基于AMESim的礦井提升機液壓制動系統(tǒng)優(yōu)化與仿真分析

羅宏博，張建銳，胡天林，周 游

1隴東學院機械工程學院 甘肅慶陽 745000

2卡特彼勒技術研發(fā) (中國) 有限公司青島分公司 山東青島 266061

煤炭工業(yè)在我國國民經(jīng)濟發(fā)展中占有舉足輕重的地位，其安全、高效生產(chǎn)是優(yōu)化我國能源供應結構和電力市場資源配置，促進我國經(jīng)濟戰(zhàn)略目標實現(xiàn)的重要保證。作為煤礦生產(chǎn)流程中關鍵設備的礦井提升機，擔負著礦場人員和物料的升降，井上井下聯(lián)系，礦車調度，井下綜采設備的安裝、拆卸、搬遷，以及各種生產(chǎn)物資輔助運輸?shù)热蝿?，它的安全、穩(wěn)定運行是整個煤礦安全生產(chǎn)的保證[1]。礦井提升機制動性能的優(yōu)劣是影響生產(chǎn)企業(yè)事故率和經(jīng)濟效益的主要因素，因此，提升機制動過程的平穩(wěn)性與可靠性成為了廣大提升設備研究人員的研究重點[2]。

據(jù)不完全統(tǒng)計，在礦井提升機以往出現(xiàn)的故障中，60% 以上都是由于制動系統(tǒng)故障造成的[3]。為保證提升設備能夠安全、可靠、穩(wěn)定地運行，除了在實際生產(chǎn)過程中加強對運行狀態(tài)參數(shù)的監(jiān)控之外，最重要的是在制動系統(tǒng)設備安裝前，在深入研究礦井提升機制動系統(tǒng)工作原理的基礎上，對影響制動性能的重要參數(shù)進行評估，基于制動系統(tǒng)的理論數(shù)學模型，借助于成熟仿真軟件完成多工況運行仿真分析，為礦井提升機制動系統(tǒng)安全、可靠、穩(wěn)定運行提供優(yōu)化方案與依據(jù)[4]?，F(xiàn)代計算機技術的發(fā)展、高效可靠的液壓系統(tǒng)仿真軟件的進步，為煤礦生產(chǎn)設備動態(tài)特性仿真分析及試驗研究提供了可靠的軟件支撐，通過仿真計算可提前預知回路設計的科學性、合理性及系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性和可靠性，便于在設備運行安裝前對方案進行優(yōu)化和完善，避免事故發(fā)生。

1 恒力矩制動系統(tǒng)原理

1.1 應用現(xiàn)狀

礦井提升機的制動系統(tǒng)主要分為兩類，即恒力矩制動和恒減速制動。目前，我國礦井提升機大多采用恒力矩制動系統(tǒng)，但對纏繞式提升機而言，由于鋼絲繩自重較大，在井口或井底速度較大，導致速度減幅較大，對提升機沖擊較大，同時還存在殘壓過高、響應時間長、液壓膠管震蕩、制動載荷不平衡等缺點。本研究通過添加液壓元件對恒力矩制動系統(tǒng)進行優(yōu)化改造，在實現(xiàn)恒力矩制動的基礎上，避免負載對提升機制動效果的影響[5]。

礦井提升機制動系統(tǒng)是機電液一體化的綜合，工作原理如圖 1 所示，主要由液壓工作站、控制裝置和盤式制動器等組成。

圖1 液壓制動系統(tǒng)的工作原理Fig.1 Working principle of hydraulic braking system

1.2 優(yōu)化方案

根據(jù)安全生產(chǎn)的要求，結合井下作業(yè)的實際情況，在不改變恒力矩系統(tǒng)原有功能的基礎上，對制動系統(tǒng)優(yōu)化升級，主要分為以下幾個方面：

