無極繩單軌吊制動系統(tǒng)的設(shè)計與仿真

張嘉銘

（山西新景礦煤業(yè)有限責任公司， 山西 陽泉 045000）

引言

隨著煤炭綜采工作面生產(chǎn)量的不斷增加，對工作面大型設(shè)備、回撤平臺的運輸和安裝效率提出了更高的要求。傳統(tǒng)輔助運輸系統(tǒng)無法滿足高效率、大運量的運輸要求，使其無法與高效綜采掘進系統(tǒng)相匹配。無極繩單軌吊輔助運輸系統(tǒng)可實現(xiàn)對采煤機、掘進機等大型設(shè)備的運輸，從某種程度上提升了運輸效率，從而降低了作業(yè)人員勞動強度，間接提升了煤礦的生產(chǎn)效率[1]。本文以10 t 級別的無極繩單軌吊為例開展系列研究，重點對其制動系統(tǒng)進行設(shè)計，并對其性能進行仿真分析。

1 無極繩單軌吊制動系統(tǒng)的總體設(shè)計

1.1 無極繩單軌吊制動系統(tǒng)總體要求

無極繩單軌吊輔助運輸系統(tǒng)可極大地提升綜采工作面大型設(shè)備的運輸、搬運效率，對提升綜采工作面、掘進工作面的生產(chǎn)效率具有重大意義。為保證無極繩單軌吊輔助運輸系統(tǒng)的安全性，設(shè)計一款高可靠性的制動系統(tǒng)也尤為重要。結(jié)合《煤炭安全規(guī)程》的相關(guān)標準要求和無極繩單軌吊輔助運輸系統(tǒng)的實際工況，要求其制動系統(tǒng)滿足如下要求：

1）要求制動系統(tǒng)在手動和自動兩種模式下切換運行；

2）當無極繩單軌吊運行速度大于其額定速度的15%時，制動系統(tǒng)可自動施閘完成制動功能，具有較高的靈活性和可靠性；

3）要求無極繩單軌吊制動系統(tǒng)制動過程中的空閘時間不超過0.7 s；

4）在最大載荷且最大運行速度的工況下，制動系統(tǒng)實施后期制動距離不得超過最大運行速度6 s 的行程；

5）在最小載荷和最大坡度上向上運行時，制動系統(tǒng)的制動減速度不得大于5 m/s2；

6）制動系統(tǒng)的液壓系統(tǒng)的壓力為其額定壓力的125%時，要求在保壓5 min 的時間內(nèi)不得有泄露[2]。

1.2 無極繩單軌吊制動系統(tǒng)總體設(shè)計

制動小車為無極繩單軌吊制動系統(tǒng)的重要環(huán)節(jié)，其可采用的方式包括兩桿式液壓結(jié)構(gòu)和彈簧鉗式摩擦制動結(jié)構(gòu)兩種。在充分借鑒其他設(shè)備制動系統(tǒng)設(shè)計經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，無極繩單軌吊采用連桿式鉗式液壓制動系統(tǒng)為核心進行設(shè)計。對應(yīng)的液壓制動系統(tǒng)原理，如圖1 所示。

圖1 無極繩單軌吊液壓制動系統(tǒng)原理圖

基于圖1 所示的液壓制動系統(tǒng)具有如下特點：該系統(tǒng)對應(yīng)的動力特性要求較低；液壓制動系統(tǒng)中液壓缸的壓力到達一定設(shè)定值即可保證壓力不變，不會受到外界沖擊所帶來的影響；該液壓制動系統(tǒng)可實現(xiàn)人工和自動兩種控制方式，實現(xiàn)其功能。

2 無極繩單軌吊制動系統(tǒng)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)設(shè)計

根據(jù)《單軌吊行業(yè)規(guī)范》中的相關(guān)標準要求，無極繩單軌吊制動系統(tǒng)的制動力應(yīng)為其鋼絲繩牽引力的1.5～2 倍。本文所研究無極繩單軌吊輔助運輸系統(tǒng)鋼絲繩的牽引力為160 kN，則對應(yīng)制動系統(tǒng)的制動力應(yīng)控制在[240 kN，320 kN]的區(qū)間范圍之內(nèi)[3]。本節(jié)將重點對制動系統(tǒng)涉及的制動彈簧、制動臂、制動架等關(guān)鍵結(jié)構(gòu)部件進行設(shè)計。

2.1 制動彈簧的選型設(shè)計

單軌吊制動系統(tǒng)的最小制動力為240 kN，單個制動小車可提供制動力為120 kN，則需要兩個制動小車實現(xiàn)制動功能；每個制動小車含有兩個制動彈簧，則要求每個制動彈簧的制動力為60 kN。根據(jù)動摩擦系數(shù)為0.3，得出單側(cè)閘瓦與鋼軌腹板的正壓力不得小于100 kN。

