采煤机液压盘式制动器试验台的研制.pdf

西安科技大学 硕士学位论文 采煤机液压盘式制动器试验台的研制 姓名呼靳宏 申请学位级别硕士 专业机械设计及理论 指导教师周新建 20080415 论文题目 专 业 硕士生 指导教师 采煤机液压盘式制动器试验台的研制 机械设计及理论 呼靳宏 签名 ] 鱼望暨堕 周新建 签名 摘要 采煤机制动器安装在采煤机牵引电机轴的端面上，是用来减速或停止采煤机行走的 制动设备，其性能的好坏直接影响采煤机工作的安全性和可靠性。由于目前缺少对采煤 机制动器性能的检测设备，因此研制采煤机液压盘式制动器试验台具有非常重要的工程 意义。 本论文结合采煤机制动器的特点，研制了采煤机液压盘式制动器试验台。本课题研 究的主要内容包括以下三个方面 1 应用有限元软件A N S Y S l 0 ．0 对制动过程中采煤 机制动器前端面和摩擦副的温升进行了数值模拟分析，为温度传感器的布置和温度的检 测提供了理论依据；通过对试验台惯性负载大小的确定、惯量模拟方式的选择，设计了 惯性飞轮系统，并在此基础上，确定了驱动电机的功率，设计了制动器检测箱、磨损量 检测机构和主轴等机械装置，完成了试验台机械部分的设计。 2 对试验台测控部分进 行了硬件和软件的设计，实现了电机调速、数据采集、数据存储、串口通信等功能。在 硬件设计方面，该系统选用了8 0 5 1 F 0 0 5 单片机作为控制核心，并设计了相关电路；软 件设计方面主要包括单片机程序设计和上位机程序设计。其中，上位机采用虚拟仪器软 件L a bw i n d o w s ／C V I 进行编程，设计了试验台测控系统的人机交互界面。 3 参考国 标Q C ／T 4 7 9 ．1 9 9 9 货车、客车制动器台架试验方法对制动器进行试验，测出了采煤机 制动器制动时的力矩、转速以及摩擦片的温度和磨损量，完成了采煤机制动器性能的检 验与测试，为采煤机液压盘式制动器产品质量、使用安全、可靠性提供了保证。 关键词试验台；液压盘式制动器；C 8 0 5 1 F 0 0 5 ；加载方式 研究类型应用研究 S u b j e c t R e s e a r c ho nt h e T e s tB e n c ho fS h e a r ’SH y d r a u l i cD i s cB r a k e S p e c i a l t y M e c h a n i c a lD e s i g na n dT h e o r y N a m eH uJ i n - h o n g I n s t r u c t o r Z h o uX i n - j i a n A B S T R A C T S i g n a t u S i g n a t u r e Z 厶锄X 亟；妥丝 S h e a r ，sd i s cb r a k ei sl o c a t e da tt h ea x l ee n df a c eo fe l e c t r i c a ls h e a r e r , i ti su s e dt o d e c e l e r a t eo rs t o pt h em o v i n ga p p a r a t u so ft h es h e a r s ，a n di t sp e r f o r m a n c ea f f e c t st h es a f e t y a n dr e l i a b i l i t yo ft h es h e a r sd i r e c t l y ．C u r r e n t l y , t h e r ei sf e wt e s t i n ge q u i p m e n tf o rs h e a r ’S h y d r a u l i cd i s cb r a k e ．T h e r e f o r e ，r e s e a r c ho nt h et e s tb e n c h o fs h e a r ’Sh y d r a u l i cd i s cb r a k eh a s v e r yi m p o r t a n te n g i n e e r i n gv a l u e ． A c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e ro ft h eb r a k e ，t h i sp a p e rr e s e a r c h e s o nt h et e s tb e n c ho f h y d r a u l i cd i s cb r a k eo ft h e c o a lm i n i n gm a c h i n e ．