煤礦提升機(jī)制動(dòng)系統(tǒng)故障檢測(cè)方案的設(shè)計(jì)與驗(yàn)證

茹慶鋒

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)晉圣億欣煤業(yè)， 山西 晉城 048200）

0 引言

礦井提升機(jī)是煤礦安全生產(chǎn)的關(guān)鍵設(shè)備，其主要功能是吊裝礦石，以及上下井升降作業(yè)人員的交通工具，在豎向或斜向狀態(tài)下高速運(yùn)轉(zhuǎn)，肩負(fù)著礦山生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)正常運(yùn)轉(zhuǎn)的重大使命。提升機(jī)的安全使用，直接關(guān)系到整個(gè)煤礦的安全生產(chǎn)，也關(guān)系到人身、財(cái)產(chǎn)的安全。礦井提升機(jī)制動(dòng)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、保護(hù)和故障診斷一直是礦井安全技術(shù)研究的重點(diǎn)內(nèi)容[1]，因此，研究和開(kāi)發(fā)礦井提升機(jī)構(gòu)的故障檢測(cè)方案是十分必要的。

1 提升機(jī)制動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成及原理

制動(dòng)裝置是礦井提升機(jī)正常停車(chē)、工作制動(dòng)和安全制動(dòng)的重要組成部分。目前國(guó)內(nèi)煤礦提升機(jī)械多為盤(pán)式制動(dòng)器，它的慣性小、結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕、動(dòng)作靈敏、安全性好，被廣泛用于礦井起重設(shè)備。提升機(jī)構(gòu)動(dòng)力系統(tǒng)由制動(dòng)機(jī)構(gòu)和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)組成。制動(dòng)機(jī)構(gòu)是一種在制動(dòng)盤(pán)上直接產(chǎn)生制動(dòng)功率的裝置。根據(jù)制動(dòng)力矩的不同，可分為塊式制動(dòng)器和盤(pán)式制動(dòng)器。塊式制動(dòng)器有：角式、平動(dòng)式和復(fù)合式三種[2]。角位移制動(dòng)器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但壓力分布不均，制動(dòng)力轉(zhuǎn)矩較低，適用于中小型提升機(jī)；平動(dòng)、復(fù)合制動(dòng)器的制動(dòng)力分配更均勻，適用于大型提升機(jī)。

不同于塊狀制動(dòng)器的是，盤(pán)式制動(dòng)器是通過(guò)將制動(dòng)塊的兩邊分別施加到制動(dòng)盤(pán)上，防止制動(dòng)盤(pán)發(fā)生額外的變形，主軸無(wú)法承受額外的軸向壓力。這樣，盤(pán)式制動(dòng)器總是配對(duì)使用。盤(pán)式制動(dòng)器包括摩擦片、制動(dòng)盤(pán)、彈簧、后罩、活塞、氣缸等。制動(dòng)器安裝在車(chē)架上，并依賴(lài)于蝶形彈簧的作用力，將制動(dòng)片壓到制動(dòng)盤(pán)上。調(diào)整螺帽用于調(diào)整制動(dòng)蹄間隙。連接螺栓將多個(gè)部件聯(lián)結(jié)起來(lái)，其作用是將蝶形彈簧置于制動(dòng)盤(pán)的一端，而液壓缸則置于后方，以防止機(jī)油泄漏時(shí)對(duì)制動(dòng)器造成污染，從而減小摩擦系數(shù)。

2 提升機(jī)制動(dòng)系統(tǒng)故障檢測(cè)方案設(shè)計(jì)

2.1 提升機(jī)制動(dòng)器的故障機(jī)理分析

礦用提升機(jī)盤(pán)式制動(dòng)系統(tǒng)的制動(dòng)力矩是由作用在制動(dòng)盤(pán)上的蝶形彈簧的彈性力引起的，使制動(dòng)盤(pán)向軸向壓在制動(dòng)盤(pán)上[3]。制動(dòng)失效的主要原因是制動(dòng)力矩的缺乏或丟失。因此，可以根據(jù)盤(pán)式制動(dòng)器部件之間的相關(guān)參數(shù)來(lái)查找故障原因。盤(pán)式制動(dòng)器的制動(dòng)力矩MZ可以用式（1）表示：

式中：Ni為制動(dòng)盤(pán)上各制動(dòng)塊施加的正壓力，N；fi為制動(dòng)盤(pán)與閘瓦之間的摩擦因數(shù)；Rm為制動(dòng)盤(pán)平均摩擦半徑，m；n 為制動(dòng)盤(pán)閘瓦副數(shù)。

由式（1）可知，由于提升機(jī)構(gòu)制動(dòng)盤(pán)的摩擦半徑和制動(dòng)塊的數(shù)目是固定的，因此，制動(dòng)力矩的大小與制動(dòng)盤(pán)的正向壓力以及制動(dòng)盤(pán)與閘瓦的摩擦系數(shù)相關(guān)，而正向的壓力N 可以由式（2）來(lái)表達(dá)：

