括块式制动器、盘式制动器、液力制动器及液压调压制动器。本文以带式输送机盘式制动器为例开展研究，该制动器存在系统复杂、维护困难等问题，关键核心问题在于该制动器缺乏保压功能[1]。本文将针对上述问题对带式输送机盘式制动器展开研究，并对其温度场进行仿真分析。具体阐述如下：

1 盘式制动装置概述

盘式制动装置作为应用于带式输送机制动系统的机电液一体化产品，其包括机械制动分系统、液压制动分系统及相关电气控制分系统。对应的结构框图如图1 所示。

图1 盘式制动装置结构框图及控制流程

由图1 所示，机械制动分系统主要由盘式制动器和制动盘组成，其中盘式制动器内部包括多片蝶形弹簧，通过对其施加正压力产生摩擦而提供制动力矩；液压制动分系统主要是对调压阀、电液比例阀等液压元器件进行控制，主要针对油路的走向和流量根据工况进行调整，其是对制动力矩调整的关键分系统；电气控制系统的主要任务是对液压油的压力进行控制。

在实际制动操作中，盘式制动装置可对带式输送机在松闸过程、正常停车、工作制动、系统断电及紧急制动等过程进行控制。控制流程如下：盘式制动装置通过电气控制系统对其液压制动系统进行控制，通过液压油路对机械构件包括盘式制动器和制动盘进行控制[2]。

2 盘式制动装置液压元件的选型

盘式制动装置的液压元件可分为动力元件和辅助元件两种。

2.1 动力元件

盘式制动装置动力元件主要包括液压泵、电机的选型。

2.1.1 液压泵

对液压泵选型的主要依据为泵的最大工作压力和流量。对于液压泵的最大工作压力需综合考虑盘式制动器的最大工作压力和实际制动过程中管路中压力的损失。对于本文所研究盘式制动装置的最大工作压力为7 MPa；同时，该盘式制动装置对应的液压管路相对复杂，应取管路的压力损失值1.5 MPa。因此，盘式制动装置液压泵对应的最大工作压力为8.5 MPa。

结合《煤炭安全标准》的相关规定，带式输送机盘式制动系统在制动过程时的空动时间不得超过0.2 s，盘式制动装置的闸瓦间隙不得大于1 mm。结合相关理论计算得出，液压泵的供油流量不得小于7.68 L/min。

综上所述，本系统所配置的液压泵采用型号为CBF-E16 型齿轮泵，该型泵的具体参数如下页表1所示。

表1 CBF-E16 型齿轮泵关键参数

2.1.2 电机

盘式制动装置对应电机选型的主要依据为其运行时的所需功率值。电机功率值与液压泵的最大工作压力、额定流量及总效率相关[3]。结合上述三项变量及理论计算公式，得出该系统配置电动机的功率不得小于1.59 kW。参考《机械设计手册》，本系统所配置电机的型号为YB100L1-4，该型电动机的具体参数如表2 所示。

表2 YB100L1-4 电动机具体参数

2.2 辅助元件

辅助元件包括盘式制动装置液压系统的蓄能器、过滤器、油箱及管路等。

蓄能器的主要功能是在系统运行过程中保证管路中压力的稳定，本系统所配置蓄能器的型号为NXQ1-L0.63/10-L-H，该蓄能器对应的最大蓄能压力值为2.5 MPa。

过滤器的主要功能是管路中液压油的杂质被完全去除，避免管路被阻塞[4]。过滤器可分为进油过滤器和回油过滤器。本系统选择的进油过滤器型号为WU-40×80，出油过滤器的型号为Z/QU-H40×10BDP，对应的关键参数如表3 所示。

表3 过滤器关键参数

结合实际制动需求和液压油的需求，配置液压油箱的长度为800mm、宽度为700mm、高度为585mm；所配置管路的内径为8 mm，外径为14 mm。

3 盘式制动器的仿真分析

本文重点对盘式制动器在实际制动过程中的温度场进行仿真分析。在实际仿真时需作出如下假设：

1）假设在制动过程中盘式制动器的摩擦系数为恒定值。

2）假设盘式制动系统中制动器材料的物理参数均为恒定值。

3）假设盘式制动系统在实际制动过程中的摩擦功全部转化为摩擦热。

4）忽略盘式制动器在制动过程中的辐射散热。

5）假设整个制动过程为匀减速过程。

基于SolidWorks 软件建立制动盘和闸瓦的三维模型，并对三维模型进行网格划分操作，根据制动盘和闸瓦的材料特性对模型中的参数进行设置[5]。其中，制动盘采用的材料类型为16Mn，闸瓦采用无石棉环保型闸瓦。仿真初始参数设置如下：

设定制动盘的初始转速为60 r/min，整个仿真时间设定为20 s，制动过程的时间为12 s，系统所设定的制动压力值为80 kN，制动盘与闸瓦之间摩擦系数为0.35，泊松比为0.3。整个仿真过程中制动系统的初始温度和环境温度均为22 ℃，并得到如图2 所示的仿真结果。

图2 制动盘最高温度随时间的变化

如图2 所示，在制动时间为0.1 s 左右时，制动盘温度最高范围位于摩擦副的接触表面和制动盘及其轴承相连接的位置，此时最高温度为47.29 ℃；随着制动时间的延长，闸瓦和制动盘转动的圈数不断增加，所产生的热量不断积累，并在0.5 s 时制动盘的温度达到最高，最高值为49.899 ℃；随着制动操作的进行，制动盘的转速不断减小，对应的摩擦制动产生的热量也在减小，当12 s 制动结束后制动盘的转速降为零，在制动过程中产生的热量通过空气散热的方式最终降低至与室温相接近的24.49 ℃。

4 结语

带式输送机为综采工作面的关键运输设备，其运行的安全性和可靠性在很大程度上决定于制动装置的性能。本文结合带式输送机的实际运输任务主要对其盘式制动装置的液压主元件和辅助元件进行设计，并对盘式制动器在制动过程中制动盘的温度场进行仿真分析，掌握制动盘的温度场变化趋势，为后续盘式制动器的优化奠定基础。