T h em a i nr e s e a r c hi n c l u d e ss e v e r a l f o l l o w i n ga s p e c t s T h es y s t e ma d o p t sf i n i t ee l e m e n ta n a l y t i c a ls o f t w a r eA N S Y S 10 ．0t od e a lw i t hn u m e r i c a l s i m u l a t i o no ft e m p e r a t u r ef i e l di nt h ef r o n ts t r u c t u r ea n dt h ef r i c t i o nc o u p l i n go fs h e a r ’S h y d r a u l i cd i s cb r a k e ．T h i sC a np r o v i d et h e o r e t i c a lb a s i sf o ri n s t a l l a t i o np o s i t i o no ft e m p e r a t u r e s e n s o r sa n dt e m p e r a t u r em e a s u r e m e n t ．T h es y s t e mo ff l y w h e e li sd e s i g n e db ym e a n so f d e c i d i n gi n e r t i al o a da n dc h o o s i n gt h es i m u l a t i o nm o d e o fi n e r t i a ．B a s e do nt h i s ，t h ep o w e r o f d r i v i n gm o t o ri sd e c i d e da n dt h em e c h a n i c a ld e v i c e ss u c ha st e s t i n gc a b i n e to ft h eb r a k e ，w e a r d e t e c t i o nm e c h a n i s ma n da x i sa r ed e s i g n e d ．B yd o i n gt h i s ，t h em e c h a n i c a ls y s t e mo ft h et e s t b e n c hi sf i n i s h e d ． A f t e rh a v i n gf i n i s h e dt h ed e s i g no fh a r d w a r ea n ds o f t w a r e i nt h ed e t e c t i n ga n d c o n t r o l l i n gs y s t e m ，s e v e r a lf u n c t i o n ss u c ha st h es p e e da d j u s t m e n t ，d a t as t o r i n g ，d a t as a v i n g a n dc o m m u n i c a t i o nb e t w e e ns i n g l e ．c h i pm i c r o c o m p u t e ra n dP Ca r ec a r r i e do u t ．W i t hr e s p e c t t ot h eh a r d w a r e ，t h es y s t e ma d o p t ss i n g l e c h i pm i c r o c o m p u t e r8 0 51F 0 0 5a si t sc o r ec o n t r o l a n dr e l a t e dc i r c u i t sa r ed e s i g n e d ．