□ 李程浩

霍州煤電集團呂梁山煤電有限公司方山縣店坪煤礦 山西呂梁 033100

1 設計背景

隨著采煤行業(yè)的發(fā)展,煤礦的安全生產決定了采煤作業(yè)的質量和效率。目前,90%以上的煤炭資源僅能采取井下開采方法,平均開采深度達到600 m,開采作業(yè)條件較為復雜。

礦井提升機是關系到井下采煤安全的關鍵設備之一,其制動系統(tǒng)制動性能的優(yōu)劣將直接影響整個礦井的正常生產。目前,礦井提升機制動系統(tǒng)主要通過液壓系統(tǒng)控制盤式制動器制動。由于液壓系統(tǒng)存在漏油、管路復雜、液壓油變質的問題,往往不能滿足井下作業(yè)的有效制動要求。

針對上述問題,筆者以JKML-4×5多繩摩擦式礦井提升機為研究對象,設計一套電機械制動系統(tǒng),提升制動性能,降低后期維護成本。

2 結構設計

結合礦井提升機運行及制動特點,采用盤式制動器作為制動執(zhí)行機構。結合電機械傳動動力學原理,設計電機械制動方案,如圖1所示。

從圖1中可以看出,在制動系統(tǒng)中,力矩電機通過減速增扭裝置連接傳動部件。在非工作狀態(tài)時,電機輸出力矩,控制蝶形彈簧,閘瓦后移。在工作狀態(tài)時,電機斷電,蝶形彈簧推動閘瓦及制動盤,實現(xiàn)礦井提升機構制動。針對電機械制動方案,結合JKML-4×5礦井提升機制動性能要求,確定內部元件選型。

對于動力輸出部分,井下工作環(huán)境惡劣,礦井提升機制動過程中需要滿足制動周期短、制動力矩大等要求。同時,為保證礦井提升能力,制動系統(tǒng)的整體質量不宜過大。結合上述要求,選用直流無刷力矩電機作為動力輸出部分。

對于傳動連接部分,目前提升機制動器的減速增扭系統(tǒng)通常選用行星齒輪減速器或蝸輪蝸桿減速器。蝸輪蝸桿減速器傳動比大,結構緊湊,但是傳動效率較低,結構精度要求高。行星齒輪減速器傳動效率較高,制動間隙消除時間短,結構較穩(wěn)定。結合礦井環(huán)境,充分考慮制動系統(tǒng)的安全可靠性,確定選用行星齒輪減速器作為傳動連接部分,以控制礦井提升機工作狀態(tài)時振動和沖擊對制動系統(tǒng)產生的影響。

對于制動執(zhí)行部分,主要工作是將電機轉動力矩轉換為直線移動。國家安全生產監(jiān)督管理總局發(fā)布的《煤礦安全規(guī)程》對礦井制動間隙有嚴格要求,制動間隙不得大于1 mm。因此,選用控制精度較高的螺旋傳動系統(tǒng)作為制動執(zhí)行元件。

綜合上述機構元件的選擇,電機械制動系統(tǒng)結構如圖2所示。

從圖2中可以看出,電機械制動系統(tǒng)采用雙側制動的形式,通過兩個電機械結構同時夾緊一個制動輪。這樣的結構較為特殊,為驗證制動特性,需要模擬電機械制動系統(tǒng)的正壓力對制動時間的影響。

3 模擬仿真分析

制動響應時間是反映制動系統(tǒng)制動性能的主要依據(jù),為驗證電機械制動系統(tǒng)的制動特性,結合提升機制動原理,利用ADAMS軟件,對電機械制動系統(tǒng)進行模擬仿真分析。

進行原理分析,并且建立約束。影響制動響應時間的主要因素包括制動正壓力、制動間隙、制動方式等。JKML-4×5 礦井提升機的制動原理是電機帶動絲杠驅動閘瓦產生制動正壓力。根據(jù)結構運行情況,充分考慮制動影響因素,對電機械制動系統(tǒng)增加對應約束。

電機、軸承座、制動器殼體設置固定地面。螺母、滑塊、軸瓦座之間沒有相對制動間隙,將其設置為整體結構。將蝶形彈簧改為彈性阻尼器,并增加彈簧力約束?；瑝K與絲杠之間、軸瓦與滑塊之間增加旋轉副及固定副。制動盤與固定地面之間增加扭矩及旋轉副。

