郭小燕

(山西機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山西 長(zhǎng)治 046000)

0 引 言

雖然目前新能源技術(shù)在不斷發(fā)展，但是我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展對(duì)于煤炭資源的依賴(lài)性卻未發(fā)生實(shí)質(zhì)性變化。在煤炭物料的開(kāi)采過(guò)程中，安全生產(chǎn)始終排至首位，是保障煤炭可持續(xù)高效開(kāi)采的關(guān)鍵。面對(duì)煤礦開(kāi)采過(guò)程中眾多的機(jī)械設(shè)備，如何保障機(jī)械零部件的安全性能，值得深入研究。其中礦井提升設(shè)備所包含的機(jī)械裝置較多，主要有提升機(jī)、天輪、井架、井桶等[1]。提升機(jī)是承擔(dān)礦井生產(chǎn)過(guò)程中的物料運(yùn)送和人員運(yùn)輸?shù)裙ぷ?。提升機(jī)在運(yùn)行時(shí)所承載的載荷力較大，如果提升系統(tǒng)出現(xiàn)了故障，將對(duì)一線作業(yè)人員的生命安全造成嚴(yán)重的威脅。然而盤(pán)式制動(dòng)器在提升機(jī)運(yùn)行時(shí)對(duì)其整體安全性具有較大的影響，控制著提升機(jī)整體的運(yùn)行狀態(tài)，確保提升機(jī)正常的工位位置。因此，對(duì)提升機(jī)盤(pán)式制動(dòng)器結(jié)構(gòu)的優(yōu)化研究具有重要的工程意義。通過(guò)盤(pán)式制動(dòng)器的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，提升盤(pán)式制動(dòng)器的正壓力載荷和有效的制動(dòng)時(shí)間，綜合全面的提高整體制動(dòng)器的制動(dòng)性能[2]。以無(wú)軸式盤(pán)式制動(dòng)器為研究對(duì)象，采用有限元仿真技術(shù)模擬制動(dòng)器在實(shí)際工作中所受到的載荷，對(duì)現(xiàn)有盤(pán)式制動(dòng)器的結(jié)構(gòu)力學(xué)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)短板角度入手，設(shè)置制動(dòng)正壓力和有效制動(dòng)時(shí)間為優(yōu)化參數(shù)，使得優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)能夠在兩個(gè)數(shù)據(jù)方面有所提升，有效的實(shí)施結(jié)構(gòu)優(yōu)化的技術(shù)手段，為提升機(jī)結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究提供了方向。

1 無(wú)軸式盤(pán)式制動(dòng)器結(jié)構(gòu)特性

盤(pán)式制動(dòng)器在煤礦開(kāi)采過(guò)程中的應(yīng)用歷史久遠(yuǎn)。該制動(dòng)器的性能相比于其他結(jié)構(gòu)制動(dòng)器更加的優(yōu)越，并且更能適應(yīng)礦井惡劣的工作環(huán)境，具有較長(zhǎng)的使用壽命。提升機(jī)盤(pán)式制動(dòng)器主要分為后置式盤(pán)式制動(dòng)器和無(wú)軸式盤(pán)式制動(dòng)器，其中后者由于結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)單和更加輕量化，被廣泛的使用于礦井中。

無(wú)軸式盤(pán)式制動(dòng)器通過(guò)閘瓦產(chǎn)生正壓力，對(duì)制動(dòng)盤(pán)產(chǎn)生作用力矩，實(shí)現(xiàn)將機(jī)械裝置產(chǎn)生制動(dòng)作用的目的[3]。無(wú)軸式盤(pán)式制動(dòng)器主要通過(guò)液壓作用的方式，產(chǎn)生正向的載荷作用，在安裝時(shí)根據(jù)中軸線對(duì)稱(chēng)位置，呈成對(duì)使用。為了防止制動(dòng)器的主軸在力矩作用下發(fā)生彎曲，去掉軸承結(jié)構(gòu)，形成無(wú)軸式盤(pán)式制動(dòng)器。無(wú)軸式盤(pán)式制動(dòng)器的結(jié)構(gòu)示意圖，如圖1所示。

