提升機安全制動通道全冗余的恒力矩液壓站的研制

徐桂云 張曉光

（中國礦業(yè)大學機電工程學院 江蘇徐州 221116）

1 問題的提出

2016 年10 月1 日施行的《煤礦安全規(guī)程》[1]第425條規(guī)定“安全制動必須有并聯(lián)冗余的回油通道”，目前使用的滿足該條規(guī)定的提升機“并聯(lián)冗余”恒力矩液壓站存在下列問題：（1）還有安全制動通道上僅設置一個電磁換向閥不冗余；（2）錯誤采用并聯(lián)，不僅不能實現(xiàn)冗余，而且存在安全制動失效概率增加一倍的隱患。

“并聯(lián)”不等于“冗余”，“并聯(lián)”和“冗余”是兩個不同的概念，“冗余”是實現(xiàn)的目標，“并聯(lián)”只是實現(xiàn)冗余的一種方法，還沒有文獻對“并聯(lián)冗余”進行解釋，突破“并聯(lián)冗余”的誤區(qū)，探索實現(xiàn)冗余方法，研制安全制動通道全冗余的提升機恒力矩制動液壓站。

2 采用“并聯(lián)”改造的恒力矩液壓站存在的問題

《煤礦安全規(guī)程》[1]427條規(guī)定：各類提升機的制動裝置發(fā)生作用時，提升系統(tǒng)的安全制動減速度，必須符合表1要求。

表1 提升系統(tǒng)安全制動減速度規(guī)定值

注：Ac=g( )sinθ+fcosθ

式中：Ac—自然減速度，m·s-2；

g—重力加速度，m·s-2；

θ—井巷傾角，°；

f—繩端載荷的運行阻力系數(shù)，取0.010～0.015。

文獻[2]中規(guī)定：恒力矩液壓站應具有可調(diào)整的二級制動性能，即一級制動油壓p1和一級制動油壓作用時間t1均可根據(jù)需要調(diào)整，二級制動中一級制動油壓沖擊值Δp2不得大于0.3 MPa，一級制動油壓p1在作用時問t1內(nèi)，下降值Δp1不得大于pmax的5%，見圖1。

圖1 二級制動油壓變化曲線

說明：

p—油壓，MPa；

t—時間，s；

p1—二級制動中一級制動油壓，MPa；

Δp1—二級制動中一級制動油壓下降值，MPa；

Δp2—二級制動中一級制動油壓沖擊值，MPa；

t0—二級制動中油壓從pmax下降到一級制動油壓的時間，s；

t1—二級制動中一級制動油壓延時的時間，s。

文獻[3]中的 B157、TE131、TY1-D/S 等提升機恒力矩液壓站的工作原理圖如圖1 所示，液壓元件工作狀態(tài)見表1，這是2016《煤礦安全規(guī)程》施行之前國內(nèi)煤礦廣泛使用的液壓站，下面敘述實現(xiàn)安全制動的功能，假設工作油壓pmax=5 MPa，第一級制動油壓p1=3 MPa，減壓閥調(diào)定油壓為2.8 MPa，當提升機系統(tǒng)發(fā)生故障需實現(xiàn)安全制動，電機斷電油泵1 的停止供油，比例溢流閥2斷電，A管制動器8中的壓力油從電磁換向閥G3 斷電換到左位回油箱，A 管制動器8 快速制動。根據(jù)提升容器所處位置實施井中、井口安全制動，1）當提升容器位于井中，滾筒全速轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)井中二級安全制動，類似汽車ABS防抱死制動，B管制動器7的壓力油經(jīng)過電磁換向閥G4 斷電換到左位與溢流閥3 和蓄能器6 導通，由溢流閥3 溢流回油箱，使B 管制動器7成為閉合回路并維持第一級制動油壓3 MPa，延時時間t1小于等于10 s，在延時過程中，蓄能器6起穩(wěn)壓作用，第一級制動油壓3 MPa基本不變，施加第一級力矩制動，實現(xiàn)井中第一級安全制動；延時時間結(jié)束，B 管制動器8 的壓力油經(jīng)過兩個并聯(lián)冗余的電磁換向閥G5、G6同時斷電換到左位回油箱，使油壓迅速降到零，施加總力矩制動，實現(xiàn)井中第二級安全制動；2）當提升容器位于井口，滾筒已減速，為避免過卷解除二級制動，B管制動器7的壓力油，一路經(jīng)過電磁換向閥G4斷電換到左位和電磁換向閥G6斷電換到左位流回油箱，另一路電磁換向閥G5斷電換到左位流回油箱，施加總力矩迅速制動，實現(xiàn)井口一級安全制動。

圖2 恒力矩液壓站的工作原理圖

表2 液壓元件工作狀態(tài)

