邓宗岳，于歆婷

1沈阳职业技术学院 辽宁沈阳 110045

2沈阳煤业 (集团) 机械制造有限公司 辽宁沈阳 110123

大 功率永磁同步电动机和配套变频技术的发展使得永磁电动滚筒用于带式输送机驱动的方案得到进一步推广。与异步电动机相比，永磁同步电动机的功率因数和效率都较高，永磁电动滚筒集驱动电动机和驱动滚筒为一体，发挥了永磁同步电动机节能高效的优势，简化了机械传动环节，提高了机械效率。除此之外，该方案减小了设备空间占用，尤其适用于井下空间有限的采煤工作面的矿用带式输送机[1-2]。

传统的带式输送机采用异步电动机、耦合器、减速器、联轴器的驱动方案。而永磁电动滚筒将电动机和减速器集成在滚筒内，因此其制动通常采用盘式制动器。制动装置的性能直接影响到输送机的稳定运行和工作人员的安全，必须高度重视。

1 盘式制动器工作原理

沈阳煤业 (集团) 某矿的 DSJ100/63/2×200 带式输送机采用永磁电动滚筒的驱动形式，采用 2 个驱动滚筒，配套使用 4 个 KPZ1400/80 盘式制动器。驱动部分的布置如图 1 所示。

图1 驱动滚筒和制动器结构Fig.1 Structure of driving drum and brake

永磁电动滚筒带式输送机制动原理如图 2 所示，制动盘通过螺栓连接固定在驱动滚筒上，两侧装有制动闸片，制动闸片对制动盘的正压力取决于液压站的供油油压和碟形弹簧的作用力。在输送机工作时，液压站提供足够的压力，使得制动闸片和制动盘之间保持 0.5～ 1.5 mm 的间隙；在需要制动或断电等特殊情况下，油压降低，弹簧推动制动闸片夹紧制动盘，依靠闸片和制动盘间的摩擦实现制动[3-5]。

图2 盘式制动器原理Fig.2 Principle of disc brake

2 制动减速度计算

采用的带式输送机主要原始计算参数如表 1 所列。

表1 带式输送机主要原始计算参数Tab.1 Main original calculation parameters of belt conveyor

根据《带式输送机工程设计规范》可知，水平输送时，传动滚筒制动时的减速度

式中：FB为制动力，N；FU为传动滚筒圆周驱动力，N；mL为输送机运动部分总质量转换到输送带上直线运动的等效质量，kg；mD为输送机旋转部件转动惯量转换到传动滚筒圆周上直线移动的等效质量，kg；FH为主要阻力，N；FN为附加阻力，N；Fs1为特种主要阻力，N；Fs2为特种附加阻力，N；Fst为倾斜阻力，N；qB为输送带单位长度质量，kg/m；qG为单位长度输送带上的物料质量，kg/m；K1为托辊旋转部分质量转换为直线运动等效质量的转换系数，取K1=0.9；qRo、qRu为上、下托辊区间单位长度托辊的质量，kg/m；L为输送机长度，m；n为驱动单元数量，个；JiD为驱动单元第i个旋转部件的转动惯量，kg·m2；ii为驱动单元第i个旋转部件至传动滚筒的传动比；Ji为第i个滚筒的转动惯量，kg·m2；r为传动滚筒半径，m；ri为第i个滚筒的滚筒半径，m。

由于该机输送距离较长，附加阻力明显小于主要阻力，可以引入一个系数来考虑阻力，因此式 (2) 可变为[6-7]

式中：C为与输送带长度有关的系数；f为根据工作条件选取的摩擦因数；δ为运输倾角，(°)。

由设备相关参数并结合式 (3)～ (5)，计算可得mL=134 720 kg，mD=7 780 kg，FU=48 256 N。配套使用KPZ1400/80 盘式制动器，其制动力矩为 80 kN·m，则制动力FB=1.23×105N。

在制动时，液压油完全泄压，此时制动力完全用于制动，则将以上数据代入式 (1) 可计算出制动减速度aB=1.2 m/s2。根据带速v=2 m/s 可得制动时间tB=1.7 s。

