煤矿用防爆电梯闸瓦发热问题分析与改进

郭昊琛

（山西兰花科创玉溪煤矿有限责任公司，山西 晋城048214）

引言

电梯作为一种机电一体化设备，应用范围越来越广泛，对其运行的安全性和可靠性要求也越来越高[1]。电梯运行的稳定性不仅关系着运输人员、货物等是否能够顺利完成输送任务，还关系着人员的生命安全以及企业的正常工作。随着煤炭行业的发展，对电梯的防爆性能提出了更高的要求，本安型防爆技术的发展，将其与在用电梯结合，出现了防爆电梯，并且在煤炭行业得到了较为广泛的应用[2-4]。防爆电梯提高了煤炭企业工作的效率，保证了相关工作人员的安全，但是连续工作过程中需要经常启停，运行维护过程中发现其闸瓦经常出现发热问题[5]。闸瓦发热会使防爆电梯产生安全隐患，降低防爆性能，尤其是应用于周围环境中存在一定浓度瓦斯的情况下，必须引起高度重视[6]。因此开展防爆电梯闸瓦发热问题的分析，对于提高防爆电梯的安全性具有重要的意义。

1 防爆电梯研究现状

早期出现的防爆电梯考虑的主要问题是如何防爆，其中涉及到电气和机械两个方面的内容。电气防爆技术是尽量避免电气元器件控制过程中出现火花和高温，通过对电气元件进行包装，在其内部充斥惰性气体的方式实现隔爆。该技术实施过程中结构复杂、运维工作繁琐、性价比低，因此后来逐渐被本安型防爆技术取代，简化了电气控制系统的结构组成，降低了后续运行维护成本，现已取得了较为广泛的应用。机械防爆技术主要考虑电梯中个别经常碰撞金属件或者区域，包括绳头组合的下垫片，为了防止碰撞过程中出现花火，设计采用了非敏感材料制备，同理情况下导靴靴套的上下挡板采用了青铜制备。该技术虽然能够将电梯运行过程中极易出现碰撞的零部件改成不产生火花的材料制备，但是忽略了电梯连续运行过程中可能出现的相互摩擦情况，摩擦生热会增加引起爆炸事故的可能，尤其是防爆电梯制动系统。闸瓦作为制动系统的重要组成部分，连续使用过程中摩擦生热现象较为明显，因此有必要进行深入的分析。

2 闸瓦温度分布仿真分析

ANSYS有限元仿真分析软件具有极其全面的仿真功能，闸瓦的分析采用了软件自带的热力学分析模块，通过设置合适的仿真参数即可实现闸瓦制动过程中的发热情况及其分布。ANSYS有限元仿真软件主要包括前处理模块、求解模块和后处理模块，具体分析步骤如下：三维模型建立→网格划分→载荷和约束的施加→求解分析→结果显示。

2.1 三维模型的建立

研究的制动系统为对称式双闸瓦式制动器，当电梯运行过程中需要进行制动时，由控制系统发出控制指令，驱动闸瓦向制动轮靠近，达到闸瓦紧抱制动轮产出摩擦阻力的目的，实现电梯的制动。具体制动系统结构如下页图1所示。因其为对称结构，分析过程中仅需建立单片闸瓦三维模型即可，闸瓦结构组成为两个同心的圆柱体，其中大小半径分别是175 mm与150 mm，闸瓦的宽度尺寸为120 mm，包角角度为77°，基于此完成了单个闸瓦的三维模型的建立。将建立完成的闸瓦模型导入ANSYS仿真分析软件进行网格的划分，为了保证网格划分的质量，提高仿真计算的效率，选择映射网格划分方法完成闸瓦网格的划分，如下页图2所示。

2.2 载荷与约束施加

仿真过程中将闸瓦的初始温度设置为25℃，摩擦面为闸瓦内侧表面，包括该表面上的所有节点。闸瓦运行过程中的热流密度值为91 500 J/（m2·s），选择瞬态热分析，设置求解时间子步为0.01 s、求解时间为1.7 s，分析时采用双精度求解，将载荷设置成阶跃形式。完成载荷和约束的施加之后即可调用ANSYS软件自带的求解器进行仿真计算。

