礦用帶式輸送機(jī)盤(pán)式制動(dòng)器振動(dòng)過(guò)程分析及優(yōu)化研究

張 華

（霍州煤電集團(tuán)辛置煤礦， 山西 霍州 031412）

引言

帶式輸送機(jī)對(duì)煤礦開(kāi)采工況的多樣性適應(yīng)性較強(qiáng)，具有過(guò)載保護(hù)、連續(xù)運(yùn)輸?shù)确矫娴奶攸c(diǎn)，成為了煤礦開(kāi)采環(huán)節(jié)中極為重要的設(shè)備，而其中盤(pán)式制動(dòng)器關(guān)系到帶式輸送機(jī)安全作業(yè)的可靠性[1]。盤(pán)式制動(dòng)器在制動(dòng)過(guò)程中會(huì)受到帶式輸送機(jī)傳來(lái)的各類載荷并形成振動(dòng)效應(yīng)，如果制動(dòng)盤(pán)和安裝機(jī)架的固有頻率重疊，就極易形成共振，對(duì)盤(pán)式制動(dòng)器的制動(dòng)性能產(chǎn)生不利的影響。因此有必要優(yōu)化安裝機(jī)架結(jié)構(gòu)并進(jìn)行有限元仿真分析，避免其固有頻率與制動(dòng)盤(pán)的固有頻率重疊，減小工作載荷對(duì)盤(pán)式制動(dòng)器振動(dòng)效應(yīng)的不利影響，保障帶式輸送機(jī)連續(xù)不斷安全平穩(wěn)運(yùn)輸物料的工作要求[2]。

1 工況分析

1.1 結(jié)構(gòu)概述

盤(pán)式制動(dòng)器主要有安裝機(jī)架、制動(dòng)盤(pán)、閘瓦、底座等主要部件構(gòu)成。制動(dòng)器集成有液壓控制系統(tǒng)，通過(guò)液壓油控制閘瓦運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)機(jī)構(gòu)傳動(dòng)對(duì)制動(dòng)盤(pán)傳遞壓力并形成摩擦力，從何產(chǎn)生制動(dòng)力。盤(pán)式制動(dòng)器的電氣控制系統(tǒng)是由工業(yè)控制機(jī)PLC為核心控制部件，對(duì)作業(yè)指令進(jìn)行采集，并負(fù)責(zé)輸出命令以控制液壓傳動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行液壓動(dòng)作。盤(pán)式制動(dòng)器整體機(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可維修性比較強(qiáng)，適用于煤礦開(kāi)采運(yùn)輸?shù)淖鳂I(yè)環(huán)境。在帶式傳送機(jī)工作的時(shí)候，將運(yùn)輸中所形成的載荷通過(guò)皮帶傳送給盤(pán)式制動(dòng)器，由于礦井處于露天山區(qū)等復(fù)雜環(huán)境，盤(pán)式制動(dòng)器所受到的載荷作用也較為復(fù)雜。本文以西南地區(qū)某礦的盤(pán)式制動(dòng)器開(kāi)展研究，以其實(shí)際工況作為論文的研究模擬工況。該煤礦盤(pán)式制動(dòng)器具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.2 工況數(shù)據(jù)

圖1 盤(pán)式制動(dòng)器結(jié)構(gòu)示意圖

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際作業(yè)情況，以下數(shù)據(jù)作為仿真的模擬數(shù)據(jù)。

帶式運(yùn)輸機(jī)每小時(shí)運(yùn)煤量為3 150 t，傳動(dòng)線速度為4.3 m/s，傳送帶的寬度為1 615 mm、長(zhǎng)度為1 606.8 mm，傳送高度為225.887 m。帶式運(yùn)輸機(jī)的質(zhì)量為3.5 t，具有雙向驅(qū)動(dòng)功能，單機(jī)驅(qū)動(dòng)的功率為1 200 kW。

2 有限元仿真分析

2.1 三維模型的建立

準(zhǔn)確的模態(tài)分析結(jié)果建立在精準(zhǔn)的建立盤(pán)式制動(dòng)器三維模型，所采用的三維建模軟件為Solidworks，該軟件可以與仿真軟件Workbench進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，為提高本次仿真計(jì)算的效率，對(duì)盤(pán)式制動(dòng)器零星部件進(jìn)行簡(jiǎn)化，忽略其表面相關(guān)構(gòu)件，包括倒角、螺栓、金屬套，將所有簡(jiǎn)化后的部件根據(jù)配重要求，對(duì)盤(pán)式制動(dòng)器建模過(guò)程中進(jìn)行合理的配重。如下頁(yè)圖2所示為盤(pán)式制動(dòng)器制動(dòng)盤(pán)三維模型[3]。