为了避免溜槽堆煤，并考虑到紧急情况下的安全，制动需尽快实现。但停车也不是越快越好，制动减速度过大会引起输送机喘振，设备不稳，造成设备零件损坏。因此，带式输送机允许的制动减速度范围通常在 0.1～ 0.3 m/s2[8-10]。对比计算所得数据可知，制动时的减速度过大，正常工作时，应使带速降至30% 时再进行制动[11-13]。

3 基于 SolidWorks Motion 的制动过程仿真分析

3.1 仿真模型建立

永磁电动滚筒带式输送机配套盘式制动器实际安装如图 3 所示，每个永磁电动滚筒有 2 个制动盘，制动盘通过螺栓固定于滚筒两侧。制动器固定于制动器座上。整机有 2 个驱动滚筒，因此共有 4 个制动器对其进行制动。

图3 制动器安装示意Fig.3 Sketch of brake installation

为简化计算和提高计算速度，在 SolidWorks 中建立 1 副盘式制动器的简化模型，如图 4 所示。制动盘外径为 1 400 mm，材料为普通碳素结构钢，制动闸片材料为无石棉树脂。未制动时，液压系统压力抵抗碟形弹簧的弹力，使得制动闸片和制动盘的距离保持在 1.5 mm；制动时，液压系统泄压，制动闸片在碟形弹簧的弹力作用下夹紧制动盘[14]。制动盘和制动闸片的材料参数如表 2 所列。

图4 盘式制动器简化模型Fig.4 Simplified model of disc brake

表2 制动盘和制动闸片材料参数Tab.2 Material parameters of braking disc and braking pad

设置好材料，根据带速计算制动盘的转速为 38 r/min，在制动盘上添加旋转马达，设置马达转速为38 r/min。制动盘旋转 1 s 后，给制动闸片施加碟形弹簧弹力 180 kN。在弹力作用下制动闸片向制动盘移动，夹紧制动盘后开始进行制动。根据两者的接触情况和接触面材料，设置接触时的动态摩擦因数µk=0.46、静态摩擦因数µs=0.5。

3.2 仿真结果分析

设置好计算所需的时间和帧数，添加制动盘角速度和摩擦力，之后进行运算。

制动盘的角速度变化曲线如图 5 所示。在第 1.0 s内未进行制动，制动盘保持匀角速度转动。从第 1.0 s开始施加制动力，在约第 1.2 s 时制动盘角速度开始快速下降，在约第 3.0 s 时角速度降为 0，制动盘停止转动。

图5 制动盘角速度变化曲线Fig.5 Variation curve of angular velocity of braking disc

制动盘和制动闸片之间的摩擦力变化曲线如图 6所示。制动开始前制动力为 0，在制动开始时刻制动力快速上升，制动盘与制动闸片之间克服最大静摩擦力发生运动，之后由于制动盘的惯性，进入滑动摩擦阶段，摩擦力保持恒定，直至制动盘停止后摩擦力又降为 0。

图6 摩擦力变化曲线Fig.6 Variation curve of friction

通过仿真结果可知，该型盘式制动器的制动时间和理论计算值近似，制动摩擦力符合实际变化规律，同时也验证了液压系统完全泄压制动后制动减速度过大。因此，在实际使用过程中，可在控制系统中设置，使带速降至 30% 时再进行制动，或者调整碟簧的调节螺母，根据实际使用情况适当降低制动力[15]，以免造成输送机喘振及设备不稳，引起设备零件损坏。

4 结论

永磁电动滚筒驱动带式输送机具有节能高效、传动效率高、易于维护、空间占用小等优点。输送机的制动性能对整机的安全稳定运行至关重要，借助理论公式计算了制动过程的减速度。但由于永磁电动滚筒在低速区间运行，且没有传统驱动系统中的减速器和联轴器等环节，其转动惯量小，因此直接制动时减速度过大，会造成不良后果。

通过对比实际的制动器，在 SolidWorks Motion中建立了制动系统的简化模型，并对制动过程进行了仿真，结果验证了理论计算的正确性。理论计算和仿真结果对制动器设计具有一定的参考价值，为该型永磁电动滚筒驱动带式输送机在煤炭企业生产的正确使用提供了参考，对于设备的安全操作也具有一定的指导意义。