图1 电梯制动系统组成

图2 闸瓦网格划分结果

2.3 仿真结果与分析

等待完成仿真计算之后调取结果，闸瓦的温度分布云图如图3所示。由图3可以看出制动系统运行过程中闸瓦的底面温度基本没有变化，依然为最初的设置温度25℃，而摩擦表面的平均温度升高了30℃，达到了55℃。制动系统工作过程中闸瓦固定，制动轮旋转运动，由闸瓦的结构可知当闸瓦与制动轮抱紧的过程中首先接触的位置是热量产生的主要位置，也是模型载荷施加的起始位置。由分析结果可以看出闸瓦制动过程中的最高温度出现了闸瓦的底部，温度达到了92.5℃。

图3 闸瓦温度（℃）分布云图

煤矿行业相关规定要求防爆电梯运行过程中的局部升温不能超过100℃，保证防爆电梯的安全可靠运行。由仿真分析结果可以看出其最高温度已经接近规定要求的数值，如果在重载、长时间等特殊情况下很可能就会超出100℃，给电梯内部人员货物、煤炭企业环境带来安全隐患，甚至引发事故，因此有必要对其进行必要的优化改进，以降低闸瓦制动过程中的最大温升，保证其防爆性能。

3 闸瓦改进

3.1 闸瓦结构设计

根据本人的工作经验及查阅相关资料得出增加制动过程中闸瓦与制动器的有效接触面积可以有效改善闸瓦局部过热的问题。由闸瓦的具体结构可以发现影响闸瓦与制动轮接触面积的结构参数包括闸瓦的直径、宽度和包角等，通过改变上述结构参数的方法进行闸瓦结构的优化设计。基于此完成了4组不同闸瓦直径、宽度和包角参数的闸瓦结构设计，如表1所示，并且完成了有效接触面积和仿真分析所用热流密度的计算。由表1可以看出增加闸瓦的接触包角、直径和宽度能够有效提高闸瓦和制动轮的接触面积，降低表面的热炉密度。

表1 闸瓦结构尺寸参数

3.2 改进分析结果

完成闸瓦结构尺寸改进设计之后重新建立有限元仿真分析模型，设置与之前相同的载荷与约束参数，分别完成不同闸瓦温度分布情况的仿真计算。完成仿真计算的结果如图4所示。由图4可以看出闸瓦结构尺寸的改变并未对整个摩擦接触面的温升产生明显的影响，依然维持在55℃，但是随着闸瓦与制动器有效接触面积的增大，闸瓦表面的最高温度逐渐降低，4种结构尺寸的闸瓦的最高温度分别为80.9℃、70.7℃、63.1℃、58.1℃，最高温度降低趋势较为明显，可以证明通过增加闸瓦结构参数中的包角、宽度和直径，能够取得很好的改进效果。结合闸瓦实际应用情况，考虑闸瓦制备过程的经济性，选择3号闸瓦对应的结构参数进行当前防爆电梯制动系统的改造工作即可满足要求。

图4 改进闸瓦仿真分析结果

4 应用效果评价

基于以上改进结果完成了包角90°、宽度150 mm、直径360 mm闸瓦的加工制造工作，并且将其应用至了防爆电梯当中。为了闸瓦结构参数优化对于防爆电梯发热问题的改进效果，在其开始运行的半年时间内跟踪记录了闸瓦最大温度变化情况，统计结果如表2所示。由表2数据可以看出，改进之后的防爆电梯闸瓦工作过程中的月平均最大温度均处于62.9～64.5℃，与仿真分析结果一致。随着月份的增加，最大温度存在降低的趋势，可能原因是天气逐渐变冷，环境温度降低所致。总体看来通过增加闸瓦的包角、宽度、直径等结构参数对于降低闸瓦工作过程的发热问题的改进效果较为显著，也为今后相关设计工作提供了参考。

表2 闸瓦温度统计结果 ℃

5 结语

防爆电梯作为煤炭行业极其重要的升降设备，其运行的安全性和可靠性必须引起高度重视。针对某煤矿企业防爆电梯运行过程中闸瓦发热的问题，采用ANSYS仿真分析软件开展了闸瓦发热原因分析，结果表明闸瓦底部存在最高温度，温度值为92.5℃。之后通过改变闸瓦的直径、宽度和包角等参数，完成了闸瓦结构参数的优化设计，当包角为90°、宽度为150 mm、直径为360 mm时能够将闸瓦工作过程中的最高温度降低至63.1℃。应用结果表明，改进之后的闸瓦工作过程中实际最高温度在62.9～64.5℃范围之内变化，与仿真优化结果一致，取得了很好的改进效果，这对结构的实际改进设计起到了重要的指导作用。