关于带式输送机起制动一体化关键技术的研究
摘 要：本文对现有的带式输送机起动设备和制动设备进行了简单介绍，并且在液体粘性软起动的基础上提出了一种集软起动和软制动于一体的液体粘性起制动一体化装置。 液体粘性起制动一体化装置的理论基础是液体粘性传动技术，其传动机理基于牛顿内摩擦定律。同时，还分析了液体粘性传动的传动特性。
关键词：带式输送机；起制动；液力传动；液体粘性传动；软起动；软制动；控制
一、主要内容
本题目的是通过对软起动与软制动技术的研究建立一个集先进的软起动与软制动装置于一体的带式输送机起制动一体化装置。是对带式输送机应用液体粘性传动技术。主要有两个：
1.起制动一体化装置机械本体的设计
作为一个新型的起制动装置，必须能满足带式输送机对起动系统和制动系统提出的关键技术的要求。液体粘性起制动一体化装置的结构，分为起动系统的设计和制动系统的设计。起动系统的设计包括摩擦副的設计、主动轴和支撑轴的设计、回位弹簧的选择及设计计算、油缸活塞的设计、以及被动鼓和支撑盘的设计等；制动系统的设计包括摩擦副的设计、回位弹簧的选择计算等。
2.液压系统的研究设计
根据整个系统的性能要求，设计出合理的润滑供油系统和控制供油系统。该装置采用电液比例溢流阀来调节进入油缸的控制油压力。液压系统的设计包括油泵流量和功率的计算、油泵的驱动方式选择、滤油器的选择和布置、冷却器和仪表的配置和液压系统原理简图的绘制。
二、液体粘性传动技术的概述
1.液粘传动技术的概念和工作原理
液体粘性传动（Hydro viscous Drives，简称HVD）是一门新兴学科，与液力传动和液压传动并属于流体传动。它们之间都是以液体作为传动介质，但就基本概念和工作原理上来看，液体粘性传动与液压传动和液力传动有着本质的区别。
液力传动是在欧拉方程的基础上，以液体动量矩的变化来传递动力的；液压传动则是基于帕斯卡原理，运用液体的压能来传递动力；液体粘性传动的工作介质也是液体，但与液力传动和液压传动不同的是其要求液体具有一定的粘性，依靠主、从摩擦片之间液体的粘性力来传递动力，理论基础为牛顿内摩擦定律。其传递转矩的大小可以通过调节主、从动构件之间距离来调节。
2.液体粘性传动带排扭矩的研究
一体化装置工作时，起动系统一般分为三个工况：分离工况、起动工况和结合工况；制动系统也分为三个工况：输送机正常运行时的分离工况、接合工况和制动工况。在起动和制动系统的分离工况下，油膜厚度最大，油膜剪切力对传递扭矩的作用很小。但由于摩擦片分离不彻底，主被动摩擦片的相对转速较高以及微小的油膜剪切力仍然起作用，而在制动轴上仍有一定的力矩存在，此力矩称为带排扭矩。
带排扭矩受油膜厚度差的影响，各油膜厚度差值越大则产生相应的带排扭矩也就越大。当各油膜厚度差为零，即不存在静压差时带排扭矩达到最小值，但是带排扭矩永远存在。
带排扭矩是液体粘性传动的必不可少的因素，但其存在对粘性传动产生很大的不利影响，带排扭矩会引起的功率损失，会造成能量的浪费，同时功率的损失会产生大量的热，使工作油温度逐渐上升。这就需要配备冷却系统带走功率损失产生的热量。因此减小液粘传动装置的带排扭矩对液粘技术理论和现场实际都具有重要的意义。
三、液粘起制动一体化装置主机的结构
液体粘性起制动一体化装置是在液体粘性软起动装置的基础上设计的，如图3.1所示，由起动和制动两部分组成。
1.起动系统的结构
