矿用下运带式输送机制动装置的研究与应用分析

张锋

（阳泉市上社煤炭有限责任公司，山西 盂县 045100）

1 概 况

带式输送机是煤矿领域重要的辅助运输装置，由于煤矿井下生产环境复杂，部分运输巷道向下倾斜，在此环境下使用的输送机称为下运带式输送机。由于整体向下倾斜，使得煤矿物料自身重力变成一种驱动力，促使带式输送机加速向下运动，若不采取措施进行制动，输送机运行速度会越来越快，最终失控，出现所谓的“飞车”现象。一旦出现“飞车”现象，轻则影响煤矿的正常运输，重则威胁设备和人员安全。因此需采取措施对下运带式输送机的运行过程进行精确制动，确保皮带运行速度在安全范围以内。本文以上社煤矿DSJ120/100/2×315 型带式输送机为研究对象，在分析传统盘式制动器结构缺陷问题的基础上，对传统制动器结构进行优化改进。

2 制动装置的基本原理及布置情况

2.1 基本原理

制动装置是下运带式输送机的必备设备，不仅可以对启动及停车过程进行控制，紧急情况下可以对设备进行制动，避免出现飞车、滑车等现象，保障其安全。制动装置的基本原理是机械能与热能之间的转换，可将设备运行时的机械能转换成制动盘热能，最终耗散掉。制动装置运行时配合控制系统，利用传感器对皮带速度进行实时监测，并作为控制系统的反馈值，可以对带式输送机的运行速度进行精确控制，防止速度突变对设备造成冲击，提升设备的运行稳定性，降低故障率。

2.2 制动装置的布置

因为其工作原理，制动装置运行时会产生大量热量，导致装置温度快速上升。温度上升过快或过大会影响制动盘性能，给设备正常运行埋下隐患。根据《煤矿安全规程》中的相关规定，煤矿中使用的所有设备温度不得高于100 ℃。为避免制动盘温度过高，需要将制动装置设置在转速相对较低的位置，避免转速过高产生高温。基于此，此次研究将制动装置设置在低速轴上，如图1 所示。

图1 下运带式输送制动装置的安装位置示意Fig.1 Installation position of downward belt conveyor braking device

3 传统盘式制动装置存在的问题分析

上社煤矿DSJ120/100/2×315 型带式输送机原有的盘式制动装置属于油缸后置式，这是我国煤矿中使用较多的一种结构形式，如图2 所示。传统盘式制动装置结构相对简单，加工方便，但在上社煤矿实际应用中存在一些问题，主要表现在以下3 个方面。

（1）传统盘式制动装置中，主要通过中心轴1 承受碟簧力，在一些特殊工况条件下，碟簧力非常大，若中心轴力学性能不达标就容易出现断轴问题。

（2）传统盘式制动装置中有多个位置需要密封，具体为图2 标记2 所指位置。密封位置越多越容易出现泄露问题，影响设备正常工作，所以在上社煤矿实践中经常出现漏油现象。

（3）传统的盘式制动装置工作过程中对筒体与支撑、油缸与活塞、油缸盖与活塞这3 个部位的同轴度要求较高，即图2 中标记3 指向的3 个位置。若加工或装配时误差较大，则会影响装置的正常稳定运行，即上社煤矿实践中经常出现的卡闸现象。

4 盘式制动装置的结构改进研究

4.1 结构改进

针对传统盘式制动装置工作过程中暴露出的缺陷问题，基于笔者实践经验对结构进行了优化改进，以期在一定程度上缓解传统装置存在的问题。图3 为优化改进后的盘式制动装置整体结构。

图3 改进后的盘式制动装置结构Fig.3 Improved structure of disc brake device

与传统制动装置相比较，中心轴的功能利用12 根拉紧螺栓替代，12 根螺栓沿圆周方向均匀分布，确保特殊工况条件下结构的抗拉强度，避免出现断轴问题。新装置只对支撑与油缸、油缸与活塞2 个位置的同轴度有较高的要求，与传统装置相比减少了1 个，理论上说设备运行时出现卡闸的概率降低了1/3。另外，油缸与活塞之间只需要实施一次密封即可，降低了泄漏的概率。改进装置中设置有力传感器，可以对碟簧力大小进行实时监测，可以通过控制系统对制动过程进行更加精确的控制。

需要注意的是，具体应用时，图3 所示的结构装置需成对使用，对称布置在制动盘两侧，确保制动盘受力均衡。

4.2 制动装置基本工作过程分析

如图4 所示为改进后的盘式制动装置工作时的基本受力情况。盘式制动装置运行时的受力主要包括内部碟簧弹力FD、制动液压力Fp、机构运行总摩擦力Ff，制动装置作用在制动盘上的力FN=FDFp-Ff。内部碟簧弹力FD主要与闸瓦间隙△x1、碟簧预压缩量△x2这2 个参数有关，制动液压力Fp主要与油缸截面积和油压有关，机构摩擦力主要与法线方向正压力相关。

图4 盘式制动装置工作时的受力情况Fig.4 Force situation of disc brake device when it is working

当把制动装置对称地安装在制动盘两侧时，碟簧的预压缩量和刚度基本保持不变，油缸和活塞直径也基本不变，当机构之间润滑良好时几乎可忽略摩擦力的影响。根据制动装置制动力FN的计算公式可知，FN的大小主要受到液压力和闸瓦间隙的影响。闸瓦通常选用耐磨材料，具有非常高的耐磨性，短时间内的磨损量可以忽略不计，闸瓦间隙变化量相对较小，所以FN主要受液压系统提供液压力的影响。因此可知，制动液压力Fp与制动盘压力FN之间呈反比例关系，通过控制液压系统提供的制动液压力即可对制动力进行准确控制。

当制动液压力Fp较小时，在碟簧弹力的作用下，制动装置将处于工作状态，对制动盘进行制动；相反，当制动液压力Fp较大时，液压力与碟簧弹力相抵消，此时作用在制动盘上的力FN减小，下运带式输送机的制动效果减弱。据此达到带式输送机精确制动的目的。

5 制动装置的应用效果

为了验证改进后的盘式制动器的可行性和可靠性，根据设计方案将其运用到上社煤矿工程实践中，试运行1 a 左右，期间对制动装置的运行情况进行观察记录。结果发现，制动装置整体运行良好，未出现故障问题，可以对DSJ120/100/2×315型带式输送机的运行过程进行精确制动，之前上社煤矿偶尔会出现的带式输送机“飞车”现象没有再出现，为企业创造了很好的安全效益和经济效益。

6 结论

以上社煤矿中使用的DSJ120/100/2×315 型带式输送机制动装置为研究对象，在分析传统制动装置问题的基础上，对结构进行优化改进。

（1）制动装置主要利用制动盘和闸瓦之间的摩擦进行制动，工作时因摩擦会产生大量的热量，因此制动装置需要安装在低速轴上，以保障温度在安全规程要求的100 ℃范围内。

（2）传统制动装置工作时容易出现卡闸、断轴、泄露等问题，改进后的结构可缓解或避免上述问题，装置工作时通过液压油压力控制制动力，配合传感器可实现制动力的精确控制。

（3）将改进后的盘式制动装置应用到上社煤矿带式输送机工程实践中，经1 a 时间的实践应用表明，改进后的盘式制动装置达到了预期效果，期间再未出现“飞车”问题，安全效益和经济效益显著。