圖1 提升機(jī)無(wú)軸式盤(pán)式制動(dòng)器結(jié)構(gòu)示意圖

由圖1可知，無(wú)軸式盤(pán)式制動(dòng)器相比于后置式盤(pán)式制動(dòng)器在結(jié)構(gòu)方面更加的精簡(jiǎn)。尤其是油缸與活塞之間的裝配縫隙問(wèn)題得到了有效的解決，極大的減小了卡缸的風(fēng)險(xiǎn)提高[4]。同時(shí)，在無(wú)軸式盤(pán)式制動(dòng)器的密封工藝方面，減小了密封圈的使用，主要是通過(guò)油箱蓋進(jìn)行匹配，利用結(jié)構(gòu)的自身零部件完成定位。液壓油在整個(gè)制動(dòng)器內(nèi)的壓力較小，從而減少了制動(dòng)器的反應(yīng)時(shí)間和提升了靈敏性。

2 盤(pán)式制動(dòng)器制動(dòng)器的失效機(jī)理分析

通常盤(pán)式制動(dòng)器出現(xiàn)失效現(xiàn)象是由于材料、結(jié)構(gòu)、裝配等方面的設(shè)計(jì)達(dá)不到工作要求[5]。主要的失效形式為閘瓦失效、制動(dòng)力不達(dá)標(biāo)或者制動(dòng)力矩大于標(biāo)準(zhǔn)數(shù)值。根據(jù)實(shí)際工程數(shù)據(jù)分析可知，盤(pán)式制動(dòng)器出現(xiàn)制動(dòng)失效主要是由于制動(dòng)力矩不足[6]。根據(jù)不軸式盤(pán)式制動(dòng)器的工作特性，應(yīng)提高制動(dòng)正壓力和有效接觸作用時(shí)間，可解決制動(dòng)力不足的問(wèn)題。盤(pán)式制動(dòng)器失效原因分析示意圖，如圖2所示。

圖2 盤(pán)式制動(dòng)器的失效因素分析示意圖

3 無(wú)軸式盤(pán)式制動(dòng)器仿真計(jì)算

為了精確的實(shí)現(xiàn)無(wú)軸式盤(pán)式制動(dòng)器的仿真計(jì)算，將制動(dòng)器的模型設(shè)置為剛?cè)狁詈系牧W(xué)模型。為了對(duì)礦井惡劣的工作環(huán)境進(jìn)行模擬，應(yīng)對(duì)制動(dòng)器在工作過(guò)程中的振動(dòng)進(jìn)行考慮。

優(yōu)先選用ADAMS軟件進(jìn)行剛度耦合力學(xué)計(jì)算，將SolidWorks三維模型導(dǎo)入至ADAMS軟件進(jìn)行仿真環(huán)境的參數(shù)設(shè)置，提高對(duì)真實(shí)生產(chǎn)場(chǎng)景的模擬。設(shè)置參數(shù)為：材料設(shè)置為鑄鐵、網(wǎng)格單元為四面體結(jié)構(gòu)、網(wǎng)格尺寸為2 mm。利用Adams ViewFlex模塊，對(duì)接觸參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，其中剛度大小為3.5E+8 N/mm、阻尼系數(shù)為28、靜摩擦系數(shù)為0.4，動(dòng)摩擦系數(shù)為0.35、摩擦平移速度為1 000 mm/s。

無(wú)軸式盤(pán)式制動(dòng)器的剛?cè)狁詈夏Ｐ蜑橹苿?dòng)器和外部主軸系統(tǒng)組成，并對(duì)邊界條件進(jìn)行約束，實(shí)現(xiàn)角速度的驅(qū)動(dòng)。整體模型如圖3所示。