起制动一体化装置的软起动系统是由主动部分、被动部分、控制系统执行元件部分和密封润滑部分组成。
（1）主动部分
主动部分包括主动片48和主动轴46。主动轴46左端有外齿，轴上有轴向油孔、径向油孔和油槽，以便于润滑油的流通。主动轴油孔的端部用丝堵39加以堵塞。轴承装在主动轴46的中间部位，用弹性挡圈定位。主动轴的右端通过平键与半联轴器相连接，以接受电动机动力的输入。内齿摩擦片49为带内齿的摩擦片，该片主体部分是由钢片构成，其两端面粘附着摩擦材料层，上面布有油槽，以便于润滑油的通过。主动轴46和主动摩擦片48以齿相连接而同步旋转，并且主动摩擦片可以在主动轴上轴向移动[42]。
（2）被动部分
被动部分包括被动摩擦片49、被动盘4、被动鼓3、被动轴12和支撑盘47组成。外齿摩擦片49为带外齿的钢片，其两端面为光滑面。与带内齿的被动鼓3以齿连接的形式而同步旋转，并且外齿摩擦片49也能在被动鼓3上自由的轴向移动。需要注意的是：内齿摩擦片和外齿摩擦片在安装时要相间安装。被动鼓3通过螺栓和圆柱销2与被动盘4连接，通过螺栓和止动垫圈与支撑盘47连接。被动鼓3的外缘开有油孔，使带走摩擦热量的润滑油能得以返回油箱。被动鼓3和被动盘4之间通过圆柱销2来传递转矩。支撑盘47用来支撑外齿摩擦片49，其上面装有轴承44用来支撑被动部分。被动轴通过两个单圆头普通平键10和被动盘连为一体，使从主动部分传递来的转矩通过被动盘传递到被动轴上。被动轴再通过普通平键40和半联轴器相连接，从而将动力输出给工作部件（传动滚筒）。被动轴12上有径向油孔和轴向油孔，控制系统的压力油通过油孔通往油缸。被动盘4在油缸处开有节流口。被动轴的中间部位有一轴承作为被动部分的一个支点，其左端有一深沟球轴承34作为主动轴46的另一个支点。
1.箱体1；2.圆柱销；3.被动鼓；4.被动盘；5.活塞；6.弹簧压盘；7.9O型圈；8.弹簧；10.键；11.4F圈；12.被动轴；13.键；14.骨架油封；15.A型轴用弹簧挡圈；16.内六角圆柱头螺钉；17.防尘盖；18.密封垫；19.间隔圈；20.骨架油封；21.内六角圆柱头螺钉；22.密封盖；23.密封垫；24.六角头螺栓；25.润滑油口；26.支撑盘；27.碟簧压板；28.碟簧；29.活塞；30.油缸；31.被动摩擦片；32.主动摩擦片；33.导向销；34.深沟球轴承；35.圆螺母止动垫圈；36.圆螺母；37.顶盖；38.透气组件；39.丝堵；40.孔用挡圈；41.堵头；42.节流阀；43.间隔圈；44.深沟球轴承；45.主动轴端盖；46.主动轴；47.支撑盘；48.内齿摩擦片；49.外齿摩擦片；50.压力油入口；51.主动轴透盖；52.骨架油封；53.外端盖；54.A型轴用弹簧挡圈；55.箱体2；56.内六角圆柱头螺钉；57.密封垫；58.O型密封圈
（3）控制系统的执行元件部分