T h ed e s i g no fs o f t w a r em a i n l yi n c l u d e ss i n g l e c h i p m i c r o c o m p u t e ra n dh i g h e rc o m p u t e r ．T h ei n t e r a c t i v ei n t e r f a c eo ft h ed e t e c t i n g a n dc o n t r o l l i n g s y s t e mh a sb e e nd e s i g n e db yp r o g r a m m i n gi nt h eV i r t u a li n s t r u m e n tL a b w i n d o w s ／C V I ． A c c o r d i n gt oG B ，t o r q u e ，r o t a t i o n a ls p e e d ，t e m p e r a t u r ea n dw e a rh a v eb e e nm e a s u r e d v i ae x p e r i m e n ta n dt h ep r o p e r t yo fb r a k eo ft h ec o a lm i n i n gm a c h i n eh a sb e e nv e r i f i e d ．S oi t o f f e r ss a f e t y , p r o d u c tq u a l i t ya n dr e l i a b i l i t ya s s u r a n c ef o r t h es h e a r ’Sh y d r a u l i cd i s cb r a k e ． K e yw o r d s T e s t B e n c h H y d r a u l i cD i s cB r a k e C 8 0 51F 0 0 5 L o a d i n gM e t h o d T h e s i s A p p l i c a t i o nR e s e a r c h 姿料技大学 学位论文独创性说明 本人郑重声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作 及其取得研究成果。尽我所知，除了文中加以标注和致谢的地方外，论文中不 包含其他人或集体己经公开发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西安科 技大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志对 本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名哪彳％日期纱职钐形 学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即研究生在校攻读学位期 间论文工作的知识产权单位属于西安科技大学。学校有权保留并向国家有关部 门或机构送交论文的复印件和电子版。本人允许论文被查阅和借阅。学校可以 将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩 印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。同时本人保证，毕业后结合学位 论文研究课题再撰写的文章一律注明作者单位为西安科技大学。 保密论文待解密后适用本声明。 l 学位敝储躲岈靳兹指导教师虢哟沈 叨年’髟月／j - 日 1 绪论 1 绪论 1 ．1 课题的背景和意义 随着国民经济的飞速发展，能源需求持续上升，在我国煤炭作为第一大能源的现状 并没有改变。追求高效的能源开采的同时安全问题是非常重要的一个课题。现代采煤机 是一个集机械、电气和液压为一体的大型复杂系统，工作环境恶劣，如果出现故障将会 导致整个采煤工作的中断，造成巨大的经济损失。制动器是采煤机安全制动装置，是采 煤机的重要组成部分，其性能的好坏直接关系到采煤机的使用安全。采煤机制动器安装 在牵引电机轴端面上，采用弹簧上闸、液压松闸的原理，是保证采煤机正常工作重要设 备。随着我国煤炭事业的发展，为确保采煤机制动的安全性，对采煤机制动器的检测提 出了更高的要求，需要专业的测试设备对采煤机的制动性能提供更可靠的性能参数。 