基于Simulink的带式输送机复合制动系统的研究

李利青

（山西潞安环保能源开发股份有限公司漳村煤矿， 山西 长治 046204）

引言

目前，虽然各类清洁能源的应用比例和范围不断扩大，但煤炭资源依旧是国民经济发展的支柱性能源资源之一，全球对煤炭资源依旧保持着旺盛的需求，各大煤炭生产企业都在不断提升煤炭资源的产能，加大煤炭资源的供应。随着煤矿井下综采效率的不断提高，对带式输送机设备也提出了更高的要求，越来越多的大倾角、高带速、长距离、大运量的输送机系统不断投入使用，在带来煤炭输送效率迅速提高的同时，也频繁出现输送机在运输过程中发生故障，制动系统制动失效，导致输送带上的物料堆积到巷道底部、机架损坏等，造成严重的经济损失[1]。分析发现，对大倾角、高带速、长距离、大运量的输送机系统采用的依旧是单一的机械制动或者液压柔性制动，以上制动方式在独立工作状态下无法满足对重载、大倾角、长距离的输送机系统的制动要求，因此需要针对性开发一种新的制动系统，以满足对重载、大倾角、长距离的输送机系统的制动要求，提高煤矿生产的安全性。

1 复合制动系统的组成及工作原理

经对多种制动装置工作原理、制动特性的分析，本文选取了盘式制动装置及液压软制动装置作为该复合制动系统的组合。

盘式制动装置又称盘闸[2]，该制动装置是利用储存在制动头内的高压油液将制动装置的碟簧进行压缩时制动片向两侧张开，在正常工作时液压系统一直处于保压状态，制动装置与电机轴上的制动盘不接触，输送机系统正常工作，当开始制动时液压系统的回路接通，储存在制动头内的油液按一定的速度流回到油箱，摩擦片在碟簧的作用下和制动盘接触，并不断增加作用在制动盘上的正压力，最终实现对输送机系统的制动，其低速制动性好，且在低速制动时不会产生火花，发热量也较小。

液压软制动装置是利用能量转换原理实现制动的设备，在工作时软制动装置依靠刹车变量泵把输送机在减速时的惯性和动能转换为液压油的压力，最后系统再将液体的压力能转换为液体的温升，通过油箱实现液压油的冷却。该制动装置在整个制动过程中不会直接摩擦，因此不会产生火花，制动力矩可调，高速制动时平稳性较好，在低速制动时液压流量波动大，制动可靠性差。

根据以上两种制动方式的特点，本文设计的复合制动系统的整体结构如图1所示。

图1 复合制动系统三维结构示意图

在该复合制动系统中，当输送机在高速运行时发生异常需要急停，则由液压软制动装置对输送机系统进行制动，直到输送机的运行速度降低到系统设定的临界值时，控制系统断开液压软制动装置，同时启动盘闸制动装置工作，直到系统完全停止运行。

2 复合制动系统数学模型的建立

该复合制动装置在执行制动时包括高速制动阶段（此时电机的转速ω大于系统设定的临界转速ω1）、低速制动阶段（此时电机的转速ω小于系统设定的临界转速ω1）和稳车制动阶段（此时电机的转速ω为0，此时盘式制动装置单独作用，对输送机进行稳车），三个阶段的受力分析如图2所示。

图2 制动时输送机主轴各阶段的受力情况

根据图5，可建立该复合制动系统的数学模型[3]：

式中：Ta为刹车泵制动时的输入力矩；Tb为输送机下滑时的惯性力；R2为驱动电机转轴的半径；I为电机转轴、联轴器、减速器、传动滚筒、托辊转动惯量之和；i为减速器的传动比；V为电机转轴的线速度；ω为电机转轴的角速度；MZ为盘式制动装置的制动力矩。

3 复合制动系统仿真模型的建立

为了验证复合制动系统的制动效果，利用Simulink仿真分析模块[4]对其制动时的动态特性进行分析，根据所建立的复合制动系统的数学模型，建立如图3所示的仿真分析模型，在系统中设置了制动方式自动切换模块，将切换时的电机转速设置为ω1=600 r/min，分析时设定当输送机系统完全停止运行后，在驱动电机内部仍然存在着一定的转动惯量，用于模拟在实际工况下输送机停车后在煤炭和输送带自身重力作用下所存在的下滑力矩，设定驱动电机的初始转速为1 440 r/min。

4 复合制动系统的仿真分析

根据实际工况设定相关仿真分析参数，仿真分析结果如图4、图5、图6所示。

由图4可知，输送机驱动电机工作转速为1 440 r/min，输送机平稳运行，在第10 s系统发出制动指令后，液压软制动装置首先开始利用输送机下滑时的动力逐渐将其转化为制动压力，当压力达到一定程度时，刹车泵开始进入制动状态，随着时间的增加其制动力矩不断增大，直到达到稳态值后系统维持输送机进行横减速制动，当电机转速降低到600 r/min后，液压软制动装置因流量波动开始出现震荡，此时系统断开软制动装置，使盘式制动装置开始执行制动，直到电机转速为零后，此时液压软制动装置的制动力矩也降低为零，盘式制动装置开始执行稳车工作。

由图5、图6可知，在复合制动系统的作用下，带式输送机在工作时能够实现恒减速的制动，在制动过程中制动力矩平稳，制动及时、有效，可靠性高。

图3 复合制动系统的仿真分析模型

图4 复合制动下的转速—转矩变化曲线

图5 复合制动下的转速—减速度变化曲线

图6 复合制动下的转速—复合转矩变化曲线

5 结论

仿真试验结果表明，利用该复合制动系统可实现在高速运行时依靠液压软制动独立进行恒减速制动，当速度降低到一定值时，启动盘式制动装置的制动及稳车，该复合制动系统的制动流程合理、有效，制动效果明显。