永磁電動(dòng)滾筒帶式輸送機(jī)制動(dòng)計(jì)算與分析

鄧宗岳，于歆婷

1沈陽職業(yè)技術(shù)學(xué)院 遼寧沈陽 110045

2沈陽煤業(yè) (集團(tuán)) 機(jī)械制造有限公司 遼寧沈陽 110123

大 功率永磁同步電動(dòng)機(jī)和配套變頻技術(shù)的發(fā)展使得永磁電動(dòng)滾筒用于帶式輸送機(jī)驅(qū)動(dòng)的方案得到進(jìn)一步推廣。與異步電動(dòng)機(jī)相比，永磁同步電動(dòng)機(jī)的功率因數(shù)和效率都較高，永磁電動(dòng)滾筒集驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)和驅(qū)動(dòng)滾筒為一體，發(fā)揮了永磁同步電動(dòng)機(jī)節(jié)能高效的優(yōu)勢，簡化了機(jī)械傳動(dòng)環(huán)節(jié)，提高了機(jī)械效率。除此之外，該方案減小了設(shè)備空間占用，尤其適用于井下空間有限的采煤工作面的礦用帶式輸送機(jī)[1-2]。

傳統(tǒng)的帶式輸送機(jī)采用異步電動(dòng)機(jī)、耦合器、減速器、聯(lián)軸器的驅(qū)動(dòng)方案。而永磁電動(dòng)滾筒將電動(dòng)機(jī)和減速器集成在滾筒內(nèi)，因此其制動(dòng)通常采用盤式制動(dòng)器。制動(dòng)裝置的性能直接影響到輸送機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行和工作人員的安全，必須高度重視。

1 盤式制動(dòng)器工作原理

沈陽煤業(yè) (集團(tuán)) 某礦的 DSJ100/63/2×200 帶式輸送機(jī)采用永磁電動(dòng)滾筒的驅(qū)動(dòng)形式，采用 2 個(gè)驅(qū)動(dòng)滾筒，配套使用 4 個(gè) KPZ1400/80 盤式制動(dòng)器。驅(qū)動(dòng)部分的布置如圖 1 所示。

圖1 驅(qū)動(dòng)滾筒和制動(dòng)器結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of driving drum and brake

永磁電動(dòng)滾筒帶式輸送機(jī)制動(dòng)原理如圖 2 所示，制動(dòng)盤通過螺栓連接固定在驅(qū)動(dòng)滾筒上，兩側(cè)裝有制動(dòng)閘片，制動(dòng)閘片對制動(dòng)盤的正壓力取決于液壓站的供油油壓和碟形彈簧的作用力。在輸送機(jī)工作時(shí)，液壓站提供足夠的壓力，使得制動(dòng)閘片和制動(dòng)盤之間保持 0.5～ 1.5 mm 的間隙；在需要制動(dòng)或斷電等特殊情況下，油壓降低，彈簧推動(dòng)制動(dòng)閘片夾緊制動(dòng)盤，依靠閘片和制動(dòng)盤間的摩擦實(shí)現(xiàn)制動(dòng)[3-5]。

圖2 盤式制動(dòng)器原理Fig.2 Principle of disc brake

2 制動(dòng)減速度計(jì)算

采用的帶式輸送機(jī)主要原始計(jì)算參數(shù)如表 1 所列。

表1 帶式輸送機(jī)主要原始計(jì)算參數(shù)Tab.1 Main original calculation parameters of belt conveyor