制动器试验台是测定和分析制动器性能及质量的试验装置。制动器生产企业要求试 验台系统能够检测制动器的各种性能，具体测试项目为制动器效能试验；制动器热衰 退及恢复试验；制动衬片、块磨损试验；制动器噪声测定；试验过程中温度的同步测量 和记录；记录输入管路压力和输出制动力矩的关系；记录制动时间和输出力矩的关系u J 。 目前，针对摩擦盘制式动器的研究比较多，制动器试验台是制动器研究中不可缺少的重 要环节，是评价制动器能否满足使用要求的最重要手段之一，而制动器试验台的研究主 要是对于汽车用制动器摩擦材料性能的研究，缺少对采煤机安全制动器成品的研究，为 了知道采煤机制动器的可靠性，就必须对制动器的性能进行系统的检测，采煤机制动器 是一种矿用设备，还没有标准的检测设备。因此，研究一种模拟性能好、自动化程度高 的采煤机液压盘式制动器试验台，非常符合采煤机安全生产的需要1 2 J 。研制高水平的采 煤机制动器试验台架，还可以提高制动器测试技术，提高试验台架的设计水平，对采煤 机制动器的研发、质量控制等具有重要的意义。 1 ．2 国内外制动器试验台的研究现状 国内外有关制动器试验台的形式很多，其典型代表如德国K R A U S S 制动试验台， 美国C H A S E 制动试验台，国产M M ．1 0 0 0 摩擦试验台等。制动器试验台需要有模拟被 制动对象机械能的装置，目前得到了广泛应用的是利用惯性飞轮来模拟旋转机械装置的 惯性。飞轮是一种贮藏能量的机械部件，它在角速度上升时吸收能量，在角速度下降时 释放能量，因此它可以用来模拟制动器负载【3 】。制动器试验时，用电动机来启动飞轮， 此后在惯性试验台上的制动器吸收达到一定速度的飞轮动能，在变化的滑转速度下实现 转动轴制动。 西安科技大学硕士学位论文 国内研究摩擦材料的进口设备大致分为3 类第1 类是日本S H I N K O 工程公司制造 的F A S T 机 摩擦材料评定筛选实验 ；第2 类是美国福特汽车公司研制的F A S T 机和美 国L I N K 公司制造的C H A S E 摩擦试验机第3 类是德国A T E ．T E V E S 与E ⅪC H ．K R A U S S 研制的K r a u s s 试验机。国产设备主要有武汉材料保护研究所开发的M D 2 4 0 定速试验机 和吉林大学机电设备研究所研制的J F l 5 0 D 试验机等。 定速摩擦试验机最早由日本人采用，它是通过测出一定压力、速度下连续制动时， 摩擦材料的摩擦系数和磨损率随温度变化的情况，从而判断摩擦材料的性能。其特点是 采用盘一块式摩擦副，定速滑磨。 F A S T 机的主要实验方法是恒摩擦力实验。当摩擦系数因热衰退导致摩擦力衰退时， 通过提高实验压力的办法保持恒定摩擦力，这与制动衬片在行车中的工作状态加大 制动系统管路压力相似，具有良好的模拟性。其主要功能是研究测定摩擦系数与温度、 压力的关系。 C h a s e 磨擦试验机一般用来作为制动衬片质量控制的测量设备，与前两种方法不同 的是该机采用的是输入恒摩擦力的试验方法，通过压力的调节保持一定的摩擦力，压力 的变化反映了衬片摩擦性能的变化，所以作为一种制动衬片质量的试验方法得到广泛的 应用。目前，C h a s e 机更适合于鼓式制动副，前两种试验机适用于离合器片和盘片式制 动副，同时，C h a s e 试验机具有恒摩擦力输出功能。 K r a u s s 摩擦试验机是依据盘式制动副力矩与压力成正比的特性来确定试验原理，具 有优良的模拟性能和数据重现性，试验简单快捷，是摩擦试验的权威性试验设备。 通常，制动器性能都要根据权威机构制定的试验标准来进行测试。常用的试验方法 有小样试验和惯性台架试验等。小样试验要进行制动器的尺寸模拟和形状模拟，因而准 确度不够高，但是成本相对较低，常用于摩擦材料的分级、质量控制以及新产品开发。 台架试验是制动器质量检测中最具权威性的试验，能够相当真实的反映制动器的工作特 性，已逐渐成为制动器质量检测的主流。目前，台架试验机主要用于汽车制动系统的检 测，而用于类似于采煤机液压盘式制动器的台架试验机还有待于进一步开发。国产台架 试验机普遍存在控制方法相对落后、控制精度不高、关键数据采集和处理不够精确等问 题，而国外进口的同类设备价格昂贵，有些甚至达到国产试验机的几倍到十几倍。因此 开发一套适用于采煤机盘式液压制动器的台式试验机，具有非常重要的现实意义。 