2.2 有限元仿真模型的建立

根據(jù)實(shí)際盤(pán)式制動(dòng)器制動(dòng)盤(pán)材料屬性，制動(dòng)盤(pán)具體參數(shù)如下[4]，彈性模量設(shè)置為225×109Pa，泊松比為0.3，密度為7 600 kg/m3，熱導(dǎo)率為46.68 W/（m·K），比熱容為482 J（/kg·K），熱膨脹系數(shù)為1.0。

圖2 盤(pán)式制動(dòng)器制動(dòng)盤(pán)建模

對(duì)于盤(pán)式制動(dòng)器的制動(dòng)盤(pán)和安裝機(jī)架分別建立有限元仿真模型，互不進(jìn)行干擾，均同時(shí)設(shè)置為同向同性材料[5]。在模態(tài)分析中不受到外界溫度以及時(shí)間因素影響。利用Workbench軟件，對(duì)制動(dòng)盤(pán)以及安裝支架的模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，根據(jù)實(shí)際工況條件定義約束條件并設(shè)立邊界條件，進(jìn)行網(wǎng)格劃分后其單元數(shù)為18 510，節(jié)點(diǎn)數(shù)為39 111。盤(pán)式制動(dòng)器整體的有限元性仿真模型如圖3所示。

圖3 盤(pán)式制動(dòng)器有限元模型

2.3 仿真結(jié)果分析

2.3.1 制動(dòng)盤(pán)的模態(tài)分析

對(duì)盤(pán)式制動(dòng)器制動(dòng)盤(pán)的前8階模態(tài)進(jìn)行分析，其各界頻率和振幅如表1所示。

表1 制動(dòng)盤(pán)前8階頻率和振幅

通過(guò)對(duì)制動(dòng)盤(pán)前8階頻率及整幅的分析，得出各個(gè)模態(tài)整形均呈對(duì)稱分布，制動(dòng)盤(pán)的固有頻率在前三階（86 Hz），中都變化不明顯，第4階和第5階固有頻率數(shù)據(jù)基本一致（117 Hz），最為接近的固有頻率數(shù)值為第6階和第7階（285 Hz），上述三個(gè)頻率范圍是引起制動(dòng)盤(pán)共振產(chǎn)生的主要頻率范圍。結(jié)果分析表明，制動(dòng)盤(pán)的振型是沿結(jié)構(gòu)的Z軸方向進(jìn)行震蕩，位移最大量約為6 mm左右，同時(shí)制動(dòng)盤(pán)在軸向的振動(dòng)會(huì)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的制動(dòng)力距造成不利的影響。

2.3.2 安裝機(jī)架的模態(tài)分析

安裝支架前8階模態(tài)分析數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 安裝支架前8階模態(tài)分析數(shù)據(jù)表

通過(guò)對(duì)安裝機(jī)架前8階模態(tài)振型進(jìn)行分析，其模態(tài)頻率主要分布在44 Hz至330 Hz之間，相對(duì)制動(dòng)盤(pán)來(lái)說(shuō)，頻率分布較為均勻，沒(méi)有發(fā)生頻率集中于某個(gè)階段的現(xiàn)象。

由于安裝機(jī)架是安裝于底座之上，相對(duì)比較穩(wěn)固，在第1階、第3階、第5階的頻率下，安裝機(jī)架頂部防護(hù)罩的振動(dòng)最顯著，變形形式為在X、Y、Z三個(gè)方向均會(huì)發(fā)生振動(dòng)。在第1階、第2階的頻率下，振動(dòng)主要表現(xiàn)在兩側(cè)的機(jī)架上，其形式為Z向振動(dòng)，第6階、第7階、第8階的頻率作用下，振動(dòng)發(fā)生在油缸上，表現(xiàn)形式也為Z向運(yùn)動(dòng)。

