仿真平台毕业设计论文解析

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摘要

目前我国许多煤矿矿井已经转向中、深部开采，矿井提升设备作为煤矿的关键设备，在矿井机械化生产中占有重要地位。制动器是提升机(提升绞车)的重要组成部分之一，直接关系着提升机设备的安全运行。

在对提升机的制动器选型过程中，因鼓式制动器是应用较多的一种传统制动器，它以其独特的优点及良好的安全性能被广大用户认可，特别是在结合了液压系统和PLC 控制之后，液压系统和PLC 超强的控制性能为鼓式制动器的应用提供了巨大的工作平台。制动盘的制动力，靠油缸内充入油液而推动活塞来压缩鼓式弹簧来实现。

液压鼓式制动器作为传统制动器，具有许多优点，所以它在现代多种类型提升机中仍获得广泛的应用。它具有它造价便宜，而且符合传统设计等特点，对生产安全具有重要意义。

关键词：提升机；制动器；设计；液压传动

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目录

摘要 (1)

1矿井提升机系统仿真平台了解分析 (4)

1.1系统介绍 (4)

1.2系统结构 (5)

1.3工作原理 (7)

2 制动系统的作用及要求 (9)

2.1制动系统的作用 (9)

2.2制动系统的要求 (10)

3 制动器结构方案分析 (10)

3.1提升机的选用 (10)

3.2制动器的类型选择 (11)

3.2.1 块式制动器 (11)

4 块式制动器主要参数的确定 (13)

4.1 制动盘的厚度h及制动鼓D (13)

4.1.1制动盘的厚度h的确定 (13)

4.1.2 制动鼓内径D的确定 (13)

4.2 摩擦衬片宽度b、包角 和摩擦系数μ (14)

4.3及传动杠杆系统确定 (15)

4.4制动盘工作面的加工精度要求 (15)

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5块式制动器主要参数计算 (15)

5.1块式制动器所需制动重锤质量 (15)

5.2重锤块数 (16)

5.3 校核是否会自锁 (16)

6 块式制动器主要结构元件 (15)

6.1 制动鼓 (19)

6.2摩擦衬片 (20)

7 结论 (22)

设计心得 (23)

参考文献 (25)

致谢 (26)

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1、矿井提升机系统仿真平台了解分析

1.1系统介绍

矿井提升机系统自动控制高仿真平台以提高提升效率、节能降耗、安全运行为设计理念，针对交流提升系统进行仿真设计。

该系统完全模拟井底煤仓装载、定量称重和箕斗自动装载、井上煤仓卸载及提升机全自动提升过程。可分别实现提升机全自动运行控制和手动控制。在控制面板上还包括了信号系统和故障模拟功能，具备以太网通讯功能，可实现与集中控制平台的连接。系统示意图如图1-1所示。

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图1-1 仿真平台布局示意图

1.2系统结构

整个系统分为机械部分和电气控制部分，机械部分包括提升用交流电机、滚筒、天轮、井架、提升箕斗、钢丝绳、装卸载机构、摩擦轮等设备；电气部分包括西门子S7-300

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6 PLC 、变频器、位置传感器、轴角编码器、控制面板、触摸屏和控制软件等。如图1-2所示。

图1-2 自动控制仿真平台系统结构图

系统工

作示意

图

控制

面板 提升

系统

系统

框架

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1.3工作原理

该提升机系统属于多绳摩擦式提升系统，靠摩擦轮与钢丝绳之间的摩擦力传动。摩擦式矿井提升机适用于凿井以外的各种竖井提升。提升绳搭挂在摩擦轮上，利用与摩擦轮衬垫的摩擦力使容器上升。提升绳的两端各连接一个容器，或一端连接容器，另一端连接平衡重。为提高经济效益和安全性，摩擦式矿井提升机采用尾绳平衡提升方式，即配有与提升绳重量相等的尾绳。尾绳两端分别与两个容器（或容器和平衡重）的底部连接，形成提升绳-容器-尾绳-容器(或平衡重)-提升绳的封闭环路。容器处于井筒中的任何位置时，摩擦轮两侧的提升绳和尾绳的重量之和总是相等的。

