礦用下運(yùn)帶式輸送機(jī)制動(dòng)裝置的研究與應(yīng)用分析

張鋒

（陽泉市上社煤炭有限責(zé)任公司，山西 盂縣 045100）

1 概 況

帶式輸送機(jī)是煤礦領(lǐng)域重要的輔助運(yùn)輸裝置，由于煤礦井下生產(chǎn)環(huán)境復(fù)雜，部分運(yùn)輸巷道向下傾斜，在此環(huán)境下使用的輸送機(jī)稱為下運(yùn)帶式輸送機(jī)。由于整體向下傾斜，使得煤礦物料自身重力變成一種驅(qū)動(dòng)力，促使帶式輸送機(jī)加速向下運(yùn)動(dòng)，若不采取措施進(jìn)行制動(dòng)，輸送機(jī)運(yùn)行速度會(huì)越來越快，最終失控，出現(xiàn)所謂的“飛車”現(xiàn)象。一旦出現(xiàn)“飛車”現(xiàn)象，輕則影響煤礦的正常運(yùn)輸，重則威脅設(shè)備和人員安全。因此需采取措施對(duì)下運(yùn)帶式輸送機(jī)的運(yùn)行過程進(jìn)行精確制動(dòng)，確保皮帶運(yùn)行速度在安全范圍以內(nèi)。本文以上社煤礦DSJ120/100/2×315 型帶式輸送機(jī)為研究對(duì)象，在分析傳統(tǒng)盤式制動(dòng)器結(jié)構(gòu)缺陷問題的基礎(chǔ)上，對(duì)傳統(tǒng)制動(dòng)器結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)。

2 制動(dòng)裝置的基本原理及布置情況

2.1 基本原理

制動(dòng)裝置是下運(yùn)帶式輸送機(jī)的必備設(shè)備，不僅可以對(duì)啟動(dòng)及停車過程進(jìn)行控制，緊急情況下可以對(duì)設(shè)備進(jìn)行制動(dòng)，避免出現(xiàn)飛車、滑車等現(xiàn)象，保障其安全。制動(dòng)裝置的基本原理是機(jī)械能與熱能之間的轉(zhuǎn)換，可將設(shè)備運(yùn)行時(shí)的機(jī)械能轉(zhuǎn)換成制動(dòng)盤熱能，最終耗散掉。制動(dòng)裝置運(yùn)行時(shí)配合控制系統(tǒng)，利用傳感器對(duì)皮帶速度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并作為控制系統(tǒng)的反饋值，可以對(duì)帶式輸送機(jī)的運(yùn)行速度進(jìn)行精確控制，防止速度突變對(duì)設(shè)備造成沖擊，提升設(shè)備的運(yùn)行穩(wěn)定性，降低故障率。

2.2 制動(dòng)裝置的布置

因?yàn)槠涔ぷ髟?，制?dòng)裝置運(yùn)行時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量熱量，導(dǎo)致裝置溫度快速上升。溫度上升過快或過大會(huì)影響制動(dòng)盤性能，給設(shè)備正常運(yùn)行埋下隱患。根據(jù)《煤礦安全規(guī)程》中的相關(guān)規(guī)定，煤礦中使用的所有設(shè)備溫度不得高于100 ℃。為避免制動(dòng)盤溫度過高，需要將制動(dòng)裝置設(shè)置在轉(zhuǎn)速相對(duì)較低的位置，避免轉(zhuǎn)速過高產(chǎn)生高溫?；诖耍舜窝芯繉⒅苿?dòng)裝置設(shè)置在低速軸上，如圖1 所示。

圖1 下運(yùn)帶式輸送制動(dòng)裝置的安裝位置示意Fig.1 Installation position of downward belt conveyor braking device

3 傳統(tǒng)盤式制動(dòng)裝置存在的問題分析

上社煤礦DSJ120/100/2×315 型帶式輸送機(jī)原有的盤式制動(dòng)裝置屬于油缸后置式，這是我國(guó)煤礦中使用較多的一種結(jié)構(gòu)形式，如圖2 所示。傳統(tǒng)盤式制動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，加工方便，但在上社煤礦實(shí)際應(yīng)用中存在一些問題，主要表現(xiàn)在以下3 個(gè)方面。