2.3.3 制動(dòng)盤(pán)和機(jī)架個(gè)階頻率對(duì)比分析

由圖4所示可知，制動(dòng)盤(pán)與安裝機(jī)架的前8階固有頻率在100 Hz和280 Hz左右，制動(dòng)盤(pán)與機(jī)架的固有頻率發(fā)生重疊，并且出現(xiàn)在低階數(shù)和高階數(shù)中，容易產(chǎn)生共振現(xiàn)象，對(duì)整體制盤(pán)式制動(dòng)器的制動(dòng)性能不利，因此需對(duì)盤(pán)式制動(dòng)器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。

圖4 制動(dòng)盤(pán)與機(jī)架固有頻率對(duì)比示意圖

3 結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析

3.1 構(gòu)件選擇

盤(pán)式制動(dòng)器組成構(gòu)件種類繁多，需選出一種對(duì)整體結(jié)構(gòu)優(yōu)化起關(guān)鍵作用的構(gòu)件[6]，通過(guò)對(duì)各階模態(tài)振型進(jìn)行分析可知制動(dòng)器油缸部位與其安裝在上部的閘瓦之間存在一定的位移，因此需要對(duì)安裝機(jī)架的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，避免油缸發(fā)生較大振動(dòng)，保障制動(dòng)性能達(dá)標(biāo)，故以安裝機(jī)架為研究對(duì)象開(kāi)展結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析。

3.2 優(yōu)化方案

針對(duì)安裝機(jī)架優(yōu)化思路如下：

1）減少油缸數(shù)量，增大與閘瓦接觸面積，保證制動(dòng)力矩達(dá)標(biāo)；

2）去除頂層保護(hù)罩，消除保護(hù)罩所引起的閘瓦振動(dòng)；

3）安裝機(jī)架兩側(cè)結(jié)構(gòu)構(gòu)件的尺寸增大。

依據(jù)優(yōu)化前仿真模型設(shè)置參數(shù)、定義邊界條件，重新建立新型結(jié)構(gòu)的仿真模型，如圖5所示。

圖5 優(yōu)化后的機(jī)架有限元模型

3.3 優(yōu)化結(jié)果分析

優(yōu)化后安裝機(jī)架結(jié)構(gòu)前8階模態(tài)分析數(shù)據(jù)如表3所示。

優(yōu)化后的安裝支架結(jié)構(gòu)在前4階振型發(fā)生時(shí)主要體現(xiàn)在兩側(cè)的支架上，其運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)形式為X、Z向的運(yùn)動(dòng)，其余各階振型主要發(fā)生在油缸上，其表現(xiàn)形式為Z向的振動(dòng)。

依據(jù)表3數(shù)據(jù)，將安裝優(yōu)化后的固有頻率數(shù)據(jù)與制動(dòng)盤(pán)的固有頻率數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析。如圖5所示。

如圖6所示，優(yōu)化后的安裝機(jī)架結(jié)構(gòu)與制動(dòng)盤(pán)的前8階固有頻率已經(jīng)發(fā)生了變化，制動(dòng)盤(pán)與機(jī)架的固有頻率發(fā)生重疊范圍由優(yōu)化前的100 Hz和280 Hz分別降至80 Hz和130 Hz，在5階以上沒(méi)有重疊現(xiàn)象，對(duì)于控制整個(gè)盤(pán)式制動(dòng)器的共振有著明顯的作用，有效降低了制動(dòng)盤(pán)與安裝機(jī)架發(fā)生共振的可能性，保障了盤(pán)式制動(dòng)器的制動(dòng)性能，滿足工作要求。

表3 優(yōu)化后安裝支架結(jié)構(gòu)前8階模態(tài)分析數(shù)據(jù)表

圖6 優(yōu)化后制動(dòng)盤(pán)與機(jī)架固有頻率對(duì)比

4 結(jié)語(yǔ)

1）優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)有效避免了盤(pán)式制動(dòng)器制動(dòng)盤(pán)和安裝機(jī)架同時(shí)發(fā)生共振現(xiàn)象，保障了帶式運(yùn)輸機(jī)在連續(xù)工作中的穩(wěn)定性。

2）為研究盤(pán)式制動(dòng)器結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了依據(jù)，并為現(xiàn)場(chǎng)解決盤(pán)式制動(dòng)器振動(dòng)問(wèn)題提供了思路。