单轨吊制动车关键部件设计与分析

于 飞

（阳煤一矿掘二队， 山西 阳泉 045000）

引言

近年来，单轨吊车由于其便捷性和实用性在矿井中得到了大量使用，逐渐成为矿井生产必不可少的工具。单轨吊车通过悬挂好的特定轨道运行，不会被矿井中的恶劣环境所局限，产生噪声小、不易发生损坏、便于维修，而且能够直接达到运送地点。但随着矿井生产的日益标准化、科学化、现代化，急需一种能够与当前吊轨无缝衔接，并能在吊车超速失控下自动停车的制动系统以保证紧急制动的安全性、稳定性。本文设计了单轨吊系统的关键部件，并结合应用情况对其主要受力部件进行了探讨和论证。

1 关键部件设计

单轨吊由于需要在矿井的限制条件下使用，即使处于正常工作也不可避免要遭受到诸多恶劣环境的各种地质情况的局限。首先，制动系统需要满足煤矿安全规程中严格的防火防爆规定，这样对材料的选取就提出了很高的要求[1]。另一方面，在矿井中，巷道较为狭窄和杂乱，单轨吊运行环境差而且空间不大，所以要求制动系统总体尺寸不能过大，太大的话会影响其他工种的生产进行。

根据《煤矿安全规程》，单轨吊运行的最高速度不得大于2 m/s，当速度达到2.6 m/s时必须进行紧急制动防止失控[2]。本制动系统主要由限速管控装置、动作机构和液压缸等组成，其主要原理是利用核心技术检测单轨吊车行驶速度，当速度值跃过设计额定值后，过高的运转带来的惯性力触发限速管控装置，在动作机构和液压油缸的共同作用下，在制动闸载弹簧力的作用下紧贴轨道顶板产生较大摩擦力，实现紧急平稳制动。

单轨吊制动系统在设计和应用中存在一些不可避免的问题，由于主要依靠摩擦进行制动，而且所处空间极为有限，在刹车过程中可能会产生火花，甚至引发矿井安全生产事故，故各种材料的选取极为关键[3]。液压缸和弹簧组合使用给液压缸的选型和设计带来了挑战，既要考虑液压缸的自身效用的发挥，也要充分发挥和弹簧的组合功能。另外，制动器在运行过程中空转时间不得大于规定值，这就为制动系统的设计改进提出了更高的要求。单轨系统的悬挂轨道为类火车轨道的工字型断面，但二者的物理性质和化学成分等在很大程度上都存在不同。

1.1 限速管控装置设计

限速管控装置是监测单轨吊车行驶速度并进行超速运作的关键部件，是用于阻止车辆向前运动的核心构件，它不仅用于紧急制动，而且能在自身重力加载的情况下使车速保持稳定。针对生产实际要求，通常会设有三种制动形态，司机制动、紧急停车制动和刹车制动。限速管控装置主要组成如图1所示。自动降速通过将轨道速度传给紧连着的转轮，转轮装置里有弹簧等调节小部件，当监测到转速超过规定值后，滑块拉出弹簧进行刹车触发。

图1 限速管控装置结构示意图

制动器所用材料在选择时主要考虑两个方面，一是制动构件材料，二是所用摩擦片。煤炭行业对制动材料有明确的要求和限制条件，闸片不准使用橡胶和类橡胶材料，确保在制动时不会发生爆炸和失火情况的发生，所以本次设计采用带有铜粉末的新型合成材料，首先这种烧结材料在刚度方面能达到设计要求，同时保持了铜自身的延展性，而且，铜材料在使用时较难产生火花。对比橡胶等材料的导热性，铜基新型材料的导热性是常规材料的90倍还多，非常易于制动系统散热到矿井空气中，这样就能保持系统温度不会过高，减少了发生矿井火灾爆炸的危险隐患。