式中：K 為碟形彈簧的剛度，N/m；Δ0為彈簧在制動(dòng)器無(wú)液壓油時(shí)的預(yù)壓量，m；F2為盤(pán)形閘中活塞運(yùn)動(dòng)阻力，N；P3為盤(pán)形閘中殘壓，Pa；A 為盤(pán)形閘中油缸面積，m2。

從上述公式可以看出，制動(dòng)力矩受蝶形彈簧剛度、彈簧預(yù)緊力、閘瓦間隙、活塞運(yùn)動(dòng)阻力、盤(pán)式制動(dòng)器內(nèi)殘余壓力、閘瓦與制動(dòng)盤(pán)之間的摩擦系數(shù)等因素的影響。綜合以上因素，得出了盤(pán)式制動(dòng)器失效的原因：一是制動(dòng)力矩過(guò)低或太大，二是制動(dòng)系統(tǒng)和安全系統(tǒng)的失效?；谏鲜龇治?，在采取有效措施的同時(shí)，也要對(duì)其各個(gè)狀態(tài)參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，以達(dá)到預(yù)防維護(hù)的目的。

2.2 狀態(tài)參數(shù)檢測(cè)方法

2.2.1 空動(dòng)時(shí)間測(cè)試方法

提升機(jī)制動(dòng)的空動(dòng)時(shí)間是預(yù)防過(guò)卷事故的關(guān)鍵，一旦出現(xiàn)過(guò)卷，其故障的產(chǎn)生在某種程度上依賴(lài)于制動(dòng)的空動(dòng)時(shí)間。過(guò)去通常采用電秒表來(lái)測(cè)量空動(dòng)時(shí)間，目前針對(duì)空動(dòng)時(shí)間的測(cè)試，主要是在提升系統(tǒng)空載、兩罐籠相交時(shí)，采用應(yīng)急制動(dòng)的方法來(lái)確定空動(dòng)時(shí)間。具體的操作方法（見(jiàn)圖1）是在兩個(gè)罐籠都是空載的情況下，DSP 對(duì)罐籠的位置進(jìn)行探測(cè)，在提升罐籠達(dá)到提升高度的1/2 時(shí)，也就是兩個(gè)罐籠接觸的一剎那，把主令控制器移到零位上使主電動(dòng)機(jī)電源立即斷開(kāi)，并啟動(dòng)開(kāi)關(guān)，進(jìn)行緊急剎車(chē)。DSP 在從電源關(guān)機(jī)至停止期間檢測(cè)提升系統(tǒng)的速度，在此期間，可以清晰地看到通過(guò)DSP 準(zhǔn)確測(cè)量的制動(dòng)的空動(dòng)時(shí)間t0。

圖1 空載兩罐籠相遇后緊急制動(dòng)提升容器速度曲線

2.2.2 閘瓦間隙測(cè)試方法

閘瓦間隙會(huì)改變制動(dòng)盤(pán)的空動(dòng)時(shí)間，造成對(duì)制動(dòng)盤(pán)的控制延遲，從而引起閘瓦間隙調(diào)節(jié)不準(zhǔn)確、空載時(shí)間過(guò)長(zhǎng)、無(wú)法及時(shí)剎車(chē)等問(wèn)題。以前采用的是電秒表對(duì)閘瓦間隙進(jìn)行測(cè)量，也有采用渦流式位移傳感器和射線示波器。在盤(pán)式制動(dòng)器制動(dòng)時(shí)，把傳感器與底座連接，完全放松時(shí)，傳感器與制動(dòng)器后表面之間的間隙約為2 mm。安裝傳感器后，在制動(dòng)過(guò)程中，傳感器與制動(dòng)器輪表面之間的距離為閘瓦間隙。閘瓦的位移曲線A 為起始緊閘點(diǎn)，B 為貼閘點(diǎn)，A、B 兩個(gè)點(diǎn)的縱向間距即為閘瓦的間隙，如圖2 所示，閘瓦間隙LAB的變化示意圖（t0安全空動(dòng)時(shí)間）。其數(shù)值大小是：

圖2 閘瓦間隙變化示意圖

式中：HAB為曲線上A、B 兩點(diǎn)的垂直距離，mm；KH為傳感器每毫米光高比例尺，mm/mm。

2.3 制動(dòng)系統(tǒng)故障檢測(cè)總體方案

本文在對(duì)現(xiàn)有的檢測(cè)方法進(jìn)行了研究和參考后，根據(jù)該系統(tǒng)的功能要求，給出了各個(gè)開(kāi)關(guān)控制參數(shù)的測(cè)試方法。為了獲得正確的信號(hào)，利用自制的測(cè)量電路來(lái)檢測(cè)保險(xiǎn)閘空動(dòng)時(shí)間，并根據(jù)起動(dòng)時(shí)的脈沖寬度信號(hào)，確定制動(dòng)器空動(dòng)時(shí)間是否在預(yù)定的范圍內(nèi)；對(duì)閘瓦間隙，利用位移傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并通過(guò)測(cè)量位移值獲得相應(yīng)的閘間隙。