在国外由于德国的制动器生产技术先进国家标准体系完整、规范，产量大、品种多， 基本代表了制动器行业的先进水平。此外，美国、日本、意大利法国等生产的制动器也 比较先进。 本课题研究的采煤机制动器试验台，主要用于采煤机制动器安全性、疲劳性试验， 也可进行盘式制动器摩擦衬片性能测试。其试验原理，是根据制动副摩擦力矩与压力成 正比的特性而确定，具有优良的模拟性和数据重现性。该试验原理是目前全世界摩擦材 2 1 绪论 料和汽车制造商所公认i 拘t 4 1 。 1 ．3 本课题的主要工作、技术路线 1 ．3 ．1 主要工作 本文以国产大型采煤机牵引电机轴端面上安装的制动器为研究对象，设计了采煤机 液压盘式制动器试验台。本论文的主要工作如下 ， 1 采用A N S Y S l 0 ．0 软件分析了采煤机盘式制动器前端盖和摩擦副温度场的分布 情况，为温度传感器的布置提供了理论依据。 2 研究采煤机制动器及采煤机牵引部的结构和工作原理，对采煤机的牵引阻力 进计算，在此基础上根据采煤机牵引部的结构和尺寸，计算了采煤机牵引部的转动惯量， 确定了试验台的惯性负载； 3 通过对多种试验台的工作原理和加载方式的研究，确定了采煤机制动器试验 台的设计方案； 4 设计试验台机械部分，包括驱动电机的选择，以及飞轮模拟加载装置、采煤 机盘式制动器检测箱、磨损量检测和扭矩测量等装置的设计； 5 设计试验台检测和控制系统，根据试验要求，主要检测主轴转速、制动力矩、 摩擦副的温度和磨损量；基于P I D 控制原理对电机调速，并设计制动器液压控制系统。 1 ．3 ．2 技术路线 本课题以采煤机液压盘式制动器为研究对象设计制动器试验台，通过研究采煤机牵 引部的原理，计算了制动器的负载，设计了试验台架的机械结构和测控系统。各部分的 技术路线分别叙述如下 1 采用A N S Y S l 0 ．0 软件建立了采煤机制动器前端面和摩擦副的有限元模型，并 对其进行了模拟分析，为温度传感器安装时测点的布置提供了理论依据；根据力学原理， 对采煤机运行过程进行受力分析，研究了采煤机牵引部的工作原理，计算了牵引部转动 惯量，并进行了惯量的折算，为惯量模拟加载装置的设计提供依据。 2 应用A u t o C A D 软件设计试验台机械结构。试验台台架机械部分包括惯量模 拟加载装置、采煤机盘式制动器检测箱、扭矩测量装置等。 3 应用P r o t e l 9 9 s e 软件设计试验台测控部分硬件电路。硬件设计上采用各种便于 集成的功能模块，实现制动器制动时性能参数的检测，设计相应的检测电路，通过力传 感器、温度传感器、位移传感器和转速传感器采集信号，经过调理电路后输入到单片机 中，完成数据采集。 4 采用R S ．2 3 2 通信协议，通过计算机串口与单片机U A R T 接口实现数据通信， 3 西安科技大学硕士学位论文 构成单片机和P C 机的虚拟仪器系统，数据通信采用C A N 总线转R S ．2 3 2 总线来实现。 5 软件以K e i l C 为开发平台完成下位机程序的设计和调试，使用L a bW i n d o w s ／C V I 6 ．0 虚拟仪器软件完成上位机程序的开发，利用其图形化的软件面板和高级分析库函数， 实现数据处理、图形化显示、输出等功能。 1 ．4 本章小结 本章介绍了国内外制动器试验台研究的现状，提出研制采煤机液压盘式制动器试验 台的意义，对论文的主要工作做了阐明，给出了试验台研究的技术路线。 4 2 采煤机液压盘式制动器 2 采煤机液压盘式制动器 近年来，国内外许多煤矿机械的设计研究部门和制造厂家非常重视提高煤矿设备的 安全可靠性，并将其作为减少煤矿事故的重要手段之一。采煤机是采煤工作面的主要设 备，制动器是采煤机安全制动装置，它的性能好坏关系到采煤机的可靠性，因此，需要 研制采煤机制动器试验台来检测制动器性能。研制采煤机制动器试验台之前，首先需要 了解制动器的组成、分类及基本性能要求以确定需要检测的参数，并以此制动器为样本， 研制试验台。 2 ．1 制动器的性能要求 目前应用最普遍的有瓦块式制动器和盘式制动器两种，前者最常见的是液压推动制 动器，通常作为高速端的工作制动器；而后者分为液压推动盘式制动器和液压泵站盘式 制动器，分别作为工作制动器和低速轴上的安全制动器。 