煤礦提升機液壓制動系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測技術研究

程 剛

(晉城煤業(yè)集團 古書院礦人力資源部職工教育培訓中心，山西 晉城 048000)

煤炭作為我國重要的能源組成，在發(fā)電、化工、冶金中廣泛應用。立井提升機作為煤礦最重要的運輸設備，承載煤炭、物料、人員的運輸，其安全可靠性直接影響煤礦的經濟和社會效益。近幾年，提升機造成生產事故的發(fā)生仍存在，大部分為制動系統(tǒng)的故障，常見的有提升機墜罐、滑動和過卷事故。國內煤礦主要采用預防維修方法，一般定時間對設備進行維修，致使在實際過程中出現(xiàn)欠維修或過剩維修的情況。但是在提升機實際運轉中，有的故障不能通過維修進行發(fā)現(xiàn)，從而造成設備拆卸頻繁、故障率高、維修效率低等問題。因此，本文研究煤礦提升機液壓制動系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測技術，基于液壓制動控制系統(tǒng)結構，確定了煤礦提升機液壓制動系統(tǒng)監(jiān)測參數(shù)，并設計了各參數(shù)監(jiān)測方案。研究為減少設備的維修、節(jié)約檢修成本提供了技術支持。

1 液壓制動控制系統(tǒng)結構

液壓制動控制系統(tǒng)主要包括執(zhí)行裝置和動力裝置，系統(tǒng)功能[1-3]：①能夠對液壓制動系統(tǒng)的運轉狀態(tài)進行監(jiān)測，主要是盤式制動閘制動盤偏擺量、空動時間、閘瓦間隙，液壓站油泵電機電流、油壓、油溫等進行監(jiān)測；②能夠自主調整主閥電液比例溢流閥，對開合程度進行調節(jié)，實現(xiàn)對制動力的可控；③可以對各電磁換向閥進行控制，實現(xiàn)節(jié)能；④可以顯示制動系統(tǒng)的監(jiān)測參數(shù)、電磁換向閥的狀態(tài)、滾筒角速度值等，并能夠對故障進行報警。

電控系統(tǒng)主要是內部總線和監(jiān)控計算機，主要有電源系統(tǒng)、設備狀態(tài)監(jiān)控、安全控制與監(jiān)測、潤滑站控制與監(jiān)測、液壓站與盤形閘控制監(jiān)測、動力制動控制與監(jiān)測、轉子回路控制與監(jiān)測、換向控制與監(jiān)測、工作模式選擇與調繩、提升高度與速度測量、載荷測量及信息集成。根據系統(tǒng)需求，其液壓制動控制系統(tǒng)結構如圖1所示。

圖1 液壓制動控制系統(tǒng)結構Fig.1 Structure of hydraulic brake control system

2 液壓站和盤式制動閘故障分析

對煤礦提升機液壓制動系統(tǒng)進行狀態(tài)監(jiān)測，首先要分析其失效的原因，得到其監(jiān)測的主要參數(shù)，主要體現(xiàn)在液壓站和盤式制動閘2方面。液壓站的故障主要有管內殘壓過高、電磁法故障、油泵故障等；盤式制動閘故障主要有閘瓦和制動盤摩擦系數(shù)降低、閘瓦間隙過大、蝶形彈簧剛度變化等[4-5]。

通過對盤式制動閘的制動力矩進行分析，得其公式為：

(1)

式中，Mz為盤式制動閘制動力矩；n為閘瓦副數(shù)；Rm為制動盤平均摩擦半徑；fi為閘瓦與制動盤的摩擦系數(shù)；Ni為閘瓦向制動盤施加的正壓力。

由式(1)可知，當煤礦提升機液壓制動系統(tǒng)結構給定后，其閘瓦副數(shù)和制動盤平均摩擦半徑已確定，則影響制動力矩的參數(shù)只有閘瓦摩擦系數(shù)和制動盤的正壓力。正壓力的計算公式：

N=(KΔ0-F2)-P3A

(2)

式中，N為閘瓦向制動盤施加的正壓力；A為盤式制動閘油缸面積；P3為盤式制動閘油缸殘壓；F2為盤式制動閘活塞運動阻力；Δ0為制動閘油壓為0時的預壓量；K為蝶形彈簧剛度系數(shù)。

由式(2)可知，當盤式制動閘油缸面積確定時，影響正壓力的因素為：閘瓦摩擦系數(shù)、閘瓦間隙與彈簧預壓量、閘瓦間隙和空動時間、彈簧剛度系數(shù)、油缸工作腔殘壓和制動盤偏擺量。

閘瓦間隙、彈簧預壓量和蝶形彈簧剛度的關系：

(3)

式中，Δi為第i個閘的閘瓦間隙；K為蝶形彈簧剛度系數(shù)；Fi為第i個閘的彈簧力；xi為第i個閘的彈簧預壓量。

通常采用對液壓油油壓的測量來計算彈簧剛度。制動開始時，力的平衡方程為：

Kxi=Ft-Fz

(4)

式中，F(xiàn)t為運動阻力；Fz為貼閘油壓。

如貼閘完成時，制動獲得最大制動壓力，其平衡方程為：

Nmax=Kxi-Fc-Fz=Ft-Fc

(5)

