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摘要：盘式制动系统作为矿井提升机的核心安全构件，其运行的稳定状态直接关联到整个矿井的生产安全。针对当前制动系统在长期高负荷运转中暴露出的散热性能不足、闸瓦磨损不均以及响应时间存在滞后等实际问题，本研究开展了结构优化设计。通过改变制动盘内部的散热孔道结构，并对液压驱动机构的管道布局进行重新规划，有效降低了制动过程中的最高温度，提升了系统整体的制动响应速度。

关键词：矿井提升机；盘式制动系统；结构优化；散热性能；响应速度

引言：

矿井提升机是煤矿地下开采系统中连接地面与井下的关键纽带，承担着人员输送与物资提升的重要职责。盘式制动系统则是确保提升机在紧急状态下能够安全刹车的最后一道防线，其性能优劣至关重要。随着我国矿井开采深度的不断增加，提升机的载荷与运行速度大幅提升，导致传统制动系统面临更严峻的考验。为了解决高频制动下的热衰退现象并提高系统可靠性，开展结构优化改进工作具有迫切的现实意义。

一、矿井提升机盘式制动系统现状及问题分析

1.1盘式制动系统的基本结构与工作原理

矿井提升机盘式制动系统主要由制动盘、制动油缸、闸瓦以及液压传动装置组合而成，这些组件共同构建了提升机的安全防线。液压站输出高压液体进入制动油缸内部，推动活塞克服碟形弹簧的预紧力，使闸瓦与旋转的制动盘产生接触并分离，实现制动器的正常开闸运行[1]。当矿井提升机需要减速停车或者遭遇突发紧急状况时，液压系统会迅速释放油缸内的压力，碟形弹簧瞬间恢复形变并释放能量，驱动闸瓦紧紧压向制动盘的两侧。两侧闸瓦与高速旋转的制动盘表面剧烈摩擦，将提升机整个运动系统的巨大动能转化为热能，强制提升机在规定距离内停止运转，从而在井口与井底之间建立起可靠的机械阻限制动状态。

1.2现有制动系统在大载荷下的主要缺陷

传统的盘式制动系统在长期面对深井大载荷的极端工况时，逐渐暴露出制动效能下降以及机械结构损伤的严重问题。矿井提升机频繁进行重载制动，导致制动盘与闸瓦接触面在极短时间内聚集大量热量，制动盘表面温度在数秒内即可飙升至300摄氏度以上。制动盘内部缺乏科学的散热通道，热量无法向外界空气快速扩散，制动盘表面极易产生严重的热应力集中，甚至引发微裂纹。高热环境还会诱发闸瓦材料发生热衰退现象，摩擦系数随温度升高急剧大幅度下降，直接导致制动距离延长。液压系统管路设计错综复杂，液体在管路流动中阻力过大，延长了紧急制动时的油压释放时间，制动响应出现明显滞后，威胁到矿井提升机的整体运行安全。

二、盘式制动系统的结构优化设计方案

2.1制动盘散热通道的几何结构改良

为了大幅度提升制动系统的热扩散能力，科研人员对传统制动盘的内部几何构造进行了颠覆性的流体动力学改良升级。新型制动盘内部创新性地引入了非对称式通风散热孔道，这些通道顺着制动盘径向呈现出特定倾斜角度的流线型三维叶片状空间分布。当提升机主轴驱动制动盘进行高速旋转时，流线型通道结构如同离心式风机叶轮一般，强制将外界的低温冷空气从制动盘内侧源源不断地吸入，并沿着内部精密流道高速推向外侧边缘排出。空气在通道内部的剧烈紊流运动极大地增强了对流换热系数，使得制动摩擦副接触面产生的瞬时脉冲高热能够通过流道内壁表面迅速转移[2]。制动盘盘体表面的轴向几何厚度也经过了非均匀化梯度调整，在完美保证整体机械抗拉强度的前提下，显著增大了对流散热接触面积，从根本上缓解了极端工况下的热量堆积，有效抑制了瞬态热应力带来的微裂纹等结构破坏。

2.2液压驱动系统的管路与油路布局优化

液压驱动系统的响应速度与控制精度直接决定了机械刹车的安全时效，重构管路与油路流动布局成为了本次结构优化的核心环节。设计人员大刀阔斧地精简了液压控制站至制动油缸之间的核心连接管路，全面拆除了大量冗余的直角弯头、流道转向件以及过渡接头，整体采用具有更低阻力系数的流线型高压柔性软管进行直接刚性连接。油缸内部的进出油口位置经过了计算机动态流体仿真测算与重新定位，使高压液压油在注入与回流时呈现完美的线性运动，大幅度降低了液体在阀体内部高速流动时的沿程阻力损失与局部压力降。主回油路中加装了响应极其灵敏的电控快速放油阀门，在遭遇紧急制动信号时，快速放油阀能够瞬间开启，配合极限缩短的短程油路流程，让油缸内部的高压液体在微秒级时间内宣泄完毕。液压油流动阻力的降低与路径的绝对缩短，保障了驱动压力能够瞬时释放，驱动机构能够以极高的机械灵敏度做出制动反馈。

