礦井提升機(jī)盤(pán)形閘碟簧疲勞診斷系統(tǒng)設(shè)計(jì)

河南工業(yè)和信息化職業(yè)學(xué)院 河南焦作 454000

礦 井提升機(jī)在煤礦生產(chǎn)中起著至關(guān)重要的作用，是煤礦生產(chǎn)的“咽喉要道”，它能否可靠運(yùn)行直接關(guān)系到礦井的生產(chǎn)安全和礦工的生命安全[1]。盤(pán)式制動(dòng)器是礦井提升機(jī)液壓制動(dòng)系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分，在提升過(guò)程中起到重要作用[2]。制動(dòng)正壓力是制動(dòng)力矩產(chǎn)生的根本，利用碟簧座傳感器測(cè)量盤(pán)式制動(dòng)器碟簧力是一種非常有效的監(jiān)測(cè)制動(dòng)正壓力的方法[3-4]。提升機(jī)盤(pán)形閘由碟簧產(chǎn)生正壓力制動(dòng)，靠油壓松閘[5-6]，碟簧在長(zhǎng)期受壓和循環(huán)往復(fù)抱閘松閘時(shí)交變應(yīng)力的作用下必將產(chǎn)生不同程度的疲勞，剛度下降，造成制動(dòng)正壓力不足，制動(dòng)力矩減少[7]，給提升機(jī)的有效制動(dòng)埋下安全隱患。提升機(jī)制動(dòng)閘由多對(duì)盤(pán)形閘組成，每個(gè)閘的工作阻力等諸多因素的不同，造成碟簧疲勞程度也各不相同，因此對(duì)每個(gè)盤(pán)形閘的碟簧疲勞程度進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)診斷，可快速找出制動(dòng)正壓力不足的故障閘，消除安全隱患，保證提升機(jī)安全運(yùn)行。

1 常用檢測(cè)方法和存在問(wèn)題

碟簧的疲勞程度是由碟簧的剛度表現(xiàn)出來(lái)的，碟簧發(fā)生了疲勞其剛度必然降低，最終表現(xiàn)為制動(dòng)正壓力減小，松閘油壓相對(duì)降低。因此，常用實(shí)時(shí)檢測(cè)方法是在液壓油路中設(shè)置壓力表，用來(lái)間接判斷碟簧正壓力的變化，如圖 1 所示。

圖1 碟簧正壓力常用檢測(cè)法示意Fig.1 Sketch of common inspection methods for positive pressure of disc spring

該方法存在以下問(wèn)題：

(1)不能真正判斷出碟簧的疲勞狀態(tài)，其原因是：壓力表顯示的是液壓站的設(shè)定壓力，松閘時(shí)，盤(pán)形閘工作液壓缸的推力Ft與碟簧的剛度K、碟簧的壓縮量Δ和運(yùn)行阻力Fz存在如下關(guān)系，F(xiàn)t=ΔK+Fz；若碟簧發(fā)生疲勞，其剛度K減小，而油壓產(chǎn)生的推力Ft和運(yùn)行阻力Fz不變，則碟簧的壓縮量Δ增加。因此，碟簧的疲勞通過(guò)壓力表是不能直接檢測(cè)的。

(2)當(dāng)某個(gè)盤(pán)形閘碟簧疲勞時(shí)，不能診斷出該閘，其原因是：壓力表設(shè)置在總供油管路上，當(dāng)某盤(pán)形閘碟簧疲勞時(shí)，液壓油迫使該閘首先動(dòng)作，當(dāng)?shù)杀粔嚎s到一定程度后，其余盤(pán)形閘才開(kāi)始動(dòng)作，最后所有盤(pán)形閘穩(wěn)定在全松閘狀態(tài)；這時(shí)壓力表顯示的為油路總油壓，該值并不隨碟簧剛度的變化而變化，更顯示不出該疲勞閘的松閘油壓。因此，不能對(duì)疲勞閘做出診斷。