“矿井提升机实训仿真平台”的整个工作过程是由一个主电机带动，通过联轴器带动主天轮转动，主天轮通过钢丝绳在摩擦力的作用下带动两个副天轮转动，钢丝绳的两端分别连着左右萁斗，这样完成了矿井提升机的上下提升运动（图4）。

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提升机中的萁斗在上下提升运动过程中主要进过几个阶段：（一）、加速阶段，萁斗在装满煤后速度在不断增加这段时间很短；（二）、匀速阶段，萁斗在加速阶段后，速度达到额定速度后就不会再增加，一直以这个速度提升，这个过程时间较长，路程也最长；（三）、减速阶段，其都经过减速开关后，就一直在减速，这段时间也很短；（四）、爬行阶段，萁斗经过减速阶段速度达到爬行速度，萁斗就一直以这个速度提升，直到萁斗到达停车点时，萁斗速度就会立即减为零，萁斗停止。

提升机的南、北皮带是由一个电机带动，完成运输过程的。煤炭由采煤机踩得，经过运输皮带进入主煤仓，

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再由主煤仓到达南、北皮带，经过南、北皮带进入定量仓，最后进入萁斗提升机，完成了煤炭的装载过程。煤炭由其都提升到井上，卸载到井上煤仓，完成煤炭的卸载过程。

2、动系统的作用及要求

现代矿井提升机的制动系统是所有提升设备中最重要、最复杂的装置。它由制动器和传动机构组成。制动器是直接作用于制动轮或者制动盘上产生制动力矩的部分，按其结构可分为盘式制动器和块式制动器等。传动机构是控制兵调节制动力矩的部分，新型号提升机采用油压盘式闸制动系统，旧型号提升机采用油压或气压块式闸制动传动系统。

2.1制动系统的作用

(1)保证提升容器按给定状态运动，并在需要的位置制动—工作制动。

(2)在可能造成事故的不正常工作状态下，紧急制动以保障人员和设备的安全—紧急制动。

(3)更换水平调节绳长时，制动活卷筒。

(4)工作制动、紧急制动都可以用手动或自动。手动操作时，由司机进行；自动操作时，紧急制动由提升设

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10 备的保护装置进行，工作制动由行程调节器进行。

2.2制动系统的要求

(1)提升机除有制动装置外，还装有z M 定车装置，一边在调整卷筒未知时使用。

(2)全部制动力矩,不得小于提升机最大设计静载荷所需转矩的3倍，即：

M M 3≥m a x j (3)一副制动器的制动力矩'z M 应大于调绳力矩ji M 的1.2倍，即：

ji z M M 2.1'≥

(4)紧急制动时，对于提升重物，减速度必须小于5m/s 2

;对于下放重物，减速度应大于1.5m/s 2。

(5)对于摩擦轮式提升，紧急制动时的减速度不应使钢丝绳在摩擦轮上产生滑动。

(6)紧急制动闸必须采用配重式或弹簧是的制动装置。

(7)当井筒倾角在300

以下时，制动力矩的倍数必须符合要求。

3、制动器结构方案分析

3.1提升机的选用

KJ 型（φ4.8?4多绳摩擦轮）提升机是基于挠性体

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摩擦传动原理实现的。它利用提升钢丝绳与驱动共同滚筒之间的摩擦力拖动提升容器在井筒中往复运行，加之采用多根钢丝绳共同承担载荷的方式，因而多绳摩擦提升机具有以下优点：

(1) 提升机体积小；

(2) 钢丝绳断绳的危害性减小；

(3) 提升高度大。

3.2制动器的类型选择

3.2.1 块式制动器

块式制动器一般都是闸块压在提升机滚筒的制动轮上而产生制动力矩，出于闸块与制动轮的作用方式差别，块式制动器有角移式、平移式和综合式之分。

图(a)是角移式块闸的原理图,两个闸瓦块始终绕基座上的固定铰接点转动，故名为角移式。当制动动力向上拉三角块杠杆时，杠杆的联动会产生连杆拉力，从而迫使块闸压向制动轮，产生制动力；当外动力使三角块向下压时，连杆的压力则使块闸分离开制动轮，即达到松闸的目的。

