關于礦用單軌吊機車雙回油路制動系統的研究

寧振兵，王明勇

（太原礦機電氣股份有限公司，山西太原 030032）

0 引言

自20 世紀90 年代，國內開始大規模引進和使用防爆柴油機單軌吊輔助運輸系統，同時在2003 年國內自主知識產權的防爆蓄電池單軌吊也開始大范圍推廣和應用。在2004 年，由國家安全生產監督管理局與國家煤礦安全監察局下發的《煤礦安全規程》開始執行，經過多次修訂，于2016 年施行的《煤礦安全規程》（以下簡稱《規程》）對單軌吊機車也做了一下的規定和要求。第三百九十條規定中的第（六）點要求：“柴油機和蓄電池單軌吊車，必須具備2 路以上相對獨立回油的制動系統，必須設置超速保護裝置”，首次將單軌吊機車的制動油路列入要求范圍之內。

1 現狀

《規程》要求，柴油機和蓄電池單軌吊車，必須具備2 路以上相對獨立回油的制動系統，必須設置超速保護裝置。由于單軌吊機的制動系統采用失效制動工作方式，該條規定的主要目的是要求單軌吊車的制動系統在一路回油閥組堵塞的情況下，另一路也能正常工作，不影響設備的正常制動。同時滿足《規程》第三百九十條規定第（三）條的第一點要求：“施閘時的空動時間不大于0.7 s”。

但是由于各設備配套廠家和使用煤礦對該條要求的理解問題，使目前單軌吊機車的制動油路必須采用兩組換向閥進行并聯，以達到“必須具備2 路以上相對獨立回油”的要求

2 存在問題

針對該種液壓系統要求，單軌吊機車設備生產廠家通過增加液壓泵站集成閥塊中的電磁換向閥數量，來達到《規程》要求（圖1）。這種設計方式在正常使用時，沒有問題，但當一路電磁閥發生堵塞時，會出現制動施閘空動時間延長，而且遠遠大于《規程》中要求的“不大于0.7 s”。

3 模擬試驗

結合實際應用狀態，搭建試驗和檢測模型：采用行程開關模擬設備的制動觸發裝置；采用三菱FX300 型可編程邏輯控制器（PLC）模擬設備的控制中心；采用兩個二位四通電磁閥模擬實際制動閥組；采用兩路獨立電源加兩個繼電器分別給兩個電磁閥供電，模擬制動時的斷電操作；采用液壓壓力表采集液壓系統壓力；采用數字毫秒表檢測空動時間。其中，1#二聯動行程開關為復位按鈕，2#二聯動行程開關為制動動作開始按鈕，位置行程開關為制動動作完成觸控按鈕。

圖1 雙油路制動系統

在模擬正常工作時，第一步，閉合1#二聯動行程開關，使數字毫秒表與PLC分別復位，PLC分別控制兩個繼電器閉合，兩組電磁閥工作，同時導通到左側位，使制動油缸收縮，模擬制動打開；第二步，閉合2#二聯動行程開關，使數字毫秒表開始計時，同時PLC 控制繼電器斷開，電磁閥復位到右側位，使油缸缸桿腔內的液壓油卸到油箱；失效制動油缸缸桿伸出到極限時觸控位置行程開關閉合，同時數字毫秒表停止計時；完成制動時間檢測。

根據控制原理，對PLC 進行編程（圖2）。

PLC 輸入觸點X004 閉合時，模擬正常工作狀態，X004 斷開時，模擬電磁閥2 堵塞時的工作狀態。通過調整液壓系統工作壓力，分別計錄正常狀態與非正常狀態的制動空動時間（表1）。參數曲線分析如圖3 所示。

4 結果分析

4.1 制動油缸空動行程內最小回油流量

根據單軌吊制動系統結構（圖4），制動油缸缸筒直徑80 mm，缸桿直徑40 mm，行程150 mm，制動空動時油量。

要求空動時間小于0.7 s，電氣系統邏輯分析時間預留0.1 s，則液壓制動油缸空動時間小于0.6 s，可得空動時間內要求最小回油流量。

圖2 檢測程序

表1 優化前制動空動時間與系統壓力數據 s

圖3 參數曲線分析

圖4 制動結構

4.2 正常狀態液壓系統

液壓系統總流量為36 L/min，制動電磁閥額定流量為 63 L/min（31.5 MPa 壓力時）。根據單軌吊制動油缸收縮壓力為9 MPa，可得空動行程時壓力最大為9 MPa，則制動電磁閥回油流量為。由于正常狀態制動電磁閥為雙回路，所以回油流量 為 36 L/min，遠大于要求的回油流量，滿足設計要求。

4.3 非正常狀態液壓系統

非正常狀態下，單路電磁閥回油流量與要求回油流量相等，理論上滿足設計要求，但實測結果無法滿足要求，根據實際情況，模擬液壓系統液體流向系統。在非正常制動狀態下，堵塞電磁閥由于無法動作，在需要回油的時候還是在補油，造成整個制動系統在需要制動時無法快速泄壓，使空動時間大于《規程》要求的空動時間。

5 設計優化

5.1 制動系統油路優化

分析并聯電磁閥在非正常狀態下的工作情況，出現問題的主要原因是考慮到回油油路的并聯來提高了制動時的回油速度，但沒有考慮進油油路的影響因素，在一個電磁閥發生堵塞時，不僅沒有增加回油速度，反而由于進油口的不斷補液，造成制動系統的壓力無法卸載，影響制動空動時間。

針對該設計思路，采用一種新型的電磁布置方式，將電磁閥的回油油路并聯，而進油油路進行串聯，使兩個電磁閥的進油口形成閉鎖結構，在一個電磁閥發生故障時，制動系統無法進油，只能卸載，達到本質安全型的油路結構。

5.2 優化后油路檢測

通過將兩個電磁閥的進油口串聯、回油口并聯，搭建試驗檢測模型（圖5）。

試驗檢測所用的控制程序不變，同樣是采集和記錄正常狀態與非正常狀態下的空動行程時間（表2）。

圖5 試驗模型原理

表2 優化后制動空動時間與系統壓力數據 s

通過檢測，不論是在正常狀態還是非正常狀態下，制動油路滿足設計要求。

6 結論

通過單軌吊制動系統的雙油路研究與分析，根據《規程》要求來設計產品的主要問題還是各生產廠家在《規程》對“2 路以上相對獨立回油的制動系統”的要求上理解不到位，“2 路以上的獨立回油”不代表兩個電磁閥完全并聯，在回油并聯的同時需要考慮進油口對制動工作時的影響。但與此同時，也建議《規程》制定更嚴謹一些，建議在“柴油機和蓄電池單軌吊車，必須具備2 路以上相對獨立回油的制動系統”的要求上增加“多路進油油路相互閉鎖”。