根據(jù)制動小車的結(jié)構(gòu)設(shè)計和杠桿原理得出：閘緊時彈簧力為24.486 kN，此時對應(yīng)的彈簧長度為637 mm；而當彈簧的壓縮量達到最大時，其對應(yīng)的長度為587 mm。在上述計算的基礎(chǔ)上得出所選型制動彈簧的參數(shù)如表1 所示。

表1 制動彈簧關(guān)鍵參數(shù)

2.2 制動臂結(jié)構(gòu)設(shè)計及仿真分析

2.2.1 制動臂結(jié)構(gòu)設(shè)計

制動臂為制動小車實現(xiàn)其功能的關(guān)鍵零部件，其作為主要承載部件，要求其能夠在制動過程中保證足夠剛度和強度，才能夠保證在整個制動過程中相對平穩(wěn)，制動效果優(yōu)越[4]。

因此，一般會在制動臂的基礎(chǔ)上分別在其兩側(cè)增加側(cè)板的斷面；同時，再將三角筋板焊接在側(cè)板上，并為其配置銷軸加強的底座。初步設(shè)計制動臂板所選用材料的厚度為20 mm，對應(yīng)銷軸孔的直徑為60 mm。制動臂結(jié)構(gòu)示意圖，如圖2 所示。

圖2 制動臂結(jié)構(gòu)示意圖（單位：mm）

2.2.2 制動臂仿真分析

根據(jù)上述研究可知，在實際制動過程中制動彈簧施加到制動臂上的壓力為28.5 kN；施加在銷軸孔處的壓力不小于100 kN。為驗證所設(shè)計制動臂的強度是否能夠滿足制動過程中的要求，基于Pro/E 三維軟件建立制動臂的模型，并導入ANSYS 軟件中對相關(guān)參數(shù)設(shè)置完畢、完成網(wǎng)格劃分，并根據(jù)工況施加響應(yīng)的約束和載荷后對制動臂進行仿真分析，仿真結(jié)論如下：

制動臂出現(xiàn)應(yīng)力集中的位置位于銷軸孔的位置，且該處的最大應(yīng)力為334.7 MPa，小于其許用材料的屈服強度550 MPa；制動臂出現(xiàn)變形最大的位置位于下側(cè)板，且最大的變形量為1.47 mm，在合理且可接受的范圍之內(nèi)。

2.3 制動架結(jié)構(gòu)設(shè)計及仿真分析

2.3.1 制動架結(jié)構(gòu)設(shè)計

除了制動臂外，制動架也為制動小車的主要承載部件，保證制動架的剛度和強度也是保證制動安全性和效果的關(guān)鍵。制動架的基本結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

圖3 制動架結(jié)構(gòu)示意圖

由圖3 可知，在基礎(chǔ)構(gòu)件的基礎(chǔ)上，在制動架兩側(cè)板的位置增加筋板和連接板等部件，且設(shè)定筋板和連接板的厚度為30 mm。

2.3.2 制動架仿真分析

為驗證所設(shè)計制動架的強度是否能夠滿足制動過程中的要求，基于Pro/E 三維軟件建立制動架的模型，并導入ANSYS 軟件中對相關(guān)參數(shù)設(shè)置完畢、完成網(wǎng)格劃分，并根據(jù)工況施加響應(yīng)的約束和載荷后對制動架進行仿真分析[5]。結(jié)合實際制動過程的受力分析結(jié)果，對制動架左斷面施加180 kN 的力，對制動架側(cè)板的耳座施加189 kN 的力。仿真結(jié)論如下：

制動架出現(xiàn)應(yīng)力集中的區(qū)域位于側(cè)板和加強筋的焊接處，且最大應(yīng)力值為332.4 MPa，小于其許用材料的屈服強度550 MPa；制動架出現(xiàn)變形最大的位置位于其左端，且對應(yīng)的最大變形量為0.433 mm，在合理且可接受的范圍之內(nèi)。

3 結(jié)語

無極繩單軌吊輔助運輸系統(tǒng)為實現(xiàn)綜采工作面大型設(shè)備高效運輸、搬運和拆卸的設(shè)備，其對降低作業(yè)人員勞動強度，間接提升煤礦生產(chǎn)效率具有重要意義。本文主要針對無極繩單軌吊輔助運輸系統(tǒng)，完成制動系統(tǒng)關(guān)鍵部件包括制動彈簧的選型設(shè)計、制動臂和制動架的結(jié)構(gòu)設(shè)計，并對其強度和剛度進行仿真分析，所設(shè)計的制動架和制動臂均能夠滿足實際制動要求。