羅宏博，張建銳，胡天林，周 游

1隴東學院機械工程學院 甘肅慶陽 745000

2卡特彼勒技術(shù)研發(fā) (中國) 有限公司青島分公司 山東青島 266061

煤炭工業(yè)在我國國民經(jīng)濟發(fā)展中占有舉足輕重的地位，其安全、高效生產(chǎn)是優(yōu)化我國能源供應(yīng)結(jié)構(gòu)和電力市場資源配置，促進我國經(jīng)濟戰(zhàn)略目標實現(xiàn)的重要保證。作為煤礦生產(chǎn)流程中關(guān)鍵設(shè)備的礦井提升機，擔負著礦場人員和物料的升降，井上井下聯(lián)系，礦車調(diào)度，井下綜采設(shè)備的安裝、拆卸、搬遷，以及各種生產(chǎn)物資輔助運輸?shù)热蝿?wù)，它的安全、穩(wěn)定運行是整個煤礦安全生產(chǎn)的保證[1]。礦井提升機制動性能的優(yōu)劣是影響生產(chǎn)企業(yè)事故率和經(jīng)濟效益的主要因素，因此，提升機制動過程的平穩(wěn)性與可靠性成為了廣大提升設(shè)備研究人員的研究重點[2]。

據(jù)不完全統(tǒng)計，在礦井提升機以往出現(xiàn)的故障中，60% 以上都是由于制動系統(tǒng)故障造成的[3]。為保證提升設(shè)備能夠安全、可靠、穩(wěn)定地運行，除了在實際生產(chǎn)過程中加強對運行狀態(tài)參數(shù)的監(jiān)控之外，最重要的是在制動系統(tǒng)設(shè)備安裝前，在深入研究礦井提升機制動系統(tǒng)工作原理的基礎(chǔ)上，對影響制動性能的重要參數(shù)進行評估，基于制動系統(tǒng)的理論數(shù)學模型，借助于成熟仿真軟件完成多工況運行仿真分析，為礦井提升機制動系統(tǒng)安全、可靠、穩(wěn)定運行提供優(yōu)化方案與依據(jù)[4]?，F(xiàn)代計算機技術(shù)的發(fā)展、高效可靠的液壓系統(tǒng)仿真軟件的進步，為煤礦生產(chǎn)設(shè)備動態(tài)特性仿真分析及試驗研究提供了可靠的軟件支撐，通過仿真計算可提前預(yù)知回路設(shè)計的科學性、合理性及系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性和可靠性，便于在設(shè)備運行安裝前對方案進行優(yōu)化和完善，避免事故發(fā)生。

1 恒力矩制動系統(tǒng)原理

1.1 應(yīng)用現(xiàn)狀

礦井提升機的制動系統(tǒng)主要分為兩類，即恒力矩制動和恒減速制動。目前，我國礦井提升機大多采用恒力矩制動系統(tǒng)，但對纏繞式提升機而言，由于鋼絲繩自重較大，在井口或井底速度較大，導致速度減幅較大，對提升機沖擊較大，同時還存在殘壓過高、響應(yīng)時間長、液壓膠管震蕩、制動載荷不平衡等缺點。本研究通過添加液壓元件對恒力矩制動系統(tǒng)進行優(yōu)化改造，在實現(xiàn)恒力矩制動的基礎(chǔ)上，避免負載對提升機制動效果的影響[5]。

礦井提升機制動系統(tǒng)是機電液一體化的綜合，工作原理如圖 1 所示，主要由液壓工作站、控制裝置和盤式制動器等組成。

圖1 液壓制動系統(tǒng)的工作原理Fig.1 Working principle of hydraulic braking system

1.2 優(yōu)化方案

根據(jù)安全生產(chǎn)的要求，結(jié)合井下作業(yè)的實際情況，在不改變恒力矩系統(tǒng)原有功能的基礎(chǔ)上，對制動系統(tǒng)優(yōu)化升級，主要分為以下幾個方面：