2 系統(tǒng)組成及工作原理

2.1 系統(tǒng)組成

提升機(jī)盤(pán)形閘碟簧疲勞診斷系統(tǒng)主要由高靈敏度碟簧正壓力傳感器 CFBH、制動(dòng)閘間隙傳感器、信號(hào)調(diào)理模塊 A11B11E、數(shù)據(jù)采集模塊 PCI8622、抗電磁干擾模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、工業(yè)控制計(jì)算機(jī)、測(cè)控組態(tài)軟件和直流電源等組成。

碟簧正壓力傳感器是根據(jù)盤(pán)形閘的規(guī)格而專門(mén)設(shè)計(jì)制作，并設(shè)置在每個(gè)盤(pán)形閘碟簧的端部，直接檢測(cè)碟簧的正壓力，傳感器的引線由盤(pán)形閘的排氣孔引出，傳感器的測(cè)量范圍為 0～ 10 T，輸入 10 VDC，信號(hào)輸出為 0～ 10 mV。

制動(dòng)閘間隙傳感器采用的是高精度非接觸式電磁傳感器，用來(lái)監(jiān)測(cè)制動(dòng)閘瓦每次制動(dòng)前后的位移量，即制動(dòng)前后碟簧的伸縮量。

信號(hào)調(diào)理模塊為 A11B11E，供電 +24 VDC，輸入 0～ 10 mV，輸出 0～ 10 V，其作用是將傳感器輸出的電壓信號(hào)放大，便于遠(yuǎn)距離傳輸。

抗電磁干擾模塊是根據(jù)提升機(jī)供電環(huán)境而專門(mén)設(shè)計(jì)的，由于提升機(jī)的電動(dòng)機(jī)采用 6 kV 高壓供電，而且多數(shù)還采用變頻調(diào)速，因此在提升機(jī)的周圍存在強(qiáng)大的電磁，嚴(yán)重干擾采集數(shù)據(jù)的真實(shí)性。

數(shù)據(jù)采集模塊采用 PCI8622，輸入 0～ 10 V，采樣速率 1 Hz～ 250 kHz/ s。

2.2 工作原理

提升機(jī)盤(pán)形閘碟簧疲勞診斷系統(tǒng)的工作原理是，碟簧正壓力傳感器置于盤(pán)形閘內(nèi)，碟簧的一端直接作用在傳感器的端面上，另一端作用于制動(dòng)閘瓦的活塞上。碟簧正壓力傳感器在碟簧力的作用下將發(fā)生微小變形，從而迫使傳感器內(nèi)部電橋的電阻發(fā)生變化，其輸出的電壓隨之改變；制動(dòng)閘間隙傳感器置于制動(dòng)閘瓦上，傳感器至制動(dòng)盤(pán)間的距離隨閘瓦的移動(dòng)而改變，使得傳感器的輸出電壓隨之改變。兩傳感器輸出的電壓信號(hào)經(jīng)信號(hào)調(diào)理模塊處理和抗電磁干擾模塊隔離后轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏餍盘?hào)，再由數(shù)據(jù)采集模塊采集，數(shù)據(jù)處理模塊運(yùn)算處理后提供給工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，由計(jì)算機(jī)輸出檢測(cè)數(shù)據(jù)，如圖 2 所示。

圖2 檢測(cè)數(shù)據(jù)輸出結(jié)果Fig.2 Output inspection data

2.3 采集數(shù)據(jù)的分析處理

提升機(jī)盤(pán)形閘有 2 種工作狀態(tài)，即松閘和抱閘狀態(tài)。松閘時(shí)，泵站提供的高壓油推動(dòng)活塞壓縮碟簧，并通過(guò)碟簧傳遞給碟簧正壓力傳感器，這時(shí)診斷系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)實(shí)際是液壓油的作用力，即工作油壓與活塞端面積之積。因此，該數(shù)據(jù)不能反映出碟簧彈性強(qiáng)度是否發(fā)生變化，不能作為斷定碟簧彈性的有效參數(shù)。