圖2 所示恒力矩液壓站能完成安全制動功能，只是還有安全制動通道上僅設置一個電磁換向閥不冗余，安全制動時電磁換向閥是瞬間換位，出現(xiàn)換位故障的可能性很大，導致安全制動失效的概率也很大，根據(jù)《煤礦安全規(guī)程》第425 條“安全制動必須有并聯(lián)冗余的回油通道”的規(guī)定進行改造，主要有下列兩種改造方式，都還存在通道不冗余的安全隱患。

2.1 安全制動通道上僅設置一個閥不冗余實現(xiàn)了安全制動并聯(lián)回油箱的通道冗余

文獻[4-6]在圖2中通往B管制動器7和A管制動器8的管路上并聯(lián)電磁換向閥如圖3 所示，怎樣才能稱為并聯(lián)冗余？在一條通道上并聯(lián)的兩個閥在任一個出現(xiàn)故障的情況下，仍能完成本次安全制動，稱為通道的并聯(lián)冗余。以圖3所示井中二級制動的第一級安全制動狀態(tài)為例說明，并聯(lián)的兩個電磁換向閥G3、G7任一個出現(xiàn)故障，假設在電磁換向閥G3 出現(xiàn)故障情況下，A管制動器8 的壓力油，雖經(jīng)電磁換向閥G3 不導通，但經(jīng)過電磁換向閥G7斷電換到左位回油箱，完成快速制動功能，稱為A 管制動器8 和油箱的通道實現(xiàn)了并聯(lián)冗余；B管制動器7與比例溢流閥2、溢流閥3的通道僅設置一個電磁換向閥G4 不冗余，B 管制動器7 的壓力油經(jīng)過故障的電磁換向閥G4 右位和斷電的比例溢流閥回油箱，B管制動器7錯誤地進行了快速制動，施加全力矩快速制動，井中全速轉(zhuǎn)動的滾筒閘盤突然快速抱死，可能導致多繩摩擦式滑繩或單繩纏繞式斷繩事故，原因是井中第一級制動油壓p1，正確的是等于3 MPa 并維持一段時間施加第一級制動力矩制動，但錯誤地變?yōu)榱怂查g等于零施加全力矩快速制動，沒有完成井中二級制動的第一級安全制動的功能，導致井中二級安全制動失效。

圖3 安全制動通道上僅設置一個閥不冗余

2.2 錯誤采用并聯(lián)存在安全制動失效概率增加一倍的隱患

文獻[7]在圖2 的基礎上采用“并聯(lián)”方法設計了如圖4所示的液壓站，并授權了實用新型專利，下面分析它存在的安全隱患，圖4 所示狀態(tài)是井中第一級安全制動，兩個電磁換向閥G4和G8并聯(lián)，不僅不能實現(xiàn)冗余，而且井中第一級安全制動失效的概率增加一倍。并聯(lián)的兩個電磁換向閥G4、G8任一個出現(xiàn)故障，假設在電磁換向閥G8 出現(xiàn)故障情況下，B 管制動器7 的壓力油經(jīng)過故障的電磁換向閥G8 右位和斷電的比例溢流閥回油箱油壓為零，施加全力矩快速制動，沒有完成井中第一級安全制動的功能，導致井中安全制動失靈。電磁換向閥G4換位正確，若僅設置一個電磁換向閥G4，不會導致井中安全制動失靈，因為是多并聯(lián)的電磁換向閥G8 出現(xiàn)故障，導致井中安全制動失靈，所以錯誤地并聯(lián)了電磁換向閥G8，存在井中安全制動失效概率增加一倍的隱患。

圖4 錯誤采用并聯(lián)存在安全制動失效概率增加一倍的隱患

圖4所示的液壓站是現(xiàn)在國內(nèi)煤礦廣泛使用的液壓站，《煤礦安全規(guī)程》第425條規(guī)定“安全制動必須有并聯(lián)冗余的回油通道”，一部分是根據(jù)該條規(guī)定對圖2所示的原有液壓站改造設計[8-9]，另一部分是根據(jù)該條規(guī)定新設計制造[7]，兩個電磁換向閥G4 和G8 并聯(lián)，不僅沒有實現(xiàn)冗余，而且井中第一級安全制動失效的概率，比圖3所示僅有一個電磁換向閥G4的失效的概率增加一倍。但是圖3 所示液壓站并不是安全可靠，存在安全制動通道上僅設置一個閥不冗余的隱患。

安全制動通道冗余的概念理解為，一個通道上設置同時動作的兩個電磁換向閥，任一個電磁換向閥出現(xiàn)故障，仍能完成本次安全制動的功能，迫切需要研制安全制動通道全冗余的恒力矩液壓站。

