礦用提升機(jī)制動裝置設(shè)計(jì)計(jì)算分析

【摘要】制動在礦用提升機(jī)中有著不可或缺地位，只要機(jī)體一移動，后續(xù)的減速、停止都跟制動脫不了關(guān)系。制動系統(tǒng)的效率和牽引必須密切配合才能迅速安全地將提升機(jī)啟動或停止。在這種背景下，本文首先探討了礦用提升機(jī)制動裝置的研究現(xiàn)狀與應(yīng)用困境，進(jìn)而以盤式制動器為例，分析了礦用提升機(jī)制動裝置的設(shè)計(jì)與計(jì)算，最后分析了礦用提升機(jī)制動裝置設(shè)計(jì)的未來發(fā)展。

【關(guān)鍵詞】礦用提升機(jī)；制動裝置；設(shè)計(jì)計(jì)算；輕量化

一、礦用提升機(jī)制動裝置的研究現(xiàn)狀與應(yīng)用困境

（一）研究現(xiàn)狀

在過去幾十年來，有關(guān)制動系統(tǒng)的研究始終受到廣泛的討論，其研究標(biāo)的包含了對整個(gè)制動系統(tǒng)的統(tǒng)整研究、次系統(tǒng)與零組件的研究。以下將針對制動裝置的研究情形進(jìn)行簡單回顧：國外學(xué)者Limpert提出了安全制動系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，其中介紹了與盤式制動有關(guān)的所有基礎(chǔ)力學(xué)和熱傳分析，內(nèi)容包括一次制動、重復(fù)制動與持續(xù)制動操作過程中，利用能量傳遞方式估算制動溫度的關(guān)系式，并根據(jù)實(shí)際測試結(jié)果整理出估算鼓式及盤式制動熱傳系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)公式，此外還推導(dǎo)了實(shí)心制動盤的表面熱應(yīng)力關(guān)系式、討論了通風(fēng)型制動盤的概略計(jì)算方法，最后還簡要敘述制動盤失效的熱傳基礎(chǔ)，并提出有助于決定制動尺寸的熱傳學(xué)設(shè)計(jì)方法。國內(nèi)一些學(xué)者根據(jù)熱擴(kuò)散方程式、能量守恒理論搭配有限元素分析軟件來分析不同制動條件下，制動裝置的溫度與熱應(yīng)力的分布情形。有學(xué)者提出有限單元模式來計(jì)算、分析接觸面間的壓力與溫度分布，并依此接觸分析的理論基礎(chǔ)搭配有限單元套裝軟件MARC，針對單一制動與重復(fù)制動兩種狀況作討論，由其結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，摩擦片的壓縮模數(shù)與其磨耗與否的狀況，對于溫度、壓力變化與接觸比例均有明顯的影響。

（二）應(yīng)用困境

礦用提升機(jī)制動裝置會制動打滑和失效。提升機(jī)制動摩擦片過熱時(shí)，會損失相當(dāng)程度的制動能力，即使施以強(qiáng)大制動力量也無法產(chǎn)生迅速而均勻的制動作用。過熱也會導(dǎo)致摩擦片光滑而大幅度降低制動效率。以往的摩擦片是由耐高溫的石棉制成，但由于石棉的材質(zhì)會對人體產(chǎn)生致癌性，所以現(xiàn)在的摩擦片已采用金屬成分或是多種纖維混合金屬制成。若摩擦片含的金屬成分過高或材料混合不均勻，制動時(shí)也會產(chǎn)生尖銳的吱吱聲。所以當(dāng)摩擦片使用很久后，在摩擦片的底部設(shè)有金屬蹄片，在即將磨耗殆盡時(shí)，金屬蹄片便會磨到砂車鼓，產(chǎn)生吱吱聲。若不更換，沒多久尖銳的聲音變化低沉難聽的嘎磨聲，這就是摩擦片已經(jīng)完全磨盡，摩擦片的金屬底座直接磨損制動鼓的聲音。

二、礦用提升機(jī)制動裝置的設(shè)計(jì)

（一）盤式制動的設(shè)計(jì)