抱閘時(shí)，泵站提供的高壓油被解除 (只有少量殘壓)，壓縮的碟簧開(kāi)始恢復(fù)，推動(dòng)活塞向反方向移動(dòng)，從而帶動(dòng)制動(dòng)閘瓦壓向提升機(jī)滾筒的制動(dòng)盤(pán)，實(shí)現(xiàn)制動(dòng)抱閘，這時(shí)的制動(dòng)正壓力完全由碟簧提供，其大小和變化規(guī)律直接反映了碟簧彈性強(qiáng)度的變化。因此，抱閘時(shí)采集的數(shù)據(jù)是判斷碟簧疲勞與否的有效參數(shù)。

該診斷系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集松閘和抱閘狀態(tài)的數(shù)據(jù)，其流程如圖 3 所示，將采集的數(shù)據(jù)按松閘和抱閘 2 種狀態(tài)分類，以 《煤礦安全規(guī)程》 規(guī)定的最大閘間隙 2 mm 時(shí)對(duì)應(yīng)的制動(dòng)力矩為標(biāo)準(zhǔn)，折算出碟簧的剛度，并以此剛度作為標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)抱閘狀態(tài)的碟簧正壓力、碟簧伸縮量等數(shù)據(jù)進(jìn)行分析計(jì)算和判斷，繪制出抱閘狀態(tài)的碟簧正壓力和碟簧剛度曲線，進(jìn)而斷定碟簧的疲勞程度。

圖3 碟簧疲勞診斷系統(tǒng)流程Fig.3 Process flow of fatigue diagnosis system for disc spring

該系統(tǒng)按每千次抱閘時(shí)碟簧剛度減小的最大值ΔK為參數(shù)，將碟簧疲勞程度分為輕度疲勞、中度疲勞和重度疲勞 (或碟簧斷裂)3 類，ΔK的值根據(jù)不同碟簧的型號(hào)而標(biāo)定。碟簧輕度疲勞時(shí)，系統(tǒng)不報(bào)警，只顯示數(shù)據(jù)和曲線；中度疲勞時(shí)，系統(tǒng)發(fā)出黃色報(bào)警，提示要對(duì)盤(pán)形閘碟簧進(jìn)行檢查和必要的更換；重度疲勞 (或碟簧斷裂)時(shí)，系統(tǒng)發(fā)出紅色報(bào)警，提示必須更換碟簧。

3 碟簧疲勞診斷系統(tǒng)的功能

(1)實(shí)時(shí)檢測(cè)每個(gè)盤(pán)形閘碟簧的正壓力大小，并由計(jì)算機(jī)顯示；

(2)對(duì)各閘每次松閘和制動(dòng)的碟簧正壓力值進(jìn)行儲(chǔ)存，便于分析碟簧疲勞的程度和數(shù)據(jù)瀏覽；

(3)可繪制每個(gè)盤(pán)形閘碟簧疲勞程度曲線，便于判斷碟簧剛度的變化；

(4)對(duì)碟簧剛度減小的最大值ΔK小于或等于標(biāo)定的下限值時(shí)進(jìn)行報(bào)警和語(yǔ)音提示；

(5)具有網(wǎng)絡(luò)接口，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程瀏覽。

4 結(jié)語(yǔ)

該提升機(jī)盤(pán)形閘碟簧疲勞診斷系統(tǒng)具有在線實(shí)時(shí)檢測(cè)每個(gè)盤(pán)形閘碟簧疲勞程度的功能，傳感器設(shè)置于盤(pán)形閘內(nèi)部，直接檢測(cè)碟簧的正壓力，不改變盤(pán)形閘的任何結(jié)構(gòu)和工況；傳輸信號(hào)為電流信號(hào)，受提升機(jī)房周圍的強(qiáng)電磁波干擾小，檢測(cè)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確；檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)碟簧正壓力小于或等于設(shè)定的下限值時(shí)進(jìn)行報(bào)警和語(yǔ)音提示，及時(shí)告誡司機(jī)和維修人員對(duì)該閘進(jìn)行維修，消除安全隱患，保證提升機(jī)安全運(yùn)行。