控制系统执行元件包括活塞5、弹簧8、油缸（在被动盘4上，是其组成部分）、弹簧压盘6等组成。弹簧8装在活塞5的内腔，弹簧的另一端顶在弹簧压盘6上。弹簧压盘6通过深沟球轴承34、圆螺母36、止动垫圈35固定在被动轴上。活塞5的内外圆柱面上分别装有O型密封圈7和9，其开口都在被动盘4上。导向销33对活塞的运动起到导向作用，防止活塞相对于被动盘4转动，导向销33的一端与被动盘4间隙配合，另一端与活塞5过盈配合，使活塞相对于被动盘只能轴向移动而不能转动。油缸上端有一小的油口是节流口，主要用来泄油，其作用是使活塞在弹簧力的作用下易于向左移动。在一体化装置不起软起动作用，即不传递起动转矩的时候，油缸内控制油压较小，活塞5的右端受到弹簧的弹性力而向左运动，从而使主动摩擦片和被动摩擦片相分离，此时不传递转矩。当需要传递转矩来带动带式输送机工作时，油缸内需要通入压力较大的控制油，此时活塞5的左端受控制系统油压的压力作用克服弹簧的弹性力而向右移动，使主被动摩擦片间的间隙逐渐减小，即油膜厚度减小，从而通过油膜剪切力来传递转矩。
（4）润滑和密封部分
由于润滑油压力不是很大，这里主动轴透盖51和主动轴46之间采用间隙密封，以保证轴与透盖之间能充分润滑，避免因主动轴的高速旋转而造成烧轴现象。主动轴透盖51内孔开有油槽（如图3.1），从动轴与透盖之间间隙右端泄漏的润滑油，受到骨架油封52的阻挡作用后，经主动轴透盖51上轴向回油孔流回油箱底部。A型轴用弹簧挡圈54紧固在主动轴46上随之旋转，透过骨架油封的少量润滑油被挡圈54挡住并向外甩，在外端盖53的下部汇集并经端盖和主动轴透盖51的回油孔流回油箱。从主动轴与主动轴端盖之间的间隙密封左端泄漏的润滑油用来润滑两个轴承，然后再流回油箱。
由于控制油的压力较高，所以在被动轴端盖与被动轴12之间采用两个4F圈11密封。从左密封泄漏出来的控制油经骨架油封20和A型轴用弹簧挡圈15两道密封后流回油箱；从右密封泄漏出来的控制油用来润滑轴承，而后流回油箱。
2.制动系统的结构
起制动一体化装置的制动系统是由运动部分、制动部分、控制系统执行元件部分、密封润滑部分和支撑部分组成。如图3.2所示
（1）运动部分
制动系统的运动部分与起动系统的被动部分联为一体，由被动鼓3和主动摩擦片31组成。被动鼓3比液体粘性软起动装置的被动鼓不一样，如图3.1所示，其左端多出一部分，此部分同样开有内齿。主动摩擦片31为带外齿的钢片，与被动鼓之间是齿连接，所以能与被动鼓同步旋转，并且能在被动鼓3上轴向移动。
（2）制动部分
被动部分包括被动摩擦片32、支撑盘26和箱体1。被动摩擦片32是带内齿的钢片，其两端面粘附着摩擦材料。支撑盘26的外端面车有外齿，摩擦片32与支撑盘26是齿连接，摩擦片在弹簧压力的作用下可以轴向移动。支撑盘26通过若干个六角头螺栓24固定在箱体1上，从而保证支撑盘与箱体连为一体固定不旋转。支撑盘上开有润滑油道，保证主从动摩擦片之间有充足的润滑油。
（3）控制系统执行元件部分
控制系统执行元件包括活塞29、油缸30碟形弹簧28和碟簧压板27。如图3.2所示，碟簧28装在活塞29的内腔，另一端支撑在碟簧压板27上。当油缸内控制油压减小时，活塞29的左端受到碟簧的弹性力而向右移动，使主从动摩擦片之间的间隙减小，此时制动系统的制动力矩增大；当油缸内控制油压增大时，活塞29的右端受到控制系统油压的作用克服碟簧的弹性力而向左移动，使主从动摩擦片之间的间隙增大，此时制动系统的制动力矩减小，制动系统慢慢松闸。
（4）润滑密封部分
润滑油的压力较小，油箱1和支撑盘26之间用密封垫57来密封，而控制油的压力很大，在活塞和油缸之间用密封圈进行密封，如图3.2所示，两个密封圈分别在油缸和活塞的开槽内。
（5）支撑部分