圖3 無(wú)軸式盤(pán)式制動(dòng)器剛?cè)狁詈夏Ｐ褪疽鈭D

通過(guò)ADAMS軟件提取計(jì)算后數(shù)據(jù)，得到制動(dòng)正壓力和制動(dòng)有效時(shí)間的曲線圖。將制動(dòng)壓力設(shè)置為7 MPa時(shí)，產(chǎn)生的制動(dòng)正壓力曲線如圖4所示，制動(dòng)持續(xù)時(shí)間為1.62 s。

圖4 制動(dòng)正壓力和持續(xù)時(shí)間曲線示意圖

4 結(jié)構(gòu)優(yōu)化和仿真結(jié)果對(duì)比

根據(jù)無(wú)軸式盤(pán)式制動(dòng)器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，將閘瓦的長(zhǎng)、寬及制動(dòng)盤(pán)的直徑作為優(yōu)化參數(shù)。通過(guò)對(duì)上述零部件結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)提升有效的制動(dòng)時(shí)間。采用ADAMS軟件Task Plan模塊對(duì)零部件的參數(shù)實(shí)行閉環(huán)的目標(biāo)管理，優(yōu)化流程圖如圖5所示。

圖5 無(wú)軸式盤(pán)式制動(dòng)器結(jié)構(gòu)優(yōu)化的閉環(huán)流程

通過(guò)Task Plan模塊將正壓力和這段時(shí)間的約束條件，排除不符合條件的參數(shù)樣本。將閘瓦長(zhǎng)度由0.27 m變化為0.258 9 m，閘瓦寬度由0.23 m變化為0.245 6 m，制動(dòng)盤(pán)外徑為1.65 m變化為1.687 6 m。

閘瓦長(zhǎng)、寬及制動(dòng)盤(pán)外徑的數(shù)值優(yōu)化變化將有效的提高制動(dòng)正壓力和持續(xù)時(shí)間。優(yōu)化后的無(wú)軸式盤(pán)式制動(dòng)器正壓力數(shù)值曲線圖，如圖6所示。

將圖5和圖6結(jié)合對(duì)比可知，優(yōu)化前無(wú)軸式盤(pán)式制動(dòng)器的平均制動(dòng)正壓力為34 693 N，優(yōu)化后的平均制動(dòng)正壓力為 36 299 N，平均制動(dòng)正壓力增加1 606 N；制動(dòng)器的有效制動(dòng)時(shí)間為 1.45 s，優(yōu)化效果明顯；而優(yōu)化后有效制動(dòng)時(shí)間增加至1.543 3 s，增大了 0.093 3 s，在允許范圍內(nèi)。因此，通過(guò)對(duì)無(wú)軸式制動(dòng)器的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了平均制動(dòng)增壓力和有效制動(dòng)時(shí)間數(shù)據(jù)的同步增長(zhǎng)，提高了盤(pán)式制動(dòng)器在提升機(jī)作用過(guò)程中的安全性。

5 結(jié) 語(yǔ)

結(jié)合目前礦井提升機(jī)盤(pán)式制動(dòng)器在制動(dòng)性能方面還有待提高的現(xiàn)狀，對(duì)無(wú)軸式盤(pán)式制動(dòng)器的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究。通過(guò) ADAMS 對(duì)無(wú)軸式盤(pán)式制動(dòng)器在緊急制動(dòng)工況中進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真，建立了盤(pán)式制動(dòng)器整體的剛?cè)狁詈夏Ｐ?，通過(guò)控制變量法研究制動(dòng)壓力、制動(dòng)初速度和摩擦系數(shù)等參數(shù)分析對(duì)制動(dòng)性能的影響，選用關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)為設(shè)計(jì)變量，以平均制動(dòng)正壓力為優(yōu)化目標(biāo)，有效制動(dòng)時(shí)間為約束條件。結(jié)果表明：優(yōu)化后的無(wú)軸式盤(pán)式制動(dòng)器在平均制動(dòng)正壓力和有效制動(dòng)時(shí)間方面均有增大，滿足結(jié)構(gòu)優(yōu)化要求，通過(guò)仿真驗(yàn)證了優(yōu)化方案的準(zhǔn)確性。