图(b)是常见平移式块闸的原理图，两个闸瓦始终由一连杆在其中心铰接，连杆的另一端则与基座铰接。两个闸瓦块的端头用杠杆系统约束起来，在三角块杠杆是上提作用下，各连杆内部的拉力使两闸块压向制动轮，从而产生制动力；当三角块杠杆下放时，各连杆内部的

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12 压力迫使闸块与制动轮分离。由于闸块是在连杆转动时压向制动轮的，故闸块是整体平移运动，故称之为平移式。

图(c)是综合式闸块的一种形式，由于闸块与角移杆铰接，又与基座连杆铰接，故有些相似于四连杆平行移动机构，但闸块压向制动轮的运动都是靠角移杠杆带动的，所以综合式块闸是介于角移式和平移式之间的一种闸块。

块式制动器原理如图3-1所示：

力

安全制动缸

（a ）角移式；（b ）平移式；（c ）综合式

(a)—角移式；(b)—平移式；(c)—综合式 图3-1 块式制动器原理

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4、块式制动器主要参数的确定

4.1 制动盘的厚度h 及制动鼓D

4.1.1制动盘的厚度h 的确定

由于一般实心制动盘厚度可取为10—20mm ，通风式制动盘厚度取为20—50mm ，采用较多的是20—30mm ，为此我取h=25mm 。

4.1.2 制动鼓内径D 的确定

输入力Fo 一定时，制动鼓内径越大，制动力矩越大，且散热能力也越强。但D 的增大受轮辋内径限制。制动鼓与轮辋之间应保持足够的间隙，通常要求该间隙不小于20mm ，否则不仅制动鼓散热条件太差，而且轮辋受热后可能粘住内胎或烤坏气门嘴。制动鼓应有足够的壁厚，用来保证有较大的刚度和热容量，以减少制动时的温升。制动鼓的直径小，刚度就大，并有利于保证制动鼓的加工精度。制动鼓直径与轮辋直径之比D/Dr ，对于才乘用车其值在0.64~0.74的范围内。取其值为0.7.从提升机整体参数中可知轮辋直径Dr 为13英寸，即为390.2mm ，则可得制动鼓直径：

mm D D r 14.3012.3907.07.0=?==

按QTC309-1999标准取其为300mm

mm D R 1502/3002/===

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14 4.2 摩擦衬片宽度b 、包角θ和摩擦系数μ

1） 摩擦衬片宽度尺寸b 的选取对摩擦衬片的使用寿命有影响。衬片宽度尺寸取窄些，则磨损速度快，衬片寿命短；若衬片宽度尺寸取宽些，则质量大，不易加工，并且增加了成本。设计时，一般b/D 取值范围在0.16~0.26，取其值为0.25，则可得摩擦衬片的宽度：

mm D b 7028025.025.0=?==

根据制动衬片宽度尺寸系列标准QC/T309-1999选b 值为70mm 。

2） 试验表明，摩擦衬片的包角θ在00100~90之间时，磨损最小。制动鼓温度最低，制动效能最高。减小θ角，有利于散热，但单位压力增大，磨损加剧；增大θ角延伸两端的衬片，以减小单位压力的作用也不大，此时包角两端处单位压力较小；θ过大，制动作用不平顺，包角一般不宜大于120o 。综上所述，选取包角θ为100o 。

衬片摩擦面积A p

制动鼓半径R 确定后，摩擦衬片宽度尺寸b 确定后，便可求出衬片的摩擦面积：

根据国外统计资料分析，此数值符合所选提升机类别的制动器总质量对应的单个制动器总的衬片摩擦面积的范围。

3）根据产品SY-1107规格选摩擦衬片摩擦系数μ为0.4

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15 4.3及传动杠杆系统确定

提升机为KJ2D 3.25??型，其静力矩m N M i .75000=，制动环直径m D x 8.4=，制动器传动杠杆系统：m l 4.21=,m l 6.02=,m l 2.13=和m l 4.04=

4.4制动盘工作面的加工精度要求

平面度公差为0.012mm ，表面粗糙度Ra 值为0.7—1.5μm ，两摩擦表面的平行度公差不应该大于0.05mm ，制动盘的端面圆跳动公差不应大于0.03mm 。为保证足够的强度和耐磨性能，其牌号不应低于HT250。