（1）傳統(tǒng)盤式制動(dòng)裝置中，主要通過中心軸1 承受碟簧力，在一些特殊工況條件下，碟簧力非常大，若中心軸力學(xué)性能不達(dá)標(biāo)就容易出現(xiàn)斷軸問題。

（2）傳統(tǒng)盤式制動(dòng)裝置中有多個(gè)位置需要密封，具體為圖2 標(biāo)記2 所指位置。密封位置越多越容易出現(xiàn)泄露問題，影響設(shè)備正常工作，所以在上社煤礦實(shí)踐中經(jīng)常出現(xiàn)漏油現(xiàn)象。

（3）傳統(tǒng)的盤式制動(dòng)裝置工作過程中對(duì)筒體與支撐、油缸與活塞、油缸蓋與活塞這3 個(gè)部位的同軸度要求較高，即圖2 中標(biāo)記3 指向的3 個(gè)位置。若加工或裝配時(shí)誤差較大，則會(huì)影響裝置的正常穩(wěn)定運(yùn)行，即上社煤礦實(shí)踐中經(jīng)常出現(xiàn)的卡閘現(xiàn)象。

4 盤式制動(dòng)裝置的結(jié)構(gòu)改進(jìn)研究

4.1 結(jié)構(gòu)改進(jìn)

針對(duì)傳統(tǒng)盤式制動(dòng)裝置工作過程中暴露出的缺陷問題，基于筆者實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化改進(jìn)，以期在一定程度上緩解傳統(tǒng)裝置存在的問題。圖3 為優(yōu)化改進(jìn)后的盤式制動(dòng)裝置整體結(jié)構(gòu)。

圖3 改進(jìn)后的盤式制動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)Fig.3 Improved structure of disc brake device

與傳統(tǒng)制動(dòng)裝置相比較，中心軸的功能利用12 根拉緊螺栓替代，12 根螺栓沿圓周方向均勻分布，確保特殊工況條件下結(jié)構(gòu)的抗拉強(qiáng)度，避免出現(xiàn)斷軸問題。新裝置只對(duì)支撐與油缸、油缸與活塞2 個(gè)位置的同軸度有較高的要求，與傳統(tǒng)裝置相比減少了1 個(gè)，理論上說設(shè)備運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)卡閘的概率降低了1/3。另外，油缸與活塞之間只需要實(shí)施一次密封即可，降低了泄漏的概率。改進(jìn)裝置中設(shè)置有力傳感器，可以對(duì)碟簧力大小進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，可以通過控制系統(tǒng)對(duì)制動(dòng)過程進(jìn)行更加精確的控制。

需要注意的是，具體應(yīng)用時(shí)，圖3 所示的結(jié)構(gòu)裝置需成對(duì)使用，對(duì)稱布置在制動(dòng)盤兩側(cè)，確保制動(dòng)盤受力均衡。

4.2 制動(dòng)裝置基本工作過程分析

如圖4 所示為改進(jìn)后的盤式制動(dòng)裝置工作時(shí)的基本受力情況。盤式制動(dòng)裝置運(yùn)行時(shí)的受力主要包括內(nèi)部碟簧彈力FD、制動(dòng)液壓力Fp、機(jī)構(gòu)運(yùn)行總摩擦力Ff，制動(dòng)裝置作用在制動(dòng)盤上的力FN=FDFp-Ff。內(nèi)部碟簧彈力FD主要與閘瓦間隙△x1、碟簧預(yù)壓縮量△x2這2 個(gè)參數(shù)有關(guān)，制動(dòng)液壓力Fp主要與油缸截面積和油壓有關(guān)，機(jī)構(gòu)摩擦力主要與法線方向正壓力相關(guān)。

圖4 盤式制動(dòng)裝置工作時(shí)的受力情況Fig.4 Force situation of disc brake device when it is working