本文重點(diǎn)以盤式制動裝置為例，分析礦用提升機(jī)制動裝置的設(shè)計(jì)。礦用提升機(jī)制動裝置中，用的最多的是盤式制動裝置。盤式制動是在提升機(jī)上安裝堅(jiān)固的圓形鐵板或圓盤，并在前叉或擺動臂上的卡鉗牢固地安裝一對制動塊。制動作用時(shí)，制動快即被相對迫出而壓緊圓盤兩側(cè)，產(chǎn)生停車所需的摩擦力。盤式制動比鼓式制動優(yōu)異之處在于它不易因長時(shí)間制動而失效，且作用平順并自行清除蹄片碎片，維護(hù)也容易。盤式制動大多使用“浮動卡鉗”，卡鉗可在其承座滑動。這種構(gòu)造即使只有一個(gè)制動塊能正常作用也可由于卡鉗的側(cè)向滑動而將兩個(gè)制動塊確實(shí)抵緊制動圓盤。盤式制動器的工作可靠性是固有可靠性和使用可靠性的綜合反映。固有可靠性是有制動器設(shè)計(jì)制造及材料等因素所決定的，在制動器產(chǎn)品出廠時(shí)便已明確；使用可靠性則是安裝、維護(hù)及操作等因素決定的，它反映了制動器固有可靠性在實(shí)際運(yùn)行中的發(fā)揮程度；因此，固有可靠性的體現(xiàn)，受使用可靠性的限制；固有可靠性再高，使用可靠性卻較低，制動器的實(shí)際可靠性依然不會高。制動器的固有可靠性和使用可靠性的串聯(lián)乘積，體現(xiàn)了制動器的工作可靠性，即：RW=RIRA。其中，RW—制動器的工作可靠性；RI—制動器的固有可靠性；RA—制動器的使用可靠性。

（二）設(shè)計(jì)優(yōu)化計(jì)算

方案優(yōu)化在盤式制動器開發(fā)中所處的位置及進(jìn)行方案優(yōu)化的主要流程，優(yōu)化計(jì)算平臺可采用浙江大學(xué)機(jī)械設(shè)計(jì)研究所開發(fā)的廣義優(yōu)化系統(tǒng)平臺，采用改進(jìn)的差分進(jìn)化（differential evolution，DE）算法進(jìn)行優(yōu)化。DE算法是一種類似于遺傳算法的進(jìn)化算法，但它不需要對變量進(jìn)行二進(jìn)制編碼，只有交叉和遺傳算子，沒有變異算子，具有算法簡單、收斂性好和全局搜索能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。DE算法的基本過程如下：一是初始種群，種群規(guī)模N，最優(yōu)個(gè)體記為B；二是種群進(jìn)化，對每個(gè)個(gè)體Xi，計(jì)算它們之間的差異量，根據(jù)交叉率CR決定進(jìn)行交叉或遺傳，并進(jìn)行種群更新；三是收斂條件，經(jīng)過N次進(jìn)化后結(jié)束，取最優(yōu)個(gè)體B為最優(yōu)方案。

三、礦用提升機(jī)制動裝置設(shè)計(jì)的未來發(fā)展

輕量化、環(huán)保回收與節(jié)約能源是現(xiàn)今礦用提升機(jī)產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢，其中輕量化發(fā)展可大致區(qū)分為兩大方向，分別為基于“改善能源利用效率”與“提升性能及安全性”的輕量化。在制動系統(tǒng)中，以輕量化材質(zhì)取代傳統(tǒng)鑄鐵的制動裝置可以產(chǎn)生明顯的減重效果，其中又以鋁基金屬復(fù)合材料（Al-MMC，Aluminum Metal Matrix Composite）的應(yīng)用最受矚目，但該材料的熔點(diǎn)較低會導(dǎo)致過熱與軟化問題，而且其摩擦片的配方需重新調(diào)配設(shè)計(jì)，加上Al-MMC的不易加工，且SiC的鑄造分布均勻性不易控制，所以目前僅有相當(dāng)少數(shù)的應(yīng)用例。因此，研究設(shè)計(jì)中應(yīng)當(dāng)注意如下問題：一是明確設(shè)計(jì)目標(biāo)。制動裝置輕量化同時(shí)又能提升制動性能；二是結(jié)構(gòu)、機(jī)構(gòu)與外型設(shè)計(jì)。由于鋁合金的機(jī)械性能與目前制動裝置慣用的鑄鐵有明顯的差異，所以需要針對制動裝置的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度重新評估分析，以確保鋁復(fù)材制動裝置在實(shí)際制動作動過程中不會產(chǎn)生結(jié)構(gòu)上的損壞，而造成安全上的疑慮。三是結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與熱傳性能模擬分析。在新產(chǎn)品的開發(fā)過程中，若無相關(guān)軟硬件的模擬系統(tǒng)協(xié)助，將會導(dǎo)致龐大的成本與時(shí)間支出，所以相關(guān)研究應(yīng)借助數(shù)值模擬方式來驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的鋁復(fù)材制動裝置的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與熱傳性能。四是原型件試制與性能測試。在研究設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)將成本與加工制造可行性一并加以考量，反復(fù)分析重新調(diào)整設(shè)計(jì)后方?jīng)Q定最后設(shè)計(jì)版本，再進(jìn)行原型件試制，并將原型件送至專業(yè)測試機(jī)構(gòu)進(jìn)行性能測試以驗(yàn)證設(shè)計(jì)的可行性與可靠度。