(1) 增加專門的蓄能裝置，確保系統(tǒng)制動過程中油壓的穩(wěn)定；

(2) 制動系統(tǒng)配備 2 個動力回路，一回路工作，一回路備用，保證提升系統(tǒng)作業(yè)的穩(wěn)定性和可靠性；

(3) 穩(wěn)壓溢流裝置選用電液比例溢流閥，通過多級過濾增加提升設(shè)備抗污能力和系統(tǒng)動態(tài)性能；

(4) 整個系統(tǒng)壓力和信號的檢測與控制實現(xiàn)閉環(huán)控制，確保系統(tǒng)具備獨立的故障診斷監(jiān)測功能[5]。

1.3 數(shù)學模型

盤式制動器的理論模型可以簡化成帶有復位彈簧的液壓缸模型[6-8]，其組成如圖 2 所示，制動器主要參數(shù)如表 1 所列。

圖2 盤式制動器的受力分析Fig.2 Force analysis of disc brake

表1 盤式制動器的主要參數(shù)Tab.1 Main parameters of disc brake

礦井提升機停車，盤式制動器處于全制動狀態(tài)，制動液壓缸油液泄壓，通過回油管路流回油箱，壓力為 0。此時碟簧力等于制動正壓力

式中：F2為碟簧力；N為制動正壓力；k為碟簧剛度；Δ0為碟簧的變形量；n1為單個制動器碟形彈簧片數(shù)量。

礦井提升機工作，盤式制動器處于全開狀態(tài)，制動液壓缸壓力為工作壓力，制動正壓力為 0。此時，活塞推力F1等于碟簧力F2。

全制動狀態(tài)下，閘瓦對制動盤的制動力矩

式中：Rm為制動盤平均摩擦半徑；μ為閘瓦對制動盤的摩擦因數(shù)；n0為制動器數(shù)量。

為保證安全，《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定Mz應(yīng)該滿足 3 倍靜力矩Mj的要求，即

式中：Fc為最大凈張力差；D為卷筒名義直徑。

根據(jù)式 (3) 和式 (4)，制動器的正應(yīng)力

在全制動到貼閘的過程中，活塞推力

式中：N′為閘盤對閘瓦的反作用力，全制動到貼閘過程中，N′從最大值N降到 0。

貼閘是盤式制動器將要施加制動正壓力，但未開始的臨界狀態(tài)。貼閘時，活塞推力

盤式制動器制動的貼閘理論油壓

全開閘狀態(tài)時，碟簧力

盤式制動器處于全開閘狀態(tài)，碟簧的變形量

盤式制動器處在全制動狀態(tài)，碟簧的變形量

在實際工作中，盤式制動器存在各種阻力pf，所以實際最大工作油壓

2 液壓制動系統(tǒng)仿真模型

根據(jù)礦井提升機液壓系統(tǒng)的工作原理，該模型主要由液壓工作站、比例溢流閥、電磁控制閥、蓄能器和盤式制動器組成，盤式制動器被簡化成液壓缸、質(zhì)量塊和碟簧的組合裝置。

2.1 元件模型的建立

(1) 制動器的 AMESim 模型 AMESim 元件庫中沒有現(xiàn)成的制動器模型，使用液壓元件庫和機械庫中相關(guān)元件進行搭建，根據(jù)盤式制動器的工作原理及結(jié)構(gòu)搭建的模型如圖 3 所示。

圖3 盤式制動器的仿真模型Fig.3 Simulation model of disc brake

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

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

(3) 二位三通電磁換向閥 根據(jù)回路動作需要，建立了二位三通電磁換向閥模型 (見圖 5)，實現(xiàn)提升機制動器二級調(diào)壓動作。

圖5 二位三通電磁換向閥模型Fig.5 Model of two-position 3-way electromagnetic directional valve

2.2 仿真回路的參數(shù)設(shè)置和系統(tǒng)模型

按照實際生產(chǎn)過程中的結(jié)構(gòu)及運行工況，根據(jù)理論計算和相關(guān)資料數(shù)據(jù)，礦井提升機液壓制動系統(tǒng)主要仿真參數(shù)設(shè)置如表 2 所列[9-11]。按照提升機液壓制動系統(tǒng)的工作原理和結(jié)構(gòu)特點，建立了基于AMESim軟件的液壓制動系統(tǒng)仿真計算模型，如圖 6 所示。

圖6 液壓制動系統(tǒng)的仿真模型Fig.6 Simulation model of hydraulic braking system

表2 液壓制動系統(tǒng)仿真參數(shù)Tab.2 Simulation parameters of hydraulic braking system

3 仿真分析

礦井提升機盤式制動器的制動力矩主要是由碟簧的正壓力產(chǎn)生的。當閘瓦開閘時，制動器液壓缸的油液在活塞上產(chǎn)生一定的作用力，使碟簧受壓，作用在制動盤上的制動力矩減小或消除，實現(xiàn)開閘。液壓缸主要通過比例溢流閥來調(diào)整和控制主油路工作壓力，從而使盤式制動器液壓缸內(nèi)部的油壓增大或減小。當閘瓦合閘時，制動液壓缸內(nèi)壓力為 0，碟形彈簧正壓力最大，從而產(chǎn)生最大的制動力矩，實現(xiàn)制動；隨著液壓缸內(nèi)壓力逐漸增大，碟簧與液壓缸液壓力的合力減小，制動力矩減小，制動器開閘，制動消除[6]。

3.1 啟動過程仿真分析

盤式制動器在啟動過程中，通過蓄能器、電磁閥、溢流閥等液壓元件控制回路的動作，使制動液壓缸內(nèi)的壓力根據(jù)比例溢流閥的控制信號按照比例變化。

仿真設(shè)置：0～5 s，礦井提升機處于正常停車狀態(tài)，系統(tǒng)壓力 0，盤式制動器合閘；5～10 s，設(shè)置比例電磁鐵信號為全壓信號的 50%；10～15 s，設(shè)置比例電磁鐵信號為全壓信號的 100%。按上述設(shè)置仿真分析制動器液壓缸壓力的變化及穩(wěn)定性，結(jié)果分別如圖 7、8 所示。