式中，F(xiàn)c為盤式制動閘貼閘時的殘壓；Nmax為最大制動壓力。

松閘時，平衡力方程為：

Kxi=Fk-Fz

(6)

式中，F(xiàn)k為開閘油壓。

由式(4)—式(6)可得，彈簧剛度計算公式為：

(7)

由式(7)可知，蝶形彈簧剛度可由閘瓦間隙和油壓求得。

綜合分析可知，煤礦提升機液壓制動系統(tǒng)監(jiān)測參數(shù)見表1。

表1 煤礦提升機液壓制動系統(tǒng)監(jiān)測參數(shù)Tab.1 Monitoring parameters of hydraulic brake system of mine hoist

3 監(jiān)測方案設計

3.1 液壓站監(jiān)測設計

(1)泵用電機電流監(jiān)測。主要目的為防止泵的電機損壞，采用BS41-N型交流傳感器串聯(lián)在電動機定子電流的感應回路中進行測量[5-6]。泵用電機電流監(jiān)測參數(shù)見表2。

表2 泵用電機電流監(jiān)測參數(shù)Tab.2 Pump motor current monitoring parameters

(2)液壓站油溫監(jiān)測。油溫過高，會使系統(tǒng)產熱過大，致使液壓站電磁閥器件損壞；油溫過低，會使液壓油黏稠度增大，致使油路阻塞，造成制動失效。本文采用Pt100型溫度傳感器對液壓站油溫進行監(jiān)測，Pt100型溫度傳感器主要參數(shù)：精度等級為0.2級，輸出電壓為0～5 V，輸入電壓為7.5～30.0 V，量程為-200～200 ℃。

(3)液壓站工作油壓監(jiān)測。本文選擇CYB-20型壓力傳感器對液壓站工作油壓進行監(jiān)測，該傳感器具有穩(wěn)定性好、準確度高、體積小、防爆等特點，可以通過螺紋直接連接在液壓油出口處。CYB-20型壓力傳感器參數(shù)見表3。

表3 CYB-20型壓力傳感器參數(shù)Tab.3 Pressure sensing parameters of CYB-20

3.2 盤式制動閘監(jiān)測設計

(1)制動盤偏擺量監(jiān)測。本文采用2個非接觸式電渦流傳感器來監(jiān)測制動盤偏擺量。傳感器安裝位置如圖2所示，通過2個傳感器的數(shù)值的變化來計算制動盤偏擺量[7-10]。

非接觸式電渦流傳感器參數(shù)：工作溫度-25～85 ℃，可長時間工作，動態(tài)頻率為0～10 kHz，輸出電流≤12 mA，輸出電壓1～5 V，供電電壓12～30 V，非線性誤差≤±1%，量程為4 mm。

(2)空動時間監(jiān)測。本文采用虛擬儀器和機械裝置的方法對空動時間進行監(jiān)測。機械安裝位置如圖3所示。

圖2 非接觸式電渦流傳感器安裝位置Fig.2 Installation position of non-contact eddy current sensor

圖3 機械安裝位置Fig.3 Mechanical installation position

空動時間測量電路如圖4所示。圖4中，K1為安全回路的開關信號；K2為機械裝置產生的貼閘信號(結束信號)；U1為整流控制光電隔離裝置；Q1為可控硅；Q2和Q3為三極管。

圖4 空動時間測量電路Fig.4 Measurement circuit of idle time

(3)閘瓦間隙監(jiān)測。本文采用差動式位移傳感器對閘瓦間隙進行監(jiān)測，傳感器的安裝位置如圖5所示。主要采用W-DCD10型位移傳感器，具有工作可靠、結構簡單、靈敏度高、頻帶寬、線性度高等特點。W-DCD10型位移傳感器參數(shù)：溫度漂移為0.03% ℃，工作溫度為-10～60 ℃，可長時間工作，開機特性為免預熱，動態(tài)頻率為0～200 Hz，輸出電流為4～20 A，輸出電壓為0～5 V，供電電壓為9～24 V，精度等級為0.5%，量程為10 mm。

圖5 傳感器的安裝位置Fig.5 Installation position of sensor

4 監(jiān)測模塊總體結構

監(jiān)測模塊總體結構如圖6所示。由制動盤偏擺傳感器、空動時間測量電路、電流傳感器、壓力傳感器、溫度傳感器輸出的電流信號，由信號調理電路轉化為0～3 V的電壓，并傳輸?shù)紸/D轉換模塊中，然后再轉化為數(shù)字量，輸入到主控單片機中，最終，所有數(shù)據在上位機進行顯示和處理。

圖6 監(jiān)測模塊總體結構Fig.6 Overall structure of monitoring module

5 結論

研究了煤礦提升機液壓制動系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測技術，分析了液壓制動控制系統(tǒng)結構，分析了煤礦提升機液壓制動系統(tǒng)監(jiān)測參數(shù)，對相關技術監(jiān)測參數(shù)進行了設計，并給出了相關傳感器的選型。研究確保了煤礦的安全生產。