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煤矿提升绞车新型制动装置研究朱峰

发表时间：2021/6/7 来源：《基层建设》2021年第2期作者：朱峰

[导读] 摘要：在现如今的煤矿中，盘式制动器常被应用于提升绞车中，由于容易出现闸瓦磨损和力矩不足的问题，使得制动性能急剧下降，甚至失去制动效果。

        山东鲁泰控股集团有限公司太平煤矿山东济宁 272000
        摘要：在现如今的煤矿中，盘式制动器常被应用于提升绞车中，由于容易出现闸瓦磨损和力矩不足的问题，使得制动性能急剧下降，甚至失去制动效果。因此，应用一种增压制动装置，可以有效解决提升绞车体积较大、质量较重等问题。而制动装置对于提升绞车的安全稳定性有着直接关系，如制动装置出现故障，容易引发安全生产事故，因此，为了提高绞车的制动性能，研究一种增压制动装置。本文就此展开了探讨。
        关键词：煤矿生产；绞车；制动装置
        我国煤矿开采机械化程度的不断提高，要求煤矿运输逐渐向智能化发展，国内学者对此进行了一定的研究。有人在首采工作面安装中采用了可调速无极绳绞车和泄漏通信等装置构成的辅助运输系统，该系统能解决综采工作面安装和回采过程中设备及材料的运输难题，具有较好的经济和安全效益。
        1煤矿提升绞车
        1.1结构
        盘式制动器通过闸瓦与制动盘之间相互摩擦，产生摩擦力作用使得制动盘减速至停止状态，实现对提升绞车的制动效应，但是此过程会造成闸瓦的磨损。当闸瓦的磨损程度超过一定界限的时候，会使得闸瓦与制动盘之间的间隙越来越大，最后失去了制动的效果。增压制动器是基于鼓式制动器设计的一种增压式制动装置，主要的制动形式为内张式，整体设计紧凑，采用常闭式设计实现在不进行工作的时候卷筒被抱闸的[1]。新型结构设计可以解决现有结构卷筒体积较大的问题，将制动盘与卷筒结合成一体
        1.2综合保护装置
        综合保护装置用于绞车运输的保护，具有绞车速度显示、绞车牵引车位置显示、正反向起动、沿线急停闭锁、机头机尾防止过卷、泄漏通信、语音广播报警以及岔道弯道报警功能。保护装置主机主要技术参数：①额定工作电压Ｕｅ为ＡＣ１２７Ｖ（允许波动范围（７５％～１１０％）Ｕｅ）。②工作电流不大于０.５Ａ。③本安电源额定输出电压ＤＣ12Ｖ，最高开路电压12.2Ｖ，额定输出电流12Ａ，过流动作值18Ａ，最大短路电流55ｍＡ。④输入信号１２路开关量信号，１路频率量信号；输出信号４路常开节点输出，节点容量为２２０Ｖ／３Ａ。⑤含泄漏通信的机型。发射频率48.942ＭＨｚ；接收频率34.950ＭＨｚ；调制方式为调频制；工作方式为异频单工；发射载波功率为１６０～３２０ｍＷ；发射载频误差≤１±５０×１０－６；发射调制灵敏度为５～１５ｍＡ；接收单工可用灵敏度为≤０.５μＶ；接收音频输出功率为３５０ｍＷ；接收寄生响应抗扰≥６０ｄＢ；接收互调抗扰性≥５０ｄＢ。⑥表达方式为故障语音报警，声响度≥８５ｄＢ（Ａ）；汉字显示绞车运行状态。主要包含了（１）监控画面。（２）参数设定画面。（３）岔道语音报警功能。在岔道口、变坡点、弯道处等特殊位置，安装有灯箱式语音灯光报警器，当牵引车经过这些位置时，报警器会发出“正在行车，不准行人”（或其他语音），同时红色ＬＥＤ组成的文字点亮，提醒过往行人注意牵引车即将经过，注意避让。
        1.3安装
        增压制动器与原有结构的安装工艺大致相同，通过连轴器与轴承对旋转部件进行连接，采用斜楔块实现导向功能，这样的设计会使得整体结构的对称性较好并且振动幅度较小。增压制动器将卷筒安装在两侧，并在左侧使得制动盘与挡绳板结合成一体，制动鼓在旋转过程中的每处角速度都相同，使制动盘的制动效应均匀分布，从而避免由于每处制动阻力不同而造成的闸瓦的磨损加大。