根據(jù)《帶式輸送機(jī)工程設(shè)計(jì)規(guī)范》可知，水平輸送時(shí)，傳動(dòng)滾筒制動(dòng)時(shí)的減速度

式中：FB為制動(dòng)力，N；FU為傳動(dòng)滾筒圓周驅(qū)動(dòng)力，N；mL為輸送機(jī)運(yùn)動(dòng)部分總質(zhì)量轉(zhuǎn)換到輸送帶上直線運(yùn)動(dòng)的等效質(zhì)量，kg；mD為輸送機(jī)旋轉(zhuǎn)部件轉(zhuǎn)動(dòng)慣量轉(zhuǎn)換到傳動(dòng)滾筒圓周上直線移動(dòng)的等效質(zhì)量，kg；FH為主要阻力，N；FN為附加阻力，N；Fs1為特種主要阻力，N；Fs2為特種附加阻力，N；Fst為傾斜阻力，N；qB為輸送帶單位長度質(zhì)量，kg/m；qG為單位長度輸送帶上的物料質(zhì)量，kg/m；K1為托輥旋轉(zhuǎn)部分質(zhì)量轉(zhuǎn)換為直線運(yùn)動(dòng)等效質(zhì)量的轉(zhuǎn)換系數(shù)，取K1=0.9；qRo、qRu為上、下托輥區(qū)間單位長度托輥的質(zhì)量，kg/m；L為輸送機(jī)長度，m；n為驅(qū)動(dòng)單元數(shù)量，個(gè)；JiD為驅(qū)動(dòng)單元第i個(gè)旋轉(zhuǎn)部件的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，kg·m2；ii為驅(qū)動(dòng)單元第i個(gè)旋轉(zhuǎn)部件至傳動(dòng)滾筒的傳動(dòng)比；Ji為第i個(gè)滾筒的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，kg·m2；r為傳動(dòng)滾筒半徑，m；ri為第i個(gè)滾筒的滾筒半徑，m。

由于該機(jī)輸送距離較長，附加阻力明顯小于主要阻力，可以引入一個(gè)系數(shù)來考慮阻力，因此式 (2) 可變?yōu)閇6-7]

式中：C為與輸送帶長度有關(guān)的系數(shù)；f為根據(jù)工作條件選取的摩擦因數(shù)；δ為運(yùn)輸傾角，(°)。

由設(shè)備相關(guān)參數(shù)并結(jié)合式 (3)～ (5)，計(jì)算可得mL=134 720 kg，mD=7 780 kg，F(xiàn)U=48 256 N。配套使用KPZ1400/80 盤式制動(dòng)器，其制動(dòng)力矩為 80 kN·m，則制動(dòng)力FB=1.23×105N。

在制動(dòng)時(shí)，液壓油完全泄壓，此時(shí)制動(dòng)力完全用于制動(dòng)，則將以上數(shù)據(jù)代入式 (1) 可計(jì)算出制動(dòng)減速度aB=1.2 m/s2。根據(jù)帶速v=2 m/s 可得制動(dòng)時(shí)間tB=1.7 s。

為了避免溜槽堆煤，并考慮到緊急情況下的安全，制動(dòng)需盡快實(shí)現(xiàn)。但停車也不是越快越好，制動(dòng)減速度過大會(huì)引起輸送機(jī)喘振，設(shè)備不穩(wěn)，造成設(shè)備零件損壞。因此，帶式輸送機(jī)允許的制動(dòng)減速度范圍通常在 0.1～ 0.3 m/s2[8-10]。對比計(jì)算所得數(shù)據(jù)可知，制動(dòng)時(shí)的減速度過大，正常工作時(shí)，應(yīng)使帶速降至30% 時(shí)再進(jìn)行制動(dòng)[11-13]。

3 基于 SolidWorks Motion 的制動(dòng)過程仿真分析

3.1 仿真模型建立

永磁電動(dòng)滾筒帶式輸送機(jī)配套盤式制動(dòng)器實(shí)際安裝如圖 3 所示，每個(gè)永磁電動(dòng)滾筒有 2 個(gè)制動(dòng)盤，制動(dòng)盤通過螺栓固定于滾筒兩側(cè)。制動(dòng)器固定于制動(dòng)器座上。整機(jī)有 2 個(gè)驅(qū)動(dòng)滾筒，因此共有 4 個(gè)制動(dòng)器對其進(jìn)行制動(dòng)。

圖3 制動(dòng)器安裝示意Fig.3 Sketch of brake installation

為簡化計(jì)算和提高計(jì)算速度，在 SolidWorks 中建立 1 副盤式制動(dòng)器的簡化模型，如圖 4 所示。制動(dòng)盤外徑為 1 400 mm，材料為普通碳素結(jié)構(gòu)鋼，制動(dòng)閘片材料為無石棉樹脂。未制動(dòng)時(shí)，液壓系統(tǒng)壓力抵抗碟形彈簧的彈力，使得制動(dòng)閘片和制動(dòng)盤的距離保持在 1.5 mm；制動(dòng)時(shí)，液壓系統(tǒng)泄壓，制動(dòng)閘片在碟形彈簧的彈力作用下夾緊制動(dòng)盤[14]。制動(dòng)盤和制動(dòng)閘片的材料參數(shù)如表 2 所列。

圖4 盤式制動(dòng)器簡化模型Fig.4 Simplified model of disc brake

表2 制動(dòng)盤和制動(dòng)閘片材料參數(shù)Tab.2 Material parameters of braking disc and braking pad