圖7 制動液壓缸壓力變化曲線Fig.7 Variation curve of pressure of braking cylinder

圖8 制動液壓缸活塞位移變化曲線Fig.8 Variation curve of displacement of piston of braking cylinder

由圖 7、8 可知，在 0～5 s，盤式制動器主油路的壓力為零，在電動機啟動之時，液壓工作站的壓力給系統(tǒng)主壓力產(chǎn)生一定的振動，但振動的幅值很小，時間也很短，不會對系統(tǒng)的穩(wěn)定性產(chǎn)生很大的影響；在 5～ 10 s，比例溢流閥控制信號為全壓信號的 50%，主系統(tǒng)壓力增壓到 3.5 MPa；在 10～15 s，比例溢流閥控制信號變?yōu)槿珘盒盘?，主系統(tǒng)壓力達到 6.8 MPa。

剛開始，碟簧的正壓力最大，制動器合閘。隨著比例溢流閥進口油壓增大，制動液壓缸內(nèi)的油液壓力增大，當壓力增大到 2.8 MPa 時，制動液壓缸活塞位移L為 0，此時，制動液壓缸內(nèi)的油液壓力等于碟簧正壓力，制動器處于合閘與開閘的臨界狀態(tài)；當系統(tǒng)壓力大于2.8 MPa 時，盤式制動器的碟簧被壓縮，盤式制動器開閘，礦井提升機正常開車。

在15～20 s，比例電磁閥斷電，這時制動器 B 液壓缸壓力迅速降為 0，在碟簧正壓力的作用下，制動器合閘，實現(xiàn)制動。盤式制動器 A 由于蓄能器里面儲存了一定的能量，可維持制動液壓缸一個短暫的平衡，在 12 s 時候，制動器 A 液壓缸壓力降為 0。由此可見，制動器 A的合閘滯后于制動器 B。

由圖 7、8 可知，兩盤式制動器液壓缸內(nèi)的壓力變化曲線和活塞位移變化曲線基本一致，隨時間的同步性較高。由此可知，系統(tǒng)具有很高的穩(wěn)定性和同步性。

3.2 礦井提升機制動器合閘、一級制動、二級制動過程仿真

礦井提升機在井中的位置不同，其需要的安全制動級別不同。罐籠在井口附近，需要進行一級制動；罐籠在井筒中，需要進行二級制動。

仿真設(shè)置：0～5 s，礦井提升機處于正常停車狀態(tài)，制動液壓系統(tǒng)壓力 0，盤式制動器合閘；5～10 s，蓄能器儲能和制動液壓缸通入壓力油，盤式制動器制動力矩減小，制動器開閘，礦井提升機正常工作；10～15 s 為二級制動過程，15～20 s 為一級制動過程。按上述設(shè)置仿真分析不同工況下活塞壓力變化，結(jié)果分別如圖 9、10 所示。

圖9 不同工況下活塞壓力變化曲線Fig.9 Variation curve of pressure of piston in various operation modes

圖10 不同工況下活塞推力變化曲線Fig.10 Variation curve of thrust of piston in various operation modes

如圖 9、10 所示，在 0～5 s，比例溢流閥斷電，盤式制動器液壓缸壓力為 0，碟簧的制動力矩最大，制動器合閘，礦井提升機停車；在 5～10 s，蓄能器充壓和制動液壓缸增壓過程，盤式制動器開閘，礦井提升機正常工作；10～15 s 為二級制動過程。制動過程中，先是比例溢流閥斷電，制動器 B 液壓缸壓力降為 0，實現(xiàn)制動；制動器 A 液壓站進油壓力降為 0，但是蓄能器里儲存了能量，通過溢流閥 11 將其壓力調(diào)整為 5.8 MPa。第 16 s 后，A 制動液壓缸壓力降為0，A、B 同時泄壓，實現(xiàn)一級制動過程。

如圖 9、10 所示，當系統(tǒng)壓力為 0 時，制動液壓缸內(nèi)的活塞推力為 0，壓力變化曲線和活塞推力變化曲線趨勢一致，在制動過程中兩制動器具有較好的同步性，制動液壓缸壓力變化和摩擦力隨時間變化基本一致，能保證一、二級制動的穩(wěn)定性和可靠性。

4 結(jié)論

根據(jù)礦井提升機恒力矩制動系統(tǒng)的工作原理和結(jié)構(gòu)特點，按照煤礦安全生產(chǎn)的要求對其改造升級，基于AMESim 軟件平臺搭建了升級后的制動器仿真模型，仿真結(jié)果表明：

(1) 改造后的液壓制動回路壓力控制準確，穩(wěn)定性高，響應(yīng)快，制動回路的沖擊小。

(2) 在原有恒力矩制動系統(tǒng)基礎(chǔ)上提出的改造方案，結(jié)構(gòu)簡單、成本低，對實際生產(chǎn)具有一定的指導意義。