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        2有限元仿真模型建立及参数设定
        2.1理想状态假设
        为了提高数值模拟分析的效率和精确性对增压制动装置的有限元模型提出以下假设：忽略制动过程中的噪声干扰，考虑将运行机械的动能全部转化为热能，以极限状态考虑摩擦副的工作性能；将提升过程全程考虑为均匀减速运动，减速度值不变；对制动鼓和闸瓦的材料进行假设，忽略其中材料杂质，将闸瓦和制动鼓的材料假设为各项同性材料；制动鼓所输出的制动率考虑为恒定值，不发生制动力数值波动变化并且与闸瓦属于全面积接触。
        2.2材料参数
        制动鼓和闸瓦的弹性模量分别为2.12×1011N•m-2和1.3×109N•m-2；泊松比分别为0.25和0.35；热膨胀系数分别为1.28×10-5K-1和3×10-5K-1，密度大小与实际情况相符，同时根据现场闸瓦衬板的材料进行参数设置。由于进行温度场分析对于导热系数的数值敏感性较强，对制动鼓、闸瓦、闸瓦衬板的导热系数分别设置为53.2W/（m•K）、1.76W/（m•K）、16.3W/（m•K）。闸瓦材料应稳定可靠，具有摩擦系数不变的特性，在受到外界载荷作用力和温度变化的情况下，摩擦系数也能保持与最初状态一致，确保制动性能[2]。此外，闸瓦应选用常规材料种类要求成本较低和加工工艺简单，降低人工更换成本，减小对制动鼓的损伤面积。
        2.3模型建立
        按照实际尺寸1：1比例的模型大小建立起闸瓦、制动鼓等部件的有限元仿真模型，采用50mm×50mm的网格大小进行网格细致划分，每个单元体采用SOLID45网格单元类型，具有六面体4节点的网格形式，对两者之间接触产生的温度场和应力场进行分析计算。由于主要计算的是增压制动装置的局部结构，为提升仿真计算的效率，去除零碎部件，提高整体仿真计算结果的精确性。
        2.4载荷参数设置
        在闸瓦与制动骨接触位置施加正压力大小为18MPa的应力值，并且设置在0.002s时间内达到最大值，与实际制动过程时间相符[3]。设置环境温度为25℃，对闸瓦与制动鼓约束x轴与y轴的自由度，并对相关不受力部件设置为刚体材料。
        3仿真结果分析
        当制动器在工作以后制动鼓的表面上的温度分布并不均匀，而且当制动器在工作的过程中，闸瓦和制动鼓接触区域的部分附近的温度是最高的，并且温度达到71℃左右。而在其他的时候高温区域主要出现在制动鼓离开闸瓦接触面的位置上。温度在刚开始的时候变化较快，而在后来其温度上升的幅度开始减小。这主要是因为在刚开始的时候制动鼓的外表面温度较低，并且只有当制动鼓的温度高于周围环境的温度时，制动鼓的温度才能在其表面进行对流散热[4]。并且热量的传递在制动鼓中的传播是需要一定的时间的。从整个过程分析可以得出增加制动器，在制动过程中产生的温度符合实际工作安全方面的规定，相比于原始结构在温度数值下降为23.1%，有效地提高了闸瓦材料的使用寿命。最大应力出现在的原因是其运动的过程主要靠位移的变化来实现的。虽然在连接处会最大值的应力数值。但是最大应力值为704MPa，远小于材料的安全最大应力数值质，并不影响整个制动鼓的应力情况。
        4结束语：
        增压制动装置可以提高制动装置的工作力矩并通过增设增压油缸的方式避免当闸瓦失效后的安全问题，提高了提升绞车的安全可靠性。增压制动装置通过高压油缸和闸瓦联合对制动盘进行制动动作，减轻了闸瓦的工作强度，提高了闸瓦的工作寿命，避免了频繁更换闸瓦的情况出现，减小了使用成本并节约了人力、材料和机具使用的费用。
        参考文献：
        [1]张振飞.矿井绞车电动机和减速器连接方式优化研究[J].能源与节能，2019（09）：132-133.
        [2]王金广，朱亚峰，赵宇，刘文革.绞车制动系统动态培训模型运维模式探讨[J].中国设备工程，2019（17）：28-29.
        [3]张鹏，柏哲，郭华.矿井提升机“手动二级制动装置”的研究及应用[J].山东煤炭科技，2019（04）：103-105.
        [4]冯超群，许巍，张青峰，丁海波，郑露.60kN电动船用绞车制动系统故障分析与处理[J].石油和化工设备，2019，22（03）：75-77+74.