(江蘇師范大學(xué)連云港校區(qū)海洋港口學(xué)院， 江蘇連云港 222006)

引言

目前，提升機應(yīng)用于港口、建筑、煤礦等各個領(lǐng)域[1-3]。礦井提升機是在煤礦領(lǐng)域應(yīng)用比較廣泛的一種輔助運輸設(shè)備，而液壓制動系統(tǒng)是礦井提升機安全運行關(guān)鍵，研究薄弱的部分[4-5]，因此研究礦井提升機在各個運行狀態(tài)下液壓制動系統(tǒng)的油壓[6]、碟簧壓縮量[7]、碟簧力[8]等參數(shù)的變化是否符合實際工況是十分重要的。

礦井提升機液壓制動系統(tǒng)總體由液壓站和制動器兩部分組成。液壓站是整個系統(tǒng)的控制元件，制動器相當(dāng)于整個系統(tǒng)的執(zhí)行元件[9]，依靠液壓站和制動閘的有效配合，礦井提升機可以完成正常開車、正常停車、一級制動、二級制動等一系列的動作。本研究使用AMESim對液壓系統(tǒng)、機械系統(tǒng)的建模以及系統(tǒng)進(jìn)行仿真和動力學(xué)分析[10-12]。 本研究以B159液壓制動系統(tǒng)為研究對象，對整個系統(tǒng)進(jìn)行建模、仿真分析，仿真結(jié)果與液壓制動系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型對比，驗證整個液壓制動系統(tǒng)的有效性，加深礦工對液壓系統(tǒng)工作的理解，為該系統(tǒng)仿真建模提供一定參考。

1 液壓制動系統(tǒng)的工作原理

礦井提升機正常開車，盤式制動器開閘。電機通電，比例溢流閥7通電，調(diào)整系統(tǒng)壓力為6.3 MPa，電磁換向閥10斷電，電磁換向閥12、15、16通電。電機帶動泵運轉(zhuǎn)，液壓管路有三條通路，第一路是油壓經(jīng)過電磁閥G1進(jìn)入A管，第二路是油壓經(jīng)過電磁閥G3進(jìn)入B管，還有一路是油壓經(jīng)過減壓閥9、單向閥13進(jìn)入蓄能器14，給蓄能器補油，當(dāng)油壓大于減壓閥設(shè)定壓力時此路斷開。此時A、B管路的油壓都為6.3 MPa，油壓進(jìn)入盤式制動器的液壓缸，在油壓作用下，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。

礦井提升機正常停車，盤式制動器合閘。電機通電，比例溢流閥7斷電，調(diào)整系統(tǒng)壓力為0，電磁換向閥10斷電，電磁閥12、15、16通電。電機帶動泵運轉(zhuǎn)，液壓管路有二條回油路，一路是A管的油經(jīng)過電磁閥G1和比例溢流閥7回油箱，另外一路是B管的油經(jīng)過電磁閥G3和比例溢流閥7回油箱，因此，盤式制動器液壓缸內(nèi)的油全部回油箱，在碟簧預(yù)壓力的作用下，盤式制動器合閘，礦井提升機停車。

如果安全回路掉電，為了確保安全，礦井提升機需要進(jìn)行緊急制動，如果罐籠在井口，進(jìn)行一級制動；如果罐籠在井中，需要進(jìn)行二級制動。在井口處受電控系統(tǒng)控制，提升機的罐籠的速度已經(jīng)降速，到達(dá)了減速點，需要制動器立刻抱閘實現(xiàn)制動，所以需要A、B管連接的制動閘油缸內(nèi)的油壓立刻降為0，實現(xiàn)一級制動。在井中時，提升機罐籠的速度相對較大，需要A管連接的制動器的油缸的油降為0，B管連接的制動器油缸內(nèi)的油壓降為一級制動油壓，實現(xiàn)第一級制動，使罐籠的速度符合煤礦安全規(guī)程的減速度，以保證平穩(wěn)、可靠停車。然后，第二級制動再施加上去，即B管的油壓降為0，完成二級制動，確保提升機安全停車。