當(dāng)把制動(dòng)裝置對(duì)稱地安裝在制動(dòng)盤兩側(cè)時(shí)，碟簧的預(yù)壓縮量和剛度基本保持不變，油缸和活塞直徑也基本不變，當(dāng)機(jī)構(gòu)之間潤(rùn)滑良好時(shí)幾乎可忽略摩擦力的影響。根據(jù)制動(dòng)裝置制動(dòng)力FN的計(jì)算公式可知，F(xiàn)N的大小主要受到液壓力和閘瓦間隙的影響。閘瓦通常選用耐磨材料，具有非常高的耐磨性，短時(shí)間內(nèi)的磨損量可以忽略不計(jì)，閘瓦間隙變化量相對(duì)較小，所以FN主要受液壓系統(tǒng)提供液壓力的影響。因此可知，制動(dòng)液壓力Fp與制動(dòng)盤壓力FN之間呈反比例關(guān)系，通過控制液壓系統(tǒng)提供的制動(dòng)液壓力即可對(duì)制動(dòng)力進(jìn)行準(zhǔn)確控制。

當(dāng)制動(dòng)液壓力Fp較小時(shí)，在碟簧彈力的作用下，制動(dòng)裝置將處于工作狀態(tài)，對(duì)制動(dòng)盤進(jìn)行制動(dòng)；相反，當(dāng)制動(dòng)液壓力Fp較大時(shí)，液壓力與碟簧彈力相抵消，此時(shí)作用在制動(dòng)盤上的力FN減小，下運(yùn)帶式輸送機(jī)的制動(dòng)效果減弱。據(jù)此達(dá)到帶式輸送機(jī)精確制動(dòng)的目的。

5 制動(dòng)裝置的應(yīng)用效果

為了驗(yàn)證改進(jìn)后的盤式制動(dòng)器的可行性和可靠性，根據(jù)設(shè)計(jì)方案將其運(yùn)用到上社煤礦工程實(shí)踐中，試運(yùn)行1 a 左右，期間對(duì)制動(dòng)裝置的運(yùn)行情況進(jìn)行觀察記錄。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，制動(dòng)裝置整體運(yùn)行良好，未出現(xiàn)故障問題，可以對(duì)DSJ120/100/2×315型帶式輸送機(jī)的運(yùn)行過程進(jìn)行精確制動(dòng)，之前上社煤礦偶爾會(huì)出現(xiàn)的帶式輸送機(jī)“飛車”現(xiàn)象沒有再出現(xiàn)，為企業(yè)創(chuàng)造了很好的安全效益和經(jīng)濟(jì)效益。

6 結(jié)論

以上社煤礦中使用的DSJ120/100/2×315 型帶式輸送機(jī)制動(dòng)裝置為研究對(duì)象，在分析傳統(tǒng)制動(dòng)裝置問題的基礎(chǔ)上，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)。

（1）制動(dòng)裝置主要利用制動(dòng)盤和閘瓦之間的摩擦進(jìn)行制動(dòng)，工作時(shí)因摩擦?xí)a(chǎn)生大量的熱量，因此制動(dòng)裝置需要安裝在低速軸上，以保障溫度在安全規(guī)程要求的100 ℃范圍內(nèi)。

（2）傳統(tǒng)制動(dòng)裝置工作時(shí)容易出現(xiàn)卡閘、斷軸、泄露等問題，改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)可緩解或避免上述問題，裝置工作時(shí)通過液壓油壓力控制制動(dòng)力，配合傳感器可實(shí)現(xiàn)制動(dòng)力的精確控制。

（3）將改進(jìn)后的盤式制動(dòng)裝置應(yīng)用到上社煤礦帶式輸送機(jī)工程實(shí)踐中，經(jīng)1 a 時(shí)間的實(shí)踐應(yīng)用表明，改進(jìn)后的盤式制動(dòng)裝置達(dá)到了預(yù)期效果，期間再未出現(xiàn)“飛車”問題，安全效益和經(jīng)濟(jì)效益顯著。