矿用调度绞车设计及其制动系统仿真分析

贾 瑞

（西山煤电建筑工程集团有限公司矿建分公司， 山西 太原 030053）

引言

调度绞车为煤矿生产中用于完成对工作面开拓掘进、中间巷道调度组矿车的调度以及工作面其他一些辅助运输搬运的任务。调度绞车性能的好坏直接决定煤矿生产的安全性和可靠性。鉴于综采工作面相对恶劣的生产环境，加之调度绞车相对复杂的传动结构，导致其在实际应用中出现安装不便且制动系统可靠性较差的问题，制约了工作面的运输效率和生产进度的推进[1]。为此，本文将设计一种以定轴轮系和行星轮系相结合的传动方式作为调度的传动系统以增加设备的传动比，从而增加整机的传动效率，提升了设备传动的稳定性。同时，设计基于人力的盘式制动装置，极大提升了设备制动性能的安全性和可靠性。

1 调度绞车的总体设计

我国的调度绞车以卷筒缠绕式为主，采用电机进行驱动，各项参数均需符合《煤炭安全规程》的相关规定，以保证其能够适应工作面相对恶劣的生产环境。调度绞车的基本结构如图1 所示。

图1 调度绞车基本结构

结合工作的实际情况，可将调度绞车的工作模式分为正常工作状态、制动状态以及下放状态。其中，正常工作状态为通过钢丝绳缠绕卷筒完成提升重物的工作任务；制动状态为卷筒停止转动，使重物处于停止状态；下放状态为重物的重力牵引卷筒旋转，使得重物下放[2]。

本小节重点对调度绞车电动机、执行机构以及制动机构进行设计。调度绞车各零部件的设计依据如表1 所示。

表1 调度绞车各零部件设计依据

1.1 电动机的选型

电动机的主要选型依据为其工作功率。考虑到调度绞车实际工作中各零部件的实际传动效率小于1，综合弹性联轴器、行星齿轮传动效率以及卷筒等传动效率得出调度绞车的总传动效率为0.886。根据钢丝绳的最大张力和绳速，得出调度绞车卷筒的功率为10 kN×1 m/s=10 kW。

因此，可以得出实际所需电动机的功率为10 kW/0.886=11.286 kW。故选用型号为YBJ11.4-4 型的防爆型电动机作为调度绞车的动力源，其具体参数如表2 所示。

表2 YBJ11.4-4 型防爆电机主要参数

1.2 执行机构的设计

执行机构具体指调度绞车的钢丝绳和卷筒。本节完成调度绞车钢丝绳和卷筒的设计。

1.2.1 钢丝绳的选型

目前，我国矿井生产中主要采用钢丝绳的规格为1 570 N/mm2和1 770 N/mm2。根据《煤炭安全规程》的相关规定，要求矿井中采用单缠绕式钢丝绳的安全系数大于6.5。结合钢丝绳的最大张力为10 kN，对应所选型钢丝绳的最大破断力不得小于10 kN×6.5=65 kN。结合该项指标最终确定钢丝绳的型号为FC1770ZZ76.9，该型钢丝绳的最小破断力为76.9 kN，满足要求。该型钢丝绳的直径为11 mm，公称抗拉强度为1 770 MPa。

1.2.2 卷筒的设计

卷筒的设计与卷筒的容绳量、钢丝绳直径等相关，最终确定卷筒的直径、长度等参数。

1）根据式（1）初步对卷筒的直径进行估算：

式中：h 为系数，与调度绞车的工作级别相关，本文所研究调度绞车的工作级别为M7，故h 取22.4；d 为钢丝绳的直径，取11 mm。

将上述参数代入式（1）得出，卷筒初步估算的直径为246.4 mm。

2）卷筒的长度需根据钢丝绳的直径、相邻绳槽之间的间距，以及钢丝绳的圈数综合确定，如式（2）所示：

式中：Z 为每层钢丝绳的圈数。结合当前调度绞车室的卷筒长度，初步确定卷筒的长度为363 mm，则可以得出每层钢丝绳的圈数为25 圈。同样，结合式（3）得出钢丝绳的层数为14 层。

式中：l 为卷筒的容绳量，取400 m；D 为卷筒绳槽底部的直径，取224.4 mm；n 为每层钢丝绳的圈数，取14。

将上述参数代入式（3）得出，钢丝绳的圈数为14 层。

1.3 制动机构的设计

制动机构是保证调度绞车安全工作的根本保障，一旦其失效或者性能不佳将会导致严重事故的发生[3]。本工程将采用人力驱动和液压传动相结合的方式实现对调度绞车的制动，其主要结构如图2 所示。

图2 制动机构结构示意图

结合相关理论公式，本小节完成制动器、增压缸以及制动主缸的参数设计，结果如表3 所示。

表3 制动机构关键部件参数设计

2 制动系统仿真分析

为验证通过理论计算设计制动系统的可靠性和制动性能是否满足《煤炭安全规程》的相关规定[4]，本小节根据上述设计的参数，基于AMESim 软件建立仿真模型，并对相关性能进行验证。

设定制动系统的制动力最大为600 N，通过线性变化趋势从0 增大，并要求在1 s 内达到要求，对应的仿真结果如图3 所示。

由图3 可知，制动系统能够在规定的时间内达到调度绞车所需的制动力，且最大制动力可达27 216 N。但是，图3 中的曲线并不是完全呈线性关系，分析其原因为在0.5 s 的时刻，由于制动系统需通过另一块摩擦块与制动盘接触提高制动力所导致。同时，在t=0.5 s 时对应的制动力为17 394 N。

图3 响应特性仿真结果

因此，可以得到所设计调度绞车制动系统的响应时间和制动力均能够满足其在实际工况的制动要求。

3 结语

调度绞车为煤矿生产的辅助运输设备，其运输效率和安全性直接决定了煤矿生产的效率和安全性[5]。本文重点完成了调度绞车电动机、执行机构以及制动系统的设计，并重点对制动系统的性能进行验证。并总结如下：

1）采用型号为YBJ11.4-4 电动机为调度绞车提供动力；

2）选用钢丝绳的型号为FC1770ZZ76.9，直径为11 mm，对应卷筒的直径为246.4 mm，每层钢丝绳的圈数为25 圈，钢丝绳的层数为14 层。

3）经对所设计制动系统的性能进行仿真得知：调度绞车制动系统的响应时间和制动力均能够满足其在实际工况的制动要求。