1.2 弹簧设计

弹簧种类形式多样，而考虑到圆形可压缩弹簧简单实用易于更换，所以选用圆形可压缩弹簧。当单轨吊处于正常运行速度时，滑块的角速度为40 r/s左右，离心力在4 000 N左右。而当达到最大超限速度2.6 m/s时，角速度达到了52 r/s，由此可得到离心力大小、弹簧受力以及弹簧刚度。所以最终选取刚度为0.25 N/mm，直径在0.5～6.0 mm的弹簧均能满足条件。弹簧是整个制动系统不可或缺的一环，弹簧的稳定应用能极大地保证刹车动作的顺利实现，所以必须使用高强度、较高弹性极限和抗屈服极限的材料；另外，还得经过特殊的热处理工艺，使其具备较高的延展性，通过比对市面各种材料，选择公认的各种性质优良的该型号材料。

1.3 液压缸设计

液压缸和弹簧的组合是刹车的动力来源，弹簧套在液压缸筒上进行压缩产生制动力来解决不同工况和不同系统的复杂要求，在刹车过程中，液压缸无疑会遭到较大冲击力，故往往需要焊接加固减少对液压缸的冲击破坏。

液压缸缸筒内径设计公式如下：

式中：D为内径；F为最大载荷，额定值F=60 kN；P为缸内压力；n=0.9，

经计算，缸筒内径取标准值为80 mm。

外圈直径取95 mm，缸筒材料选用硬质钢并经过特殊处理。

活塞杆是连接两个关键部件的中转装置，选用硬质钢并经特殊处理，综合考虑各种条件，并根据机械设计相关规定，选用直径为50 mm的活塞杆，经过强度和弯曲稳定性检验，设计的安全系数较高，强度和稳定性能够满足要求。

一般来说，刹车制动产生的阻力是最大动力的1.8倍左右，而矿井生产实际中，常使用好几个驱动元协同运行，这就需要考虑最大生产力来确定驱动个数。当前常用的单轨吊，额定生产力在20 kN。

2 关于制动摇臂部件的有限元计算

制动摇臂中段通过轴承处在机器架子上，上下分别连接控制闸和制动弹簧，弹簧的弹力本来很小，但利用杠杆原理作用后控制制动阀，能有效实现对单轨吊的平稳制动。为了充分验证摇臂的运行可靠性，通过建立几何模型进行强度检验，利用有限元计算，并通过网格进行单元格划分，每个空间设置为5 mm，通过材料属性进行工况设定，根据受力分析模型，当摇臂在制动状态下所承受的载荷无疑达到最大，模拟结果显示，摇臂下部和臂部相垂直的推力为33 kN，而摇臂上部要承受垂直于臂部的推力120 kN，中间通过滚动轴承固定并进行一个方向的活动和作业。当摇臂处在最不利的工作情况下，对此时制动摇臂的状态进行限制并逐步施加荷载。在受力软件模拟下，得出变形示意图和受力状态图。

通过模型可以看出，当处在最不利的工作条件下，制动摇臂所承受的最大应力为150 MPa，所用器具的屈服强度为350 MPa，刚度设计科学合理，且在满负荷条件下，最大形变量为0.90 mm，而且位置处在最下端，对单轨吊车所带来的影响较小，并不能够威胁吊车的可靠性。另外，比较摇臂的运作过程，液压缸受到压缩而弹簧座会受到弹力的反作用力，在分析液压缸和弹簧座的形变云图后，可知弹簧座的强度能够达到设计要求，而液压缸由于受力较大，虽然能够满足当前的设计强度，但考虑到安全系数和足够的可靠余地，需额外进行焊接加固，在受力较大处焊接钢板增大接触面减小压强避免液压缸带来的破坏和变形。

3 结语

为了充分论证所设置系统的科学性，准确掌握预测单轨吊工作过程中的形变大小，利用软件对摇臂、液压缸和弹簧座等核心构件建立模型导入软件表格中进行有限元计算。通过对结果比较分析可知，模拟结果和设计想要达到的理想结果基本一致，能达到刚度和强度要求，并能提升单轨吊在矿井中的运行可靠性，这种设计思路和矿井实际应用情况给同类设备的设计和应用提供了借鉴和参考。