(1) 增加專門的蓄能裝置，確保系統(tǒng)制動過程中油壓的穩(wěn)定；

(2) 制動系統(tǒng)配備 2 個動力回路，一回路工作，一回路備用，保證提升系統(tǒng)作業(yè)的穩(wěn)定性和可靠性；

(3) 穩(wěn)壓溢流裝置選用電液比例溢流閥，通過多級過濾增加提升設備抗污能力和系統(tǒng)動態(tài)性能；

(4) 整個系統(tǒng)壓力和信號的檢測與控制實現(xiàn)閉環(huán)控制，確保系統(tǒng)具備獨立的故障診斷監(jiān)測功能[5]。

1.3 數(shù)學模型

盤式制動器的理論模型可以簡化成帶有復位彈簧的液壓缸模型[6-8]，其組成如圖 2 所示，制動器主要參數(shù)如表 1 所列。

圖2 盤式制動器的受力分析Fig.2 Force analysis of disc brake

表1 盤式制動器的主要參數(shù)Tab.1 Main parameters of disc brake

礦井提升機停車，盤式制動器處于全制動狀態(tài)，制動液壓缸油液泄壓，通過回油管路流回油箱，壓力為 0。此時碟簧力等于制動正壓力

式中：F2為碟簧力；N為制動正壓力；k為碟簧剛度；Δ0為碟簧的變形量；n1為單個制動器碟形彈簧片數(shù)量。

礦井提升機工作，盤式制動器處于全開狀態(tài)，制動液壓缸壓力為工作壓力，制動正壓力為 0。此時，活塞推力F1等于碟簧力F2。

全制動狀態(tài)下，閘瓦對制動盤的制動力矩

式中：Rm為制動盤平均摩擦半徑；μ為閘瓦對制動盤的摩擦因數(shù)；n0為制動器數(shù)量。

為保證安全，《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定Mz應該滿足 3 倍靜力矩Mj的要求，即

式中：Fc為最大凈張力差；D為卷筒名義直徑。

根據(jù)式 (3) 和式 (4)，制動器的正應力

在全制動到貼閘的過程中，活塞推力

式中：N′為閘盤對閘瓦的反作用力，全制動到貼閘過程中，N′從最大值N降到 0。

貼閘是盤式制動器將要施加制動正壓力，但未開始的臨界狀態(tài)。貼閘時，活塞推力

盤式制動器制動的貼閘理論油壓

全開閘狀態(tài)時，碟簧力

盤式制動器處于全開閘狀態(tài)，碟簧的變形量

盤式制動器處在全制動狀態(tài)，碟簧的變形量

在實際工作中，盤式制動器存在各種阻力pf，所以實際最大工作油壓

2 液壓制動系統(tǒng)仿真模型

根據(jù)礦井提升機液壓系統(tǒng)的工作原理，該模型主要由液壓工作站、比例溢流閥、電磁控制閥、蓄能器和盤式制動器組成，盤式制動器被簡化成液壓缸、質量塊和碟簧的組合裝置。

2.1 元件模型的建立

(1) 制動器的 AMESim 模型 AMESim 元件庫中沒有現(xiàn)成的制動器模型，使用液壓元件庫和機械庫中相關元件進行搭建，根據(jù)盤式制動器的工作原理及結構搭建的模型如圖 3 所示。

圖3 盤式制動器的仿真模型Fig.3 Simulation model of disc brake

(2) 蓄能器的 AMESim 模型 在 HCD 庫中可以得到蓄能器模型如圖 4 所示。

圖4 蓄能器模型Fig.4 Model of energy accumulator

(3) 二位三通電磁換向閥 根據(jù)回路動作需要，建立了二位三通電磁換向閥模型 (見圖 5)，實現(xiàn)提升機制動器二級調壓動作。

圖5 二位三通電磁換向閥模型Fig.5 Model of two-position 3-way electromagnetic directional valve

2.2 仿真回路的參數(shù)設置和系統(tǒng)模型

按照實際生產(chǎn)過程中的結構及運行工況，根據(jù)理論計算和相關資料數(shù)據(jù)，礦井提升機液壓制動系統(tǒng)主要仿真參數(shù)設置如表 2 所列[9-11]。按照提升機液壓制動系統(tǒng)的工作原理和結構特點，建立了基于AMESim軟件的液壓制動系統(tǒng)仿真計算模型，如圖 6 所示。

圖6 液壓制動系統(tǒng)的仿真模型Fig.6 Simulation model of hydraulic braking system

表2 液壓制動系統(tǒng)仿真參數(shù)Tab.2 Simulation parameters of hydraulic braking system

3 仿真分析

礦井提升機盤式制動器的制動力矩主要是由碟簧的正壓力產(chǎn)生的。當閘瓦開閘時，制動器液壓缸的油液在活塞上產(chǎn)生一定的作用力，使碟簧受壓，作用在制動盤上的制動力矩減小或消除，實現(xiàn)開閘。液壓缸主要通過比例溢流閥來調整和控制主油路工作壓力，從而使盤式制動器液壓缸內部的油壓增大或減小。當閘瓦合閘時，制動液壓缸內壓力為 0，碟形彈簧正壓力最大，從而產(chǎn)生最大的制動力矩，實現(xiàn)制動；隨著液壓缸內壓力逐漸增大，碟簧與液壓缸液壓力的合力減小，制動力矩減小，制動器開閘，制動消除[6]。

3.1 啟動過程仿真分析

盤式制動器在啟動過程中，通過蓄能器、電磁閥、溢流閥等液壓元件控制回路的動作，使制動液壓缸內的壓力根據(jù)比例溢流閥的控制信號按照比例變化。

仿真設置：0～5 s，礦井提升機處于正常停車狀態(tài)，系統(tǒng)壓力 0，盤式制動器合閘；5～10 s，設置比例電磁鐵信號為全壓信號的 50%；10～15 s，設置比例電磁鐵信號為全壓信號的 100%。按上述設置仿真分析制動器液壓缸壓力的變化及穩(wěn)定性，結果分別如圖 7、8 所示。