一体化装置的箱体与液体粘性软起动装置的上下箱体不同，其箱体是由左箱体1与和右箱体55组成，如图3.1所示。左右箱体用内六角圆柱头螺钉56、弹性垫圈和密封垫联接在一起。为防止油的泄漏，两箱体之间用密封垫密封，外面加涂一层密封胶。箱体55上面设有顶盖和透气组件。一体化装置的主动部分通过两个轴承分别支撑在支撑盘和箱体上，被动轴部分的左端通过一个深沟球轴承支撑在箱体1上，右端通过轴承34与主动轴相互支撑。主动部分和被动部分分别用主动轴透盖和被动轴透盖限制其轴向位置。两透盖用螺栓和垫圈固定在箱体上。支撑盘47也有限定轴向位置的作用。
四、液粘起制动一体化装置液压系统的设计
1.对液压系统的要求
液体粘性起制动一体化装置的液压系统分为起动液压系统和制动液压系统，其中起动液压系统和制动液压系统又都分别包括润滑油供油系统和控制油供油系统。
（1）对润滑系统的要求
摩擦片间的供油应充分，以保证油膜的形成和足够的油膜承载力；润滑油应能及时把调速工况下产生的热量带走；润滑油压力应小于冷却器的许用压力。
（2）对控制系统的要求
对于起动系统，要求其最大油缸压力应能使主被动摩擦片压紧成一体同步运行，传递额定转矩；对于制动系统，要求其最大油缸压力能使主被动摩擦片分开完全，达到系统要求，尽量减小带排转矩以使带式输送机正常运行。
最小油缸压力越小越好，并且从最小油缸压力到最大油缸压力之间可无级变化；控制油泵的流量要保证电液比例激流阀的正常工作。
2.液压系统的方案设计
（1）供油方案
液体粘性一体化装置包括起动系统的润滑、控制部分和制动系统的润滑、控制部分，其供油方案可以采用單泵、双泵和四泵等方案，其中双泵又分为两种方案，一是起动系统和制动系统各用一泵；二是润滑系统和控制系统各用一泵。本设计推荐使用四泵供油方案如果采用四泵供油，润滑系统采用大流量的油泵，以较低的压力供油，必要时，可在系统中设置一个溢流阀，以调节供油系统的压力；而控制系统则采用小流量的油泵，用电液比例溢流阀来无级调节油缸压力。此方案能保证液体粘性起制动一体化装置的正常工作，而且结构简单，泵的功率消耗较小，维修和操作方便。
（2）油泵的驱动方案
油泵的驱动本设计推荐油泵由单独的电机驱动，其优点是各系统的供油稳定，不受主动轴转速变化的影响，可以在主机启动前.向润滑系统和控制系统供油，保证主机启动时各部分的预先润滑及保证控制系统的正常工作。这一方案由于驱动电机和油泵均安装在主机外部，如果发生故障和损坏，可以在主机外部用很短纳时间进行拆装更换。但油泵电机独立驱动时，必须与主电机电路采取联锁方式，即油泵电机停电时，主电机必须断电停止运行，以防止供油中断后，使一体化装置的摩擦片烧毁。
（3）旋转密封方案
液体粘性起制动一体化装置的旋转密封存在于起动系统中，起动系统常采用两种密封措施，一是采用间隙密封，二是采用密封环密封。
间隙密封是一种非接触式密封，无磨损，寿命长，但对间隙的选择要求高。间隙大，漏损大，影响油压建立；间隙小，密封效果好，但制造精度要求高，铀和孔的同轴度要好，否则容易发生抱轴现象。
控制系统应采用密封环密封。这种密封是有磨损的接触密封。
（4）滤油器的布置方案
在控制系统中，电液比例溢流阀是一个精密的工作部件，要求工作油非常清洁，为了保证油的清洁，在控制系统中，一般是在油泵的吸油管道中安装粗滤油器，而在油泵的压油管道中安装精滤油器，而在润滑系统中只安装粗滤油器即可。