3 提升機安全制動通道全冗余的恒力矩液壓站的研制

研制的提升機安全制動通道全冗余的恒力矩液壓站已授權發(fā)明專利[10]，工作原理如圖5所示，液壓元件工作狀態(tài)見表3。對圖4 所示電磁換向閥G4 所在通道進行分析，電磁換向閥G4 是二位三通，正常工作開閘通電時處于右位實現(xiàn)B 管制動器7 與泵、比例溢流閥導通，安全制動時斷電處于左位實現(xiàn)B管制動器7與溢流閥3、蓄能器4導通，同時B管制動器7與斷電的泵1、比例溢流閥2阻斷，使B管制動器7成為閉合回路并維持第一級制動油壓。按照安全制動的通道冗余要求設計如圖5所示液壓站，創(chuàng)新設計思想是：一條通道要導通采用兩個并聯(lián)的電磁換向閥連接實現(xiàn)并聯(lián)冗余導通，一條通道要阻斷采用串聯(lián)的兩個電磁換向閥連接實現(xiàn)串聯(lián)冗余阻斷，B 管制動器7 與溢流閥3、蓄能器4的通道上采用兩個電磁換向閥G4、G8并聯(lián)冗余導通，B管制動器7與斷電的泵1、比例溢流閥2的通道上采用兩個電磁換向閥G4、G9串聯(lián)冗余阻斷。

圖5 提升機安全制動通道全冗余的恒力矩液壓站

下面敘述安全制動通道全冗余情況，電磁換向閥均有閥位監(jiān)測功能，監(jiān)測到換位故障能報警或閉鎖下次開車。A管制動器8實現(xiàn)安全制動冗余，A管制動器8通過并聯(lián)的兩個G3、G7電磁換向閥與油箱實現(xiàn)并聯(lián)冗余導通，兩個電磁換向閥G3、G7 任一個出現(xiàn)故障，假設斷電的電磁換向閥G3 出現(xiàn)未換到右位的故障如圖5 所示，由斷電的電磁換向閥G7 換到右位仍導通，完成A 管制動器8 快速制動的功能。B 管制動器7 根據(jù)提升容器所處位置實施井中、井口安全制動，（1）實現(xiàn)井中第一級安全制動冗余，B管制動器7通過串聯(lián)的兩個電磁換向閥G4、G9 使B 管制動器與斷電的泵1、比例溢流閥2 實現(xiàn)串聯(lián)冗余阻斷，兩個電磁換向閥G4、G9任一個出現(xiàn)故障，假設斷電的電磁換向閥G9出現(xiàn)未換到右位的故障如圖5 所示，由斷電的電磁換向閥G4換到右位仍阻斷，使B管制動器7成為閉合回路保壓，同時B 管制動器通過并聯(lián)的兩個電磁換向閥G4、G8 與溢流閥3、蓄能器6 實現(xiàn)并聯(lián)冗余導通，兩個電磁換向閥G4、G9任一個出現(xiàn)故障，假設斷電的電磁換向閥G8出現(xiàn)未換到右位的故障如圖5所示，由斷電的電磁換向閥G4 換到右位仍導通，B 管制動器7 的壓力油由溢流閥3溢流回油箱，由蓄能器6維持第一級制動油壓3 MPa 基本不變，延時時間t1小于等于10 s，全部制動器施加第一級力矩制動，完成井中第一級安全制動的功能。（2）實現(xiàn)井中第二級安全制動冗余，延時時間結(jié)束后，B 管制動器通過并聯(lián)的兩個電磁換向閥G5、G6 與油箱實現(xiàn)并聯(lián)冗余導通，兩個電磁換向閥G5、G6任一個出現(xiàn)故障，假設斷電的電磁換向閥G5出現(xiàn)未換到左位的故障，由斷電的電磁換向閥G6換到左位仍導通，施加總力矩制動，完成井中第二級安全制動的功能。（3）實現(xiàn)井口一級安全制動冗余，B 管制動器通過并聯(lián)的兩個5電磁換向閥G5、G6與油箱實現(xiàn)并聯(lián)冗余導通，兩個電磁換向閥G5、G6 任一個出現(xiàn)故障，假設斷電的電磁換向閥G5出現(xiàn)未換到左位的故障，由斷電的電磁換向閥G6 換到左位仍導通，同時G4、G9電磁換向閥通電使B 管制動器與比例溢流閥導通回油，施加總力矩制動，完成井口一級安全制動的功能。

4 結(jié)論

本文分析了目前廣泛使用的采用“并聯(lián)”方法改造和設計的一種提升機恒力矩液壓站，錯誤采用并聯(lián)，不僅不能實現(xiàn)冗余，存在安全制動失效概率增加一倍的隱患。本文應用的創(chuàng)新設計思想是：一條通道要導通采用兩個并聯(lián)的電磁換向閥連接實現(xiàn)并聯(lián)冗余導通，一條通道要阻斷采用串聯(lián)的兩個電磁換向閥連接實現(xiàn)串聯(lián)冗余阻斷，研制了提升機安全制動通道全冗余的恒力矩液壓站，即使在每條通道都有一個電磁換向閥出現(xiàn)故障的情況下，仍能完成本次安全制動的功能，同時監(jiān)測到電磁換向閥的換位故障報警或閉鎖下次開車，大大提高了提升機安全制動的可靠性，在煤礦已廣泛推廣應用。