設(shè)置好材料，根據(jù)帶速計(jì)算制動(dòng)盤的轉(zhuǎn)速為 38 r/min，在制動(dòng)盤上添加旋轉(zhuǎn)馬達(dá)，設(shè)置馬達(dá)轉(zhuǎn)速為38 r/min。制動(dòng)盤旋轉(zhuǎn) 1 s 后，給制動(dòng)閘片施加碟形彈簧彈力 180 kN。在彈力作用下制動(dòng)閘片向制動(dòng)盤移動(dòng)，夾緊制動(dòng)盤后開始進(jìn)行制動(dòng)。根據(jù)兩者的接觸情況和接觸面材料，設(shè)置接觸時(shí)的動(dòng)態(tài)摩擦因數(shù)μk=0.46、靜態(tài)摩擦因數(shù)μs=0.5。

3.2 仿真結(jié)果分析

設(shè)置好計(jì)算所需的時(shí)間和幀數(shù)，添加制動(dòng)盤角速度和摩擦力，之后進(jìn)行運(yùn)算。

制動(dòng)盤的角速度變化曲線如圖 5 所示。在第 1.0 s內(nèi)未進(jìn)行制動(dòng)，制動(dòng)盤保持勻角速度轉(zhuǎn)動(dòng)。從第 1.0 s開始施加制動(dòng)力，在約第 1.2 s 時(shí)制動(dòng)盤角速度開始快速下降，在約第 3.0 s 時(shí)角速度降為 0，制動(dòng)盤停止轉(zhuǎn)動(dòng)。

圖5 制動(dòng)盤角速度變化曲線Fig.5 Variation curve of angular velocity of braking disc

制動(dòng)盤和制動(dòng)閘片之間的摩擦力變化曲線如圖 6所示。制動(dòng)開始前制動(dòng)力為 0，在制動(dòng)開始時(shí)刻制動(dòng)力快速上升，制動(dòng)盤與制動(dòng)閘片之間克服最大靜摩擦力發(fā)生運(yùn)動(dòng)，之后由于制動(dòng)盤的慣性，進(jìn)入滑動(dòng)摩擦階段，摩擦力保持恒定，直至制動(dòng)盤停止后摩擦力又降為 0。

圖6 摩擦力變化曲線Fig.6 Variation curve of friction

通過仿真結(jié)果可知，該型盤式制動(dòng)器的制動(dòng)時(shí)間和理論計(jì)算值近似，制動(dòng)摩擦力符合實(shí)際變化規(guī)律，同時(shí)也驗(yàn)證了液壓系統(tǒng)完全泄壓制動(dòng)后制動(dòng)減速度過大。因此，在實(shí)際使用過程中，可在控制系統(tǒng)中設(shè)置，使帶速降至 30% 時(shí)再進(jìn)行制動(dòng)，或者調(diào)整碟簧的調(diào)節(jié)螺母，根據(jù)實(shí)際使用情況適當(dāng)降低制動(dòng)力[15]，以免造成輸送機(jī)喘振及設(shè)備不穩(wěn)，引起設(shè)備零件損壞。

4 結(jié)論

永磁電動(dòng)滾筒驅(qū)動(dòng)帶式輸送機(jī)具有節(jié)能高效、傳動(dòng)效率高、易于維護(hù)、空間占用小等優(yōu)點(diǎn)。輸送機(jī)的制動(dòng)性能對整機(jī)的安全穩(wěn)定運(yùn)行至關(guān)重要，借助理論公式計(jì)算了制動(dòng)過程的減速度。但由于永磁電動(dòng)滾筒在低速區(qū)間運(yùn)行，且沒有傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中的減速器和聯(lián)軸器等環(huán)節(jié)，其轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小，因此直接制動(dòng)時(shí)減速度過大，會(huì)造成不良后果。

通過對比實(shí)際的制動(dòng)器，在 SolidWorks Motion中建立了制動(dòng)系統(tǒng)的簡化模型，并對制動(dòng)過程進(jìn)行了仿真，結(jié)果驗(yàn)證了理論計(jì)算的正確性。理論計(jì)算和仿真結(jié)果對制動(dòng)器設(shè)計(jì)具有一定的參考價(jià)值，為該型永磁電動(dòng)滾筒驅(qū)動(dòng)帶式輸送機(jī)在煤炭企業(yè)生產(chǎn)的正確使用提供了參考，對于設(shè)備的安全操作也具有一定的指導(dǎo)意義。