精滤油器易于堵塞，是一个需经常保养的部件。为了及时显示精滤油器的堵塞状态，其上应安装堵塞时的报警装置。同时可在滤油器的油路中设计一个旁通油路，其中安装一个单向阀。当滤油器堵塞时，可打开单向阀，继续供油。为了保证不中断主机的工作，又能对精滤油器进行清洗保养，可选用一个带切换装置的双联精滤油器。
（5）冷却器的布置方案
在润滑系统中，需要向摩擦片供应润滑油，因此，在压力油管路中设置一个冷却器，油经冷却后进入摩擦面。
冷却器的选择：对于控制系统，一般不单独设置冷却器，为了将冷却后的润滑油供给电液比例溢流阀，可将控制油泵的吸油管与润滑系统冷却后的油路接通，以保证电液比例溢流阀的正常工作。冷却器应具有结构坚固、体积小、重量轻、散热面积大、散热效率高、压力损失小、易于拆卸等特点。目前可供选用的冷却器有两大类，即风冷式和水冷式两类。室内有充足水源供应的场合，可选用水冷式冷却器；在缺水或露天情况下选用风冷式冷却器。
（6）仪表的配置
为了了解液压系统工作是否正常，需进行观测和监控，应配置必要的指示仪表和油温、油压的报警装置等。一般需要监测的参数有：控制系统的压力、润滑系统的压力和油温、油箱中的油面高低等。总之，仪表的配置必须有利于操作人员能及时和准确地了解液压系统的工作状态。
（7）液压系统原理简图
液压系统原理如图5.1所示（起动系统和制动系统相同）。
润滑供油系统包括公用油箱19、粗滤油器9、润滑泵10、润滑泵电机11、大流量节流阀12、冷却器13、溢流阀14、节流阀15、润滑油压力表16、温度表18组成。油箱的油经过粗滤油器9、润滑泵10、大流量节流阀12、冷却器13进入主机的润滑油口，经过主被动摩擦片间隙和油槽，润滑油由于压力和旋转被甩出而流回油箱。由于冷却器的作用，进入主机的油是冷的，而从主机被甩出的油是热的。油的温度由温度表来监测，在自动化控制中使用温度传感器把温度信号送给控制系统，监测润滑油是否超温。冷却器一般有两大类，即风冷式和水冷式，在室内有充足水源的供应场合，可选用水冷式冷却器；在缺水或者露天的情况下可选用风冷式冷却器。
控制系统包括公用油箱19、粗滤油器2、控制泵3、控制泵电机1、單向阀4、精滤油器5、压力表17、安全阀7节流阀6、电液比例溢流阀8组成。油箱的油经粗滤油器2、控制泵3、单向阀4、精滤油器5一部分经过节流阀6、电液比例溢流阀8流回油箱。另一部分则通往主机的油缸，在压力的作用下推动活塞沿轴向移动。系统的工作压力由电液比例溢流阀和节流阀决定，为了保证在出现故障时的安全可靠，在控制油路设有安全阀7。控制油泵从油箱中吸取的油是尚未冷却的热油，为了避免电液比例溢流阀因受热卡住而不能工作，自润滑供油系统引一股冷油到控制泵的吸油口。
五、结论与展望
在本论文中，根据液体粘性传动装置的传动机理，分析了带排扭矩产生的原因。对液体粘性起制动一体化装置的机械结构部分进行设计。分析了一体化装置对液压系统的要求。对液压系统进行了一系列的方案设计，包括供油方案、油泵驱动方案、旋转密封方案、滤油器和仪表的布置方案，绘制出液压系统原理图。
作者简介：
赵玉峰（1972--），汉族，陕西神木人，工程师，主要从事过煤矿井下掘进、机电、运输、采煤、一通三防、安全管理、煤炭销售、煤矿基本建设和项目验收、水保、环保、消防、矿山救护、征地搬迁、地企协调等工作。
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