在礦井提升機進(jìn)行一級制動過程中，電機停電，比例溢流閥7斷電，調(diào)整系統(tǒng)壓力為0。電磁換向閥10、12、15、16全部斷電。管路有兩條回油路，一路是A管的油經(jīng)過電磁閥G1回油箱，另外一路是B管的油經(jīng)過電磁閥G3回油箱，因此，盤式制動器液壓缸內(nèi)的油全部回油箱，在碟簧回復(fù)力的作用下，盤式制動器立刻合閘，礦井提升機實現(xiàn)一級制動。

在礦井提升機進(jìn)行二級制動過程中，電機停電，比例溢流閥7斷電，調(diào)整系統(tǒng)壓力為0。電磁換向閥10、12、15斷電，電磁換向閥16通電，延時2秒，電磁換向閥16再斷電。A管的油經(jīng)過電磁閥G1直接回油箱，A管的油壓直接降到0。由于蓄能器14可以保壓，蓄能器經(jīng)過溢流閥11和電磁換向閥15的作用，B管的油壓從6.3 MPa先降到3.5 MPa，2秒后，電磁換向閥16斷電，B管的油經(jīng)過電磁閥換向閥16直接回油箱，B管的油壓降為0。因此，對于連接A管路的盤式制動器液壓缸內(nèi)的油壓直接降為0，連接B管路的盤式制動器液壓缸內(nèi)的油壓先降到二級制動的一級油壓3.5 MPa，延時2 s后，再降到0，礦井提升機實現(xiàn)緊急二級制動。

表1 B159液壓站主要參數(shù)表

2 數(shù)學(xué)模型理論推導(dǎo)

假設(shè)礦井提升機液壓制動系統(tǒng)處于理想狀態(tài)，忽略油缸內(nèi)部摩擦、油壓泄漏、液壓管路能量損耗等因素，圖2為盤式制動器簡化示意圖。

圖2 盤式制動器示意圖

盤式制動器處于全制動狀態(tài)，液壓缸內(nèi)的油壓通過液壓管路回油箱，液壓缸內(nèi)的油壓為0，此時碟簧力等于制動正壓力：

N=F2=kΔ0/n1

(1)

盤式制動器處于全開閘狀態(tài)，制動正壓壓力為0，此時活塞推力F1等與碟簧力F2：

F1=F2

(2)

全制動狀態(tài)下，閘瓦對制動盤的制動力矩為：

Mz=2NRmμn0

(3)

為了保證安全，煤礦安規(guī)程規(guī)定：制動力矩Mz應(yīng)滿足3倍的靜力矩Mj，所以：

Mz=2NRmμn0=3Mj=3FcD/2

(4)

根據(jù)式(3)和式(4)，制動器正壓力N應(yīng)為：

(5)

在全制動到貼閘階段，活塞推力F1計算為：

F1=kΔ0/n1-N′

(6)

其中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，貼閘是盤式制動將要施加制動正壓力還未施加制動正壓力的臨界狀態(tài)，所以貼閘時，活塞的推力為：

F1=kΔ0/n1

(7)

所以盤式制動器的理論貼閘油壓px為：

(8)

盤式制動器處于全開閘狀態(tài)，碟簧力F2為：

(9)

盤式制動器處于全開閘狀態(tài)，碟簧的變形量Δ0+Δ為：

(10)

盤式制動器處于在全制動狀態(tài)，碟簧的變形量Δ0為：

(11)

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pm為：

pm≥px+pf

(12)

根據(jù)以上各式可以推導(dǎo)出液壓制動系統(tǒng)的理論參數(shù)，結(jié)果如表3所示。

表3 液壓制動系統(tǒng)理論參數(shù)