本文所述的檢測(cè)設(shè)備包括下位機(jī)和上位機(jī)系統(tǒng)。其中，下位機(jī)主要負(fù)責(zé)工作參數(shù)的采集、簡(jiǎn)單計(jì)算、存儲(chǔ)和顯示。上位機(jī)的工作主要是從下位機(jī)讀取性能參數(shù)數(shù)據(jù)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、處理和管理。下位機(jī)以單片機(jī)為控制核心，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了多通道數(shù)據(jù)采集卡，可以對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行簡(jiǎn)單的計(jì)算和分析，并能將數(shù)據(jù)存入FLASH 或ROM。通過(guò)對(duì)下位機(jī)的功能進(jìn)行選擇，可以實(shí)現(xiàn)下位機(jī)的單機(jī)工作和上下機(jī)的協(xié)同工作。在對(duì)提升機(jī)的動(dòng)態(tài)參數(shù)進(jìn)行測(cè)試后，通過(guò)下位機(jī)向PC 傳輸數(shù)據(jù)，經(jīng)由計(jì)算機(jī)的強(qiáng)大功能，可完成對(duì)提升機(jī)構(gòu)的運(yùn)行參數(shù)的檢測(cè)。

3 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)搭建與方案可行性驗(yàn)證

3.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)搭建與調(diào)試

對(duì)檢測(cè)裝置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的系統(tǒng)平臺(tái)搭建。采用傳感器測(cè)量各個(gè)設(shè)備的電壓，保證主控芯片、測(cè)量電路和液晶的供電電壓符合設(shè)計(jì)的要求，保證了供電模塊的工作狀態(tài)；檢測(cè)鍵盤(pán)的輸入，能夠通過(guò)對(duì)按鍵界面的電平檢測(cè)來(lái)確定是否存在按鍵操作；開(kāi)機(jī)后，檢查驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的工作情況，下載顯示軟件到電控系統(tǒng)，檢查電控系統(tǒng)的功能；對(duì)制動(dòng)系統(tǒng)儲(chǔ)存模塊進(jìn)行測(cè)試，將具體資料寫(xiě)入記憶體，并與讀出的數(shù)值進(jìn)行比對(duì)，確認(rèn)界面是否有效，并可正確處理記憶模組。經(jīng)過(guò)多次的測(cè)試和驗(yàn)證，各部件均能正常工作，達(dá)到了設(shè)備的性能要求。

3.2 故障檢測(cè)結(jié)果分析

在測(cè)試好實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的可靠性后，將其應(yīng)用到了山西某礦的提升機(jī)制動(dòng)系統(tǒng)中，開(kāi)展有關(guān)故障檢測(cè)系統(tǒng)可行性的驗(yàn)證。在提升機(jī)起料后的制動(dòng)過(guò)程中，出現(xiàn)了空動(dòng)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)的現(xiàn)象?？談?dòng)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)的原因包括制動(dòng)油殘余壓力過(guò)高、摩擦系數(shù)過(guò)小、制動(dòng)蹄間隙過(guò)大、蝶形彈簧失效等。試驗(yàn)前，各閘板蝶簧的剛度和預(yù)壓縮收縮率均滿足要求，排除了蝶簧的失效；在實(shí)際工作中，由于摩擦力系數(shù)在正常范圍之內(nèi)，所以不考慮摩擦系數(shù)過(guò)低的可能；制動(dòng)油壓圖如圖3-1 所示，顯示制動(dòng)油壓的殘余壓力低于0.5 MPa，在正常范圍內(nèi)，因此排除了制動(dòng)油壓過(guò)高的原因；根據(jù)制動(dòng)塊的位移數(shù)據(jù)，繪制出閘瓦的位移曲線，如圖3-2 所示，閘瓦位移超過(guò)極限，因此判斷該故障是由較大的閘瓦位移間隙引起的，必須對(duì)其進(jìn)行調(diào)整，從而也就驗(yàn)證了該檢測(cè)方法的可行性。

圖3 制動(dòng)系統(tǒng)的故障檢測(cè)結(jié)果

4 結(jié)語(yǔ)

本文介紹了煤礦提升機(jī)盤(pán)型制動(dòng)器故障檢測(cè)方案的研制和開(kāi)發(fā)，在分析了提升機(jī)及其制動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和工作原理的基礎(chǔ)上，確定了狀態(tài)參數(shù)的檢測(cè)方法，從而得出了故障檢測(cè)方案的總體設(shè)計(jì)思路，通過(guò)上、下位機(jī)協(xié)同工作，完成了對(duì)檢測(cè)過(guò)程的開(kāi)發(fā)。最后，為了進(jìn)一步驗(yàn)證該檢測(cè)方案的可行性，以山西某礦的提升機(jī)制動(dòng)系統(tǒng)為基礎(chǔ)，對(duì)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行了搭建，檢測(cè)結(jié)果表明，該檢測(cè)方案能夠從采集出的數(shù)據(jù)出發(fā)，研究出制動(dòng)系統(tǒng)的故障產(chǎn)生機(jī)理，滿足了穩(wěn)定測(cè)試的需要。