5、块式制动器主要参数计算

矿井提升机的制动完全靠重锤的质量，松闸时则靠油压力。为使制动系统能准确儿可靠工作，利用重锤进行紧急制动和工作制动时，应根据所需制动力矩大小来确定重锤的质量，通常采用杠杆比的方法。

5.1块式制动器所需制动重锤质量

根据矩M 的大小可求出钢绳上的静拉力

i F 为：

i F =N D M i 3000057500022=?=

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16 制动力矩x M 为：

m N M M i x .2250007500033=?==

将得出的值代入公式

g l l l l D f D F G x x i x

??=423143η …………………………（5.3.2）

得出所需重锤的质量x G 为：

kg g l l l l D f FD G x x i x 6201012.14.24.06.08.49.035.045300003434231=?????????=??≥η

5.2重锤块数

因为重锤质量kg G x 620≥

求出重锤块数q n 为：

块2.6100620==q n

取整数7块，则制动重锤质量为700kg

5.3 校核是否会自锁

计算鼓式制动器，必须检查蹄有无自锁的可能，分析当

0)si n (c o s 111`=-+R c μδμδ

此时蹄会发生自锁现象，如果1

`11`s i n c o s δδμc R c -?，就不会有

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自锁现象，因此，制动蹄不发生自锁现象的条件是：

1

`11`s i n c o s δδμc R c -? ………………….（5.3.1） 在计算时首先要求出`

c 、R1和1δ的值。 2.10132962222`=+=+=c a c

R1是摩擦力fF1的作用半径，其公式为

2```2``````1)

2sin 2sin 2()2cos 2(cos )

cos (cos 4ααθαααα+-+--=R R …（5.3.2） 式中 000`

00`6.214.1840arcsin 402=-=-=--=c c αθ

πα 0100=θ

000```6.1216.21100=+=+=αθα

mm R 150=

将以上所求和已知的数值代入（5.3.2）中便可得R1=164.15mm

0``````11.13])

2sin 2sin 2()2cos 2(cos arctan[=+--=ααθααδ 将以上所算得的`

c 、R1和1δ的值代入（5.3.1）中，可以求出

1`11`s i n c o s δδc R c -=89.01

.13sin 2.10115.1341.13cos 2.10100=?-

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18 由于88.04.0?=μ，则可以断定所选数据不会使制动蹄发生自锁现象。

图5-1 制动力矩计算简图

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图5-2 张开力计算简图

6、块式制动器主要结构元件

6.1 制动鼓

制动鼓应当有足够的强度、刚度和热容量，与摩擦衬片材料相配合，又应当有较高的摩擦因数。制动鼓有

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铸造的和组合式两种。铸造制动鼓多选用灰铸铁制造，具有机械加工容易、耐磨、热容量大等优点。组合式制动鼓的圆柱部分可以用铸铁铸出，腹部部分用钢板冲压成型；也可以在钢板冲压的制动鼓内侧，镶装用离心浇铸的合金铸铁组合构成制动鼓；或者主体用铝合金铸成，内镶一层珠光体组成的灰铸铁作为工作面。对于组合式制动鼓的共同特点是质量小，工作面耐磨，并有较高的摩擦因数。根据设计的领从蹄式制动器应用场合，以及考虑成本问题，选用铸造的，根据经验，对于提升机，制动鼓壁厚取为10mm。通过前面参数选取，可知制动鼓内径D为300mm。

6.2摩擦衬片

摩擦衬片的材料应满足如下要求：

（1）具有一定的稳定的摩擦因数。在温度、压力升高和工作速度发生变化时，摩擦因数的变化尽可能小。

（2）具有良好的耐磨性。

（3）要有尽可能小的压缩率和膨胀率。压缩变形太大影响制动主缸的排量和踏板行程，降低制动灵敏度。热膨胀率过大对制动器衬片受热膨胀消除间隙后，可能产生咬死现象。

（4）制动时不易产生噪声，对环境无污染。

（5）应采用对人体无害的摩擦材料。

（6）有较高的耐挤压强度和冲击强度，以及足够的抗剪切能力。

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