3 液壓制動系統(tǒng)的仿真

液壓制動系統(tǒng)的整體仿真模型的搭建如圖3所示，盤式制動器被簡化成油缸、質(zhì)量塊和碟簧組合，其主要仿真參數(shù)如表4所示。

圖3 液壓系統(tǒng)的整體仿真模型

模型參數(shù)設(shè)置值電機轉(zhuǎn)速/r·min-11500定量泵轉(zhuǎn)速/r·min-11500比例溢流閥最大壓力/MPa14調(diào)定壓力/MPa0～6.3溢流閥開啟壓力/MPa7彈簧彈簧剛度/kN·mm-136.1質(zhì)量塊質(zhì)量/kg40液壓缸油缸直徑/mm140活塞直徑/mm60容積容積/cm3120蓄能器預(yù)充氣壓/MPa3.0體積/L6.3

3.1 貼閘油壓仿真驗證

貼閘油壓是保證盤式制動器的閘瓦對閘盤將要施加力尚未施加力的一個臨界油壓。假如盤式制動器液壓缸的油壓小于貼閘油壓，盤式制動器內(nèi)的碟簧保持原來的預(yù)壓縮量；反之，如果盤式制動器液壓缸的油壓大于貼閘油壓，盤式制動器內(nèi)的碟簧會在預(yù)壓縮量的基礎(chǔ)上增加。貼閘油壓是盤式制動器制動過程中一個重要參數(shù)，以下將通過仿真驗證貼閘油壓的準(zhǔn)確性。

仿真設(shè)置：0～5 s液壓制動系統(tǒng)處于停車狀態(tài)；5～10 s，系統(tǒng)壓力調(diào)定為2.7 MPa；10～15 s，系統(tǒng)壓力調(diào)定為2.8 MPa；15～20 s，系統(tǒng)壓力調(diào)定為2.7 MPa。圖4為盤式制動器液壓缸內(nèi)的油壓變化曲線，圖5為盤式制動器內(nèi)碟簧的變形量。

圖4 貼閘仿真時盤式制動器液壓缸內(nèi)的油壓

圖5 貼閘仿真時盤式制動器內(nèi)碟簧的變形量

從圖4和圖5可知，在10 s盤式制動器內(nèi)液壓缸的油壓從2.7 MPa上升到2.8 MPa，碟簧的變形量從8.8 mm增加8.89 mm；在15 s盤式制動器內(nèi)液壓缸的油壓從2.8 MPa下降到2.7 MPa，碟簧的變形量從8.89 mm下降到8.8 mm，顯然2.8 MPa是貼閘油壓，這和理論結(jié)果一致。

3.2 正常停車和開車仿真驗證

仿真設(shè)置：0～5 s液壓制動系統(tǒng)處于正常停車狀態(tài)，系統(tǒng)壓力調(diào)定為0；5～10 s，液壓制動系統(tǒng)處于正常開車狀態(tài)，系統(tǒng)壓力調(diào)定為6.3 MPa。圖6為正常停車和開車時盤式制動器液壓缸的油壓變化曲線，圖7為正常停車和開車時盤式制動器碟簧的變形量，圖8為正常停車和開車時盤式制動器碟簧的碟簧力變化曲線。

圖6 正常停車和開車是盤式制動器液壓缸的油壓

圖7 正常停車和開車時盤式制動器碟簧的變形量

圖8 正常停車和開車時盤式制動器碟簧的碟簧力

如圖6～圖8所示，在0～5 s內(nèi)，提升機正常停車，液壓缸的油壓為0.03 MPa，碟簧的變形量為8.8 mm，碟簧力為35.2 kN，此時盤式制動器處于全制動狀態(tài)，所以制動正壓力也為35.2 kN；5～5.5 s，是一個開閘過程，液壓缸的油壓從0.03 MPa上升到6.33 MPa，碟簧的變形量為8.8 mm增加到10.8 mm，碟簧力從35.2 kN增加到43.2 kN；在5.5～10 s，提升機正常開車，液壓缸的油壓為6.33 MPa，碟簧的變形量為10.8 mm，碟簧力為43.2 kN。正常停車和開車符合實際規(guī)律，仿真結(jié)果近似理論結(jié)果。