圖7 制動液壓缸壓力變化曲線Fig.7 Variation curve of pressure of braking cylinder

圖8 制動液壓缸活塞位移變化曲線Fig.8 Variation curve of displacement of piston of braking cylinder

由圖 7、8 可知，在 0～5 s，盤式制動器主油路的壓力為零，在電動機啟動之時，液壓工作站的壓力給系統(tǒng)主壓力產(chǎn)生一定的振動，但振動的幅值很小，時間也很短，不會對系統(tǒng)的穩(wěn)定性產(chǎn)生很大的影響；在 5～ 10 s，比例溢流閥控制信號為全壓信號的 50%，主系統(tǒng)壓力增壓到 3.5 MPa；在 10～15 s，比例溢流閥控制信號變?yōu)槿珘盒盘枺飨到y(tǒng)壓力達到 6.8 MPa。

剛開始，碟簧的正壓力最大，制動器合閘。隨著比例溢流閥進口油壓增大，制動液壓缸內的油液壓力增大，當壓力增大到 2.8 MPa 時，制動液壓缸活塞位移L為 0，此時，制動液壓缸內的油液壓力等于碟簧正壓力，制動器處于合閘與開閘的臨界狀態(tài)；當系統(tǒng)壓力大于2.8 MPa 時，盤式制動器的碟簧被壓縮，盤式制動器開閘，礦井提升機正常開車。

在15～20 s，比例電磁閥斷電，這時制動器 B 液壓缸壓力迅速降為 0，在碟簧正壓力的作用下，制動器合閘，實現(xiàn)制動。盤式制動器 A 由于蓄能器里面儲存了一定的能量，可維持制動液壓缸一個短暫的平衡，在 12 s 時候，制動器 A 液壓缸壓力降為 0。由此可見，制動器 A的合閘滯后于制動器 B。

由圖 7、8 可知，兩盤式制動器液壓缸內的壓力變化曲線和活塞位移變化曲線基本一致，隨時間的同步性較高。由此可知，系統(tǒng)具有很高的穩(wěn)定性和同步性。

3.2 礦井提升機制動器合閘、一級制動、二級制動過程仿真

礦井提升機在井中的位置不同，其需要的安全制動級別不同。罐籠在井口附近，需要進行一級制動；罐籠在井筒中，需要進行二級制動。

仿真設置：0～5 s，礦井提升機處于正常停車狀態(tài)，制動液壓系統(tǒng)壓力 0，盤式制動器合閘；5～10 s，蓄能器儲能和制動液壓缸通入壓力油，盤式制動器制動力矩減小，制動器開閘，礦井提升機正常工作；10～15 s 為二級制動過程，15～20 s 為一級制動過程。按上述設置仿真分析不同工況下活塞壓力變化，結果分別如圖 9、10 所示。

圖9 不同工況下活塞壓力變化曲線Fig.9 Variation curve of pressure of piston in various operation modes

圖10 不同工況下活塞推力變化曲線Fig.10 Variation curve of thrust of piston in various operation modes

如圖 9、10 所示，在 0～5 s，比例溢流閥斷電，盤式制動器液壓缸壓力為 0，碟簧的制動力矩最大，制動器合閘，礦井提升機停車；在 5～10 s，蓄能器充壓和制動液壓缸增壓過程，盤式制動器開閘，礦井提升機正常工作；10～15 s 為二級制動過程。制動過程中，先是比例溢流閥斷電，制動器 B 液壓缸壓力降為 0，實現(xiàn)制動；制動器 A 液壓站進油壓力降為 0，但是蓄能器里儲存了能量，通過溢流閥 11 將其壓力調整為 5.8 MPa。第 16 s 后，A 制動液壓缸壓力降為0，A、B 同時泄壓，實現(xiàn)一級制動過程。

如圖 9、10 所示，當系統(tǒng)壓力為 0 時，制動液壓缸內的活塞推力為 0，壓力變化曲線和活塞推力變化曲線趨勢一致，在制動過程中兩制動器具有較好的同步性，制動液壓缸壓力變化和摩擦力隨時間變化基本一致，能保證一、二級制動的穩(wěn)定性和可靠性。

4 結論

根據(jù)礦井提升機恒力矩制動系統(tǒng)的工作原理和結構特點，按照煤礦安全生產(chǎn)的要求對其改造升級，基于AMESim 軟件平臺搭建了升級后的制動器仿真模型，仿真結果表明：

(1) 改造后的液壓制動回路壓力控制準確，穩(wěn)定性高，響應快，制動回路的沖擊小。

(2) 在原有恒力矩制動系統(tǒng)基礎上提出的改造方案，結構簡單、成本低，對實際生產(chǎn)具有一定的指導意義。