近年来，随着人们对机器的安全意识的提高、制动器的安全可靠性能倍受重视，对 制动器的性能提出以下几点基本要求【5 J 1 要有足够的制动力矩，这是保证安全制动可靠的基本条件； 2 摩擦副所产生的摩擦力矩要稳定，在受N C J - 界条件的变化 速度、温度、湿 度、驱动力等 的条件下，它的变化也要尽量小； 3 散热性好，避免摩擦表面温度过高； 4 工作中噪音低、对环境的污染小； 5 具有一定的耐磨性，要有一定的安全使用寿命； 6 操作、维修简单方便。 2 ．2 制动器的组成及分类 2 ．2 ．1 制动器的组成 牵引部是采煤机行走的动力源，采煤机牵引部由牵引电机、电控系统、调高油缸、 机械行走机构及制动系统等部分组成。采煤机制动器是保证采煤机安全运行的重要部 件，它的作用是在制动时保证采煤机在规定的时间内可靠的停止下来。制动器是产生阻 碍采煤机运动趋势的力的部件。其制动原理是通过其中的固定元件对旋转元件施加制动 力矩，使后者的转动角速度降低，制动力越大减速度越快。同时，制动器不工作时，制 动盘与摩擦片之间要保持一定的间隙，使牵引电机轴和摩擦片可以旋转。 制动器一般具有以下四个基本组成部分【6 J 5 西安科技大学硕士学位论文 1 供能装置，包括制动所需能量以及改变传能介质状态的各种部件。 采煤机制 动器制动能量由安装在制动器内的弹簧提供 ； 2 控制装置，包括产生制动动作和控制制动效果的各种部件； 3 传动装置，包括将制动能量传输到制动器的各种部件； 4 制动装置，产生阻碍采煤机运动或运动趋势的力的部件。 2 ．2 ．2 制动器的分类 制动器根据不同的分类标准可以有以下几种类型 1 根据摩擦副的结构型式，制动器分为鼓式和盘式制动器。鼓式制动器又分为 带式和蹄式制动器。蹄式制动器按其制动蹄的布置型式又分为领蹄一从蹄式、双领蹄式 和双向增力式。盘式制动器分为钳盘式、全盘式和锥盘式制动器等几种。盘式制动器散 热较快，构造简单，调整方便。适用于重载场合，其耐高温性能好，制动效果稳定，盘 式制动器比鼓式制动器更易在较短的时间内发挥其制动作用。 2 根据摩擦副的工作环境，制动器分为干式和湿式制动器。湿式制动器的摩擦 副工作在润滑油冷却介质中，是在边界摩擦工作状态下产生制动力矩。干式摩擦制动器 采用空气自然冷却。 3 根据驱动制动器的机构，制动器分为机械式、电磁式、液压式、电液式、气 压式、气液式、惯性式等。其中液压式制动器由于工作平稳而迅速、制动效率高、寿命 长等优点，在车辆和重型设备上应用比较广泛。 4 根据制动器在车辆中的作用，制动器分为停车和驻车制动器。 5 根据转速一扭矩工作特性，制动器可以分为低速一大扭矩和高速一小扭矩制 动器。 6 根据工作状态，制动器可分为常闭式和常开式。常闭式制动器靠弹簧或重力 的作用经常处于紧刹状态，而机构工作时，可利用人力或松闸器使制动器松闸。与此相 反，常开式制动器经常处于松闸状态，只有施加外力时才能使其紧闸。 2 ．3 制动器的评价指标及试验方法 2 ．3 ．1 制动器摩擦材料的发展 1 9 3 0 年前主要以石棉长纤维添加其他线类 如黄铜丝 编织浸渍方式主。浸渍材料 由沥青发展到与油和胶的混合物，以后又开始用短纤维替代纤维，后期出现了无编织干 法混合热压工艺。 在1 9 3 0 年，化学家研制出了一种具有热稳定性柔性树脂粘合剂，使干工艺更加成 熟，并逐步研制出我们今天熟悉的鼓式制动片。在后续的三十年中，石棉一直是主要原 6 2 采煤机液压盘式制动器 料。与此同时，出现了用橡胶混合物胶液刷涂布状织物，然后再折叠或堆积热压的工艺 方法。 在1 9 5 0 年，美国的S K W E L L M A N 公司首先研制出了用铁粉、石墨和他填料，加 树脂作粘合剂热压而成的摩擦材料，即所谓半金属摩擦材料，在1 9 7 0 年用于盘式制动 器。 2 0 世纪8 0 年代以来，汽车高速化、重载化、车体轻量化以及盘式制动的广泛应用 等，对制动的要求不断提高，特别是针对安全性和稳定性提出更高的要求，以及石棉纤 维对环境和人体健康存在危害，这些促使汽车制器向盘式制动和无石棉摩擦材料方向发 展【7 1 ，并且目前我国的无石棉摩擦料的研究已经取得一定的成果【8 l [ 9 1 【1 0 1 。 2 0 世纪9 0 年代后期，～些欧洲开始研制和使用N A O 型摩擦材料。N A O 摩擦材料 有助于克服半金属摩擦材料固有的高比重、易生锈、易产生制动音及导热系数过大等缺 点。目前N A O 型摩擦材料在欧盟各国己得到广泛应，大有取代半金属摩擦材料的趋势 [ 1 1 1 o 经过人们的不懈努力，无石棉摩擦材料的摩擦性能不断得到完善和提高，在世晃范 围内已经形成具有一定规模的摩擦材料行业。