進行制動力函數(shù)建模。礦井提升機的制動方式是通過制動盤與軸瓦接觸產生制動力。針對電機械制動系統(tǒng)的制動力,可以使用沖擊函數(shù)法建模,具體表達式如下:

IMPACT=

STEP(x,x1,-d,cmax,x1,0)=

式中:x為閘瓦與制動盤的距離;x0為阻尼完全作用下閘瓦與制動盤的距離;x1為閘瓦與制動盤接觸時的相對距離;k為剛度因數(shù),取0.35;c為剛度指數(shù);cmax為阻尼因數(shù),取0.4;d為摩擦產生阻力作用下的距離。

利用ADAMS軟件模擬制動過程,結合礦井提升機運行要求,設定電機械制動系統(tǒng)的制動正壓力為30 kN,制動盤摩擦因數(shù)為0.3,制動盤初始速度為20.5 m/s。礦井提升機運行過程中是否安全可靠,制動系統(tǒng)響應時間是關鍵指標。通常情況下,制動響應時間主要包括摩擦制動時間和制動間隙消除時間兩個部分。在制動力不變的情況下,摩擦制動時間通常不會產生較大的變化,制動系統(tǒng)性能主要由制動間隙消除時間決定。剛柔耦合制動夾緊力響應如圖3所示。

從圖3中可以看出,在未給予制動信號前,電機控制左右制動器不工作。在0.5 s時輸入制動信號,制動電機停轉,左右制動器響應,響應偏差為0.08 s,并分別在0.61 s、0.63 s達到30 kN制動力。制動消除時間為0.11～0.13 s,滿足《煤礦安全規(guī)程》中礦井提升機制動器制動間隙消除時間在0.3 s以內的技術要求。

最終左側制動壓力穩(wěn)定在29.46 kN,右側制動壓力穩(wěn)定在29.52 kN,整體偏差值不大于2%,滿足制動力均勻制動的要求。

4 現(xiàn)場試驗

為驗證電機械制動系統(tǒng)處于不同工況下的制動性能,在ADAMS軟件模擬仿真分析的基礎上,在實驗室搭建1∶1電機械制動系統(tǒng),用于驗證模擬仿真分析的正確性,檢測不同制動力矩下的制動性能。制動試驗現(xiàn)場如圖4所示。

制動試驗通過三個方面對制動效果進行檢測。動力部分檢測力矩電機及減速器,通過編碼器檢測器輸入轉速。傳動部分檢測聯(lián)軸器,通過扭矩傳感器檢測扭矩輸出。制動部分檢測制動器,通過壓力傳感器檢測制動力。

為驗證電機械制動系統(tǒng)的穩(wěn)定性,分析在不同礦井提升機運行速度時的制動性能,在制動力相同為3 kN的情況下,設計三組制動盤初始轉速,分別為120 r/min、180 r/min、240 r/min,檢測制動時間,試驗結果如圖5所示。

從圖5中可以看出,在制動正壓力不變的情況下,隨著轉速的提高,制動時間按比例延長。初始轉速為120 r/min時,制動加速度為53 m/s2。初始轉速為180 r/min時,制動加速度變?yōu)?6 m/s2。初始轉速為240 r/min時,制動加速度變?yōu)?2 m/s2。制動加速度偏差比不大于6%,制動性能穩(wěn)定。

5 結束語

為解決傳統(tǒng)液壓盤式制動器在礦井提升機中結構復雜、維護成本高等問題,以JKML-4×5礦井提升機為研究對象,設計了電機械制動系統(tǒng)。

針對井下惡劣環(huán)境,電機械制動系統(tǒng)設計采用電機—減速器—絲杠—蝶形彈簧—制動盤的結構,結構簡單,運行穩(wěn)定,能有效承受礦井提升機工作狀態(tài)時的振動和沖擊。

為了驗證電機械制動系統(tǒng)的效果,建立電機械制動動力學模型,利用ADAMS 軟件模擬仿真。仿真結果顯示,電機械制動系統(tǒng)制動間隙消除時間不超過0.1 s,能夠有效改善礦井提升機的制動性能,保證工作安全性。

通過搭建制動試驗臺,分析在不同礦井提升機運行速度時的實際制動性能。結果顯示,在制動力相同的情況下,隨著轉速的提高,制動時間按比例延長,制動性能穩(wěn)定可靠。