3.3 一級制動仿真驗證

仿真設(shè)置：0～5 s為液壓制動系統(tǒng)給蓄能器沖壓，系統(tǒng)壓力調(diào)定為6.3 MPa；5～10 s為液壓制動系統(tǒng)處于一級制動過程。圖9為一級制動時盤式制動器液壓缸油壓變化曲線。

圖9 一級制動時盤式制動器液壓缸油壓

如圖9所示，在0～5 s內(nèi)，蓄能器沖壓，其中在0～0.7 s液壓缸內(nèi)油壓有一個曲折上升，這個過程是由于給蓄能器充壓的一個過程，因為減壓閥的調(diào)定壓力為3.3 MPa，在壓力低于3.3 MPa之前液壓制動系統(tǒng)一直處于蓄能器充壓過程，充壓完成后，當(dāng)大于3.3 MPa，減壓閥所在的回路相當(dāng)于斷路，0.7 s液壓缸內(nèi)的油壓保持在6.3 MPa。在5～10 s，液壓制系統(tǒng)進(jìn)行一級制動，A、B管的油壓直接降為0.02 MPa，仿真結(jié)果和實際一級制動的過程一致。在5 s后，B管的油壓從3.5 MPa降到零的時間比A管降的慢，并不完全重合，那是因為在B管路的蓄能器的緩沖作用，因此B管和A管的油壓曲線不重合。

3.4 二級制動仿真驗證

仿真設(shè)置：0～5 s液壓制動系統(tǒng)給蓄能器沖壓，系統(tǒng)壓力調(diào)定為6.3 MPa；5～12 s，液壓制動系統(tǒng)為二級制動過程，圖10為二級制動時盤式制動器液壓缸油壓的變化曲線。

圖10 二級制動的盤式制動器液壓缸油壓變化曲線

如圖10所示，在0～5 s內(nèi)，與一級制動時蓄能器充壓同理。在5～12 s，液壓制系統(tǒng)進(jìn)行二級制動，5 s以后，A管的油壓立刻從6.33 MPa直接降到0.02 MPa； 5～7 s，B管的油壓從6.3 MPa降到二級制動時一級油壓值3.5 MPa，7～12 s，B管的油壓再降為0.02 MPa，二級制動完成，仿真結(jié)果和實際二級制動的過程一致。

4 結(jié)論

結(jié)合液壓制動系統(tǒng)的工作原理，根據(jù)礦井提升機液壓制動系統(tǒng)的幾種實際工況進(jìn)行AMESim仿真，仿真結(jié)果表明：

(1) 礦井提升機液壓制動系統(tǒng)的貼閘油壓為2.8 MPa，仿真結(jié)果與理論結(jié)果一致，表明了貼閘油壓的理論計算模型正確可靠，貼閘油壓準(zhǔn)確有效可以減少制動器制動的空行程時間，保證制動器有效貼閘，為提升機安全制動奠定了良好的基礎(chǔ)；

(2) 礦井提升機在正常停車和開車的過程中，液壓制動系統(tǒng)的液壓缸的油壓、碟簧力、碟簧的變形量和制動正壓力的仿真結(jié)果符合理論計算，礦井提升機在開車停車過程中，關(guān)鍵參數(shù)運行的穩(wěn)定可靠，保證提升機安全工作；

(3) 礦井提升機液壓制動系統(tǒng)進(jìn)行一級制動和二級制動過程中，A、B管盤式制動器液壓缸內(nèi)油壓變化曲線符合實際的動作過程，假如提升機需要安全制動，液壓制動系統(tǒng)可以確保提升機安全制動，提高整個制動的可靠性，保證煤礦的人員安全和經(jīng)濟效益;

(4) 仿真與理論驗證加深了煤礦技術(shù)人員對該系統(tǒng)的理解，指導(dǎo)煤礦技術(shù)人員根據(jù)工況要求調(diào)節(jié)液壓系統(tǒng)參數(shù)，保證整個液壓制動系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。