无论是在产品的质和数量上，还是在新产 品的研究开发上，摩擦材料行业总是不断的技术进步，并在这一过程中，形成了自己的 研究和产品测试技术体，同时也促进了摩擦材料行业的发展【1 2 】【1 3 1 【1 4 】。 2 ．3 ．2 制动器的评价指标 对制动器的基本要求应保证制动器的所用零部件应装配J 下确，确保制动器在工作过 程中紧固件不松动。在正确润滑和调整的情况下，制动器应工作可靠。此 I - N 动器摩擦 片磨损到需要更换之前，制动器应能调节补偿其中产生的间隙。盘式制动器由于其液压 系统的专门设计，间隙在摩擦片磨损后可进行自动调节补偿而鼓式制动器则不具备自动 调节补偿能力。一般加装调整螺钉进行手动调节。 1 制动效能 制动器的制动效能是指制动器的制动距离与制动减速度。制动器的制动效能是指制 动器在一定时间内对车辆速度进行控制的能力。通常情况下，人们希望获得迅速而平缓 的制动。这就要求制动器的制动距离要尽可能短，但是如果制动减速度过大的话，在制 动时会有一个明显的前冲。所以，制动减速度也不是越小越好，在一定范围内为宜。 2 制动效能的热稳定性 在高速下制动，或短时间内多次重复制动，会使摩擦片与对偶盘之间频繁摩擦导致 摩擦片温度升高，其结果使摩擦系数降低，制动效能下降。这种摩擦表面温度升高从而 使制动器制动效能下降的现象，称为“热衰退”，用热衰退率表示。制动器发生热衰退 后，经过一定次数的磨合使用，由于温度下降和摩擦表面得到磨合，其制动效能可以重 7 西安科技大学硕士学位论文 新升高，这种现象称为“热恢复“ ，用热回复差率表示。 2 ．3 ．3 制动器的试验方法 制动器的试验方式主要有小样试验法、台架试验法和使用试验法三类。 小样试验法是针对摩擦材料，按照试验标准来完成的，这类实验主要包括性能试验、 强度试验、粘着性试验等，这些试验都有相应的国家标准和国外标准。在小样试验中主 要采用定速摩擦试验机和C H A S E 试验机。 台架试验方式是制动器试验方式应用较广泛的一种。这种方式是通过模拟车辆的制 动工况来完成实验的。台架试验的典型代表机是K R A S S 试验机。随着现代控制技术的 完善，这种试验方式的到了广泛应用。目前，台架试验已经有了相应的国家标准和国外 标准。 使用试验法是将摩擦材料应用在实际工况中，经过反复长期试验来评定摩擦材料的 性能。这种方式虽然最具有摩擦材料评定的权威性，但由于其使用周期长，试验费用高， 必须在批量生产前完成。 摩擦材料的试验方式正由小样试验和使用试验向台架试验发展，随着现代控制技术 的发展，台架试验必将得到进一步的完善。 2 ．4 采煤机制动器的结构和工作原理 由于盘式制动器热稳定性、水稳定性以及抗衰减性能较鼓式制动器好，可靠性和安 全性也高，因而，盘式制动器是近年来使用率逐步升高的一种新型制动器，它以独特的 优点及良好的安全性能越来越被广大用户认可【l 5 。。 本试验台针对采煤机液压盘式制动器，这类制动器主要由摩擦片、制动盘、弹簧、 后盖、活塞、缸体等零件组成。如图2 ．1 所示，它的工作过程是当机器在运行时，制 动器由控制油路供油松闸；当切断控制油时，在弹簧力的作用下进入抱闸状态，此时弹 簧4 借助活塞8 将摩擦片1 压紧，产生摩擦力矩，机器被制动。制动器是由螺钉固定在 设备的机壳上，液压油经进油孔3 进入缸体1 0 内。压力油受一个制动电磁阀控制，最 小松阀压力1 ．2 “ - - “ 1 ．6 M P a ，当机器速度回到零或电气系统发出制动信号时，制动电磁 阀断电复位，制动器内的压力油经电磁阀回油池，制动器处于制动状态。 若液压系统发生故障或检修时，液压制动器可用机械方式释放，即把螺钉5 卸下， 用两个螺钉旋进活塞8 的螺孔中，完全旋紧后，活塞8 被提起，制动器被释放。在制动 器后盖上留有一测量用通孔，通过测量后盖端面与活塞端面的相对位移来判断摩擦片的 磨损程度。由于盘式制动器制动力矩大，结构紧凑，性能可靠，应用范围较广，现场使 用表明，这种制动器的总体性能良好，可以很好满足用户的要求【1 6 1 。 8 2 采煤机液压盘式制动器 1 ．摩擦片，2 ．制动盘，3 ．进油口，4 ．弹簧，5 ．释放螺钉，6 ．定位销，7 ．后盖，8 ．活塞， 9 ．O 型密封圈，1 0 ．缸体 图2 ．1 盘式制动器的组成 2 ．