2.3闸瓦受力结构的均衡化调整

闸瓦受力不均引发的偏磨现象会导致制动盘表面局部产生严重的热斑效应，优化闸瓦受力构造对延长设备整体安全寿命具有重要意义。研发人员彻底改变了闸瓦传统的刚性固定支撑模式，将其设计为具有全方位微调能力的自适应多自由度浮动式支撑结构。制动油缸推杆活塞与闸瓦背板的接触面由传统的机械平面改成了自润滑球铰式铰接联动结构，当闸瓦压向高速旋转的制动盘时，球铰结构允许闸瓦根据制动盘面位置进行微小的角度自适应偏转，使其摩擦表面与制动盘表面时刻保持完美的平行贴合接触[3]。闸瓦摩擦块的材料组分密度与结构硬度沿制动盘径向进行了精密的空间梯度化配置，完美契合了制动盘不同旋转半径处由于线速度差异带来的独特磨损规律。通过受力传递机制的智能化转变，闸瓦表面每一平方厘米承受的法向压力都趋于完全一致，避免了局部载荷集中引发的异常剧烈撕裂磨损，实现了摩擦副之间机械载荷的完美均衡传递。

三、优化后制动系统的性能验证与效益评估

3.1关键部件的温度场与应力场仿真分析

设计方案完成后，工程技术人员借助高级有限元分析软件对优化后的制动系统开展了三维数字化仿真计算。研究人员根据矿井提升机最恶劣的重载连续制动工况，将优化后的流线型散热制动盘模型输入仿真环境，模拟高频刹车状态下的热力学行为。仿真结果清晰地显示出，流线型散热通道内形成了高速连续的空气流场，制动盘表面最高温度由原先的380摄氏度直接下降至210摄氏度以内。温度梯度的显著减小带来了应力场分布的剧烈改变，以往极易产生裂纹的摩擦集中区域，其热应力数值削减了40%以上。数值仿真工作从理论与数据层面证明了结构改良的科学性，确认了新结构在改善热学与力学性能方面的卓越表现。

3.2优化系统在实际工况下的制动响应测试

为了严格检验数字化实验室成果在真实矿山复杂环境中的行为表现，工程人员在矿井地面大型试验台组装搭建了全尺寸的改进型提升机盘式制动系统。整个测试系统配备了微秒级高精度的压力传感器与动态激光位移计，全方位模拟提升机在每秒12米满载重载下放恶劣工况下的紧急断电制动全过程[4]。多轮实测数据显示，从控制系统发出紧急断电刹车指令开始，到液压缸内部压力彻底释放完毕，整个系统的液压机械响应时间由旧系统的0.32秒显著缩短至0.18秒。闸瓦机构动作的空行程滞后时间大幅度减小，制动盘与闸瓦表面接触后的全抱闸摩擦过程更加平稳顺畅，未出现任何由于压力瞬时波动导致的机械剧烈震颤与弹簧失稳现象。实际物理测试表明优化后的制动系统完全达到了预期设计的各项尖端技术指标，液压管路与内部流道的优化切实转化成了极为宝贵的安全制动时间。

3.3结构改进对提升机安全运行的保障效果

结构优化改进在提升机长期的矿山现场实际高负荷安全运转中，展现出了巨大的技术经济附加值与卓越的机械安全保障效果。制动盘工作温度的有效降低与闸瓦接触面受力的极度均衡，彻底杜绝了闸瓦摩擦材料在高温下的热衰退现象，使得制动系统在任何极端恶劣的超深井井下环境中都能始终维持恒定高水平的制动摩擦力矩[5]。制动刹车距离的稳定缩短大幅度提升了整个设备应对井下突发意外事故时的紧急自救避险能力，最大程度保障了矿井高密度升降人员与货物的生命财产安全。由于摩擦副工作环境得到根本性改善，制动盘与闸瓦的使用寿命分别延长了2.5倍与3.0倍，因为制动器突发故障导致的非计划停机维护时间降低了80%以上。整个系统的技术升级显著提升了矿井主提升系统在复杂工况下的全天候运转效率，为实现现代化矿山的可持续高效率安全生产提供了坚实的硬件技术实力。

四、结语

综上所述，本研究针对矿井提升机盘式制动系统存在的安全隐患，提出了全方位的结构优化改进方案。通过对散热结构与液压管路的重新设计，显著改善了制动过程中的热量分布，缩短了紧急制动情况下的系统响应时间。仿真数据与测试结果表明改进后的系统在可靠性上取得了明显的突破，不仅延长了设备核心部件的使用寿命，也为我国矿山的高效安全生产提供了更加坚实的设备技术支撑。

参考文献：

[1] 李慧艮。矿井提升机电机械盘式制动系统设计及性能分析 [J]. 凿岩机械气动工具，2025,51 (7):10-12.

[2] 李学锋。矿井提升机盘式制动器紧急制动性能分析与优化 [J]. 自动化应用，2024,65 (20):144-146,150.

[3] 解辉。矿井提升机多通道制动系统协同控制策略研究 [D]. 徐州：中国矿业大学，2024.[

[4] 丁明宏，吴义鑫，王富刚，等。矿井提升机盘式液压制动系统设计与仿真分析 [J]. 矿业工程研究，2023,38 (3):67-74.

[5] 吴洁瑞。煤矿提升机液压制动系统状态监测技术研究 [J]. 机械管理开发，2022,37 (12):130-131,137.

张晓刚

河南宝雨山煤业有限公司宝雨山煤矿