5 本章小结 本章阐述了采煤机制动器需要满足的性能要求，介绍了制动器的组成、分类、评价 标准及试验方法，并对采煤机制动器的组成、工作原理和结构特点进行了说明。 9 西安科技大学硕士学位论文 3 采煤机制动器负载惯量的确定 3 ．1 采煤机牵引部的原理 3 ．1 ．1 采煤机的性能参数 采煤机是一个复杂的机械系统，其主要包括行走部、截割部、及其附属设备【1 7 】。目 前，国内外使用的采煤机主要是可调高的双滚筒采煤机，这种经改进的采煤机，可追溯 到长壁截煤机，是早期用于煤层底部掏槽的采煤机械。最早的滚筒采煤机是在截煤机的 基础上，将减速箱部分改成允许安装一根水平轴和截割滚筒而演变成的。这种滚筒采煤 机与可弯曲输送机配套，奠定了煤炭开采机械化的基础。在滚筒采煤机发展的同时，还 研制出用刨削方式落没的刨煤机、以钻削方式落煤的钻削式采煤机，以及螺旋钻石采煤 机。现代采煤机均为可调高摇臂滚筒采煤机，其发展是从有链到无链；由机械牵引到液 压牵引再到电牵引；有单机纵向布置到多机横向布置；由单滚筒到双滚筒，且向大功率、 遥控、遥测、智能化发展，其性能日趋完善，生产率和可靠性进一步提高，工况自动检 测、故障诊断以及计算机数据处理和数据显示等先进的监控技术已在采煤机上得到应 用。 本试验台以西安煤矿机械厂生产的M G 7 5 0 ／1 9 1 0 型无链交流电牵引采煤机上安装的 盘式制动器为研究对象，因此，需要对采煤机进行受力分析和转动惯量的计算。如图3 ．1 所示M G 7 5 0 ／1 9 1 0 型采煤机由滚筒，摇臂，截割电机，行走部，开关箱，变频器箱， 变压器箱等几大部分组成【l 引。其中，牵引部是行走部的一部分，制动器安装在牵引电机 轴的端面上。对采煤机制动器试验台进行惯量配重，首先需要了解采煤机的性能参数， 其次要对采煤机运行状况进行研究。 。“。。| 一妻≥j 黟赫器势。∥≯t | | ’j ≥；鬻‘≮豢纛渗纂| 、≯蓉 薹≮。0 蕊瀵羹攀攀豢≥} 机功率最大的采爆机，以其为研究对象，确定制动器的惯性负载，具有代表性。通过对 1 0 3 采煤机制动器负载惯量的确定 驱动，电机横向布置，是交流变频调速无链双驱动电牵引采煤机，有左右两个牵引部， 具有很好的对称性。适用于采高2 ．7 0 5 ．2 0 m ，煤层倾角≤1 5 。的厚煤层综采工作面，其 主要技术特征如表3 ．1 。 表3 ．1 主要技术特征 3 ．1 ．2 牵引部传动原理 牵引部传动装置的作用是将采煤机电动机的动力传到主动链轮或驱动轮并事先调 速，现有牵引部传动装置按传动形式可分为三类1 1 9 j 机械牵引、液压牵引和电牵引。牵 引传动箱有两个，分别装在底托架两端的采空区侧，牵引传动箱中的电机将动力分别通 过齿轮传给二级行星齿轮减速器，最后由行星架输出，传给行走箱中的驱动齿轮Z 1 2 ， Z 1 2 与行走轮Z 1 4 相啮合，而Z 1 4 又与固定在输送机采空区侧槽榜上的齿条啮合而使采煤 机沿工作面全长移动。牵引部传动系统原理图如图3 ．2 ，M G 7 5 0 ／1 9 1 0 型无链交流电牵引 采煤机牵引部各齿轮参数如表3 ．2 表3 ．2 牵引部各齿轮参数 Z lZ 2Z 3z 4Z 5Z 6Z 7Z 8 Z 9 Z l oZ l lZ 1 2Z 1 3Z 1 4 齿数4 24 95 0 模数4 44 齿厚5 05 0 5 0 柏 8 m ∞ 8 m ∞ 8 诏 的 8 符 的 8 m 拍 8 m b 8 的 拍 8 ∞ b 8 的 “ 6 卯 侈 6 卵 西安科技大学硕士学位论文 3 ．2 采煤机受力分析 z l oz 7 H 7 z 6乙z ．z 3 z 2 制动器z l 图3 ．2 牵引部的传动原理图 3 ．2 ．1 牵引阻力的估算方法 牵引采煤机沿工作面移动需要克服的阻力，统称为牵引阻力。影响牵引阻力的因素 很多，主要包括采煤机质量和行走传动部的惯性负载、齿轮弹性元件构成的弹性负载、 摩擦负载以及切割过程中的牵引负载。由图3 ．3 是采煤机的受力简图，滚筒截煤时所受 的阻力可分解为相互垂直的两个分力前滚筒为只和P v ；后滚筒为P ’。和P ’y 。B 和尸’y 就是作用在滚筒圆周上的截割阻力，其作用方向与滚筒转向相反；只和尸’x 就是滚筒的 推进阻力，其作用方向与采煤机的牵引方向相反。由于螺旋滚筒受到装煤和截媒引起的 轴向力，特别是滚筒的推进阻力P x 、P ，x 和牵引链拉力不是沿着同一条直线作用，形成 采煤机转动的扭矩，因而滑橇受到侧向力岛和尸’。