礦井提升機恒減速制動系統的組成及應用

劉天林　馬寧　劉陽　車強強　王立杰

摘要：多繩摩擦式提升機是地下礦山的生產建設的重要組成部分，制動系統是礦井提升機的重要安全保障。進入新世紀以來，地下礦山的安全形勢越來越嚴峻，恒減速液壓站在礦井提升系統中得到廣泛應用。通過對恒減速液壓站的組成及緊急停車時的油路分析，恒減速液壓站具有良好的制動性能，有效提高礦井提升機的安全穩定性。

關鍵詞：礦井提升機;制動裝置;液壓站;恒減速

1 前言

礦井提升是礦井生產過程中的重要環節，提升機及其輔助設備是地下礦山最重要的大型機電設備之一，是礦井運輸中的“咽喉設備”，是井下與地面聯系的重要工具，它的狀況如何，直接關系到生產的正常進行和人員安全。礦井提升機的任務是沿豎井井筒提升礦石、矸石、下放材料、升降人員和設備等。目前我國生產和使用的礦井提升機可分為纏繞式和摩擦式兩大類，相對于單繩纏繞式提升機，多繩摩擦式提升機有提升能力大、提升高度高、安全系數高等優勢，許多大型地下礦山采用多繩摩擦式提升機。

礦井提升機主要由井架、天輪、提升容器、鋼絲繩、提升機、控制系統、制動裝置等組成。制動裝置是提升機的重要組成部分，直接關系設備的安全運行。隨著科學技術的發展，具有恒減速功能的液壓制動裝置在礦井提升領域得到廣泛應用，ABB公司的液壓制動裝置恒減速功能較為穩定可靠。

2 恒減速制動液壓裝置的組成

恒減速液壓裝置通常包括兩個或者四個閘架，兩個互為備用的液壓站用于向制動單元供油，管路用于連接制動單元及液壓站，以及一套PLC控制柜用于提升機的啟、停、故障停車控制。

2.1 液壓站組成及其功能

制動液壓站是提升機制動系統的供油中樞，液壓站的控制系統同提升機的拖動類型、自動化程度相匹配。在直流拖動提升系統中，由于提升機的調速性能較好，液壓站控制的制動單元一般只是用于提升作業完畢時停車和安全制動。而在交流拖動的提升系統中，液壓站除提升完畢時停車和安全制動功能外，因制動單元還參與提升機速度的控制，所以液壓站還應具有調節制動力矩的作用，即調節制動油壓。以ABB恒減速液壓站為例，其組成如下：

2.1.1 油箱

液壓站配有一個可容納200L液壓油的油箱，液壓油必須通過安裝在油箱上的注油過濾器注入，此外油箱上還有油位計;帶自控功能的加熱器;帶循環功能的冷卻風機，在冷卻液壓油的同時能夠對油進行循環，過濾油內的雜質;液壓站油箱還裝配了一個PT100測溫元件，PLC控制系統通過PT100傳感器獲取油溫信息，從而對油溫進行控制，控制系統內設有4個溫度等級，分別為低溫油泵無法啟動、冷卻設備啟動溫度、高溫報警溫度、高溫故障溫度。

2.1.2 主油泵

主油泵為柱塞泵，一臺液壓站在油箱下面安裝一個主油泵。在主油泵的進口管道上配置一個關閉閥，這個關閉閥由一個限位開關進行監控，限位開關可提示控制系統閥門的開關狀態，對主油泵進行檢修時，無需將油箱內的液壓油排出，只需關閉管道的閥門即可檢修。

2.1.3 液壓控制閥組

在液壓站內配置一個液壓控制閥組，所有的流量閥、壓力閥、比例閥、壓力傳感器等都安裝在其中，這樣有利于降低管件的數量，安裝過程易操作，同時還可以減少泄露點。出于安全考慮，閥組及其閥門設計有兩套并行的降壓油路，并且任何一套油路都為安全停止提升機提供足夠的油壓。

2.1.4 蓄能器

蓄能器的主要作用是在提升機急停時維持制動系統的壓力，一般安裝在液壓站的右側。蓄能器與閥組直接連接，在閥組中裝有閥門對進出蓄能器的油進行控制。蓄能器上安裝了一個壓力傳感器，對充入蓄能器氮氣壓力進行實時監控。為保證恒減速制動能夠有效實施，蓄能器的氮氣壓力需維持在8.5-10.5MPa。

2.2 基于恒減速液壓站的PLC控制柜

該控制柜主要包括AC800系列的CPU模塊、電源模塊、I/O輸入輸出模塊、底板及機架模塊、通訊模塊及閘卡模塊。礦山提升系統的閘卡模塊一般選用BCC-1型控制板。其主要功能為比例控制功能、緊急控制功能，此外閘卡控制模板對提升控制還有一些檢測功能，比如測速發電機監視，支持直流電源監測和系統壓力指示。

礦井提升機的緊急制動狀況減速度的影響因素主要包括有效負載，旋轉方向、提升位置、閘瓦和閘盤之間的摩擦系數，這些因素會導致提升機在緊急制動時的減速度存在差異。在提升機的應用中，受這些因素的影響，在緊急停車時可獲得的減速度可能太低，超過危險的停止距離，或減速度太高，停車慣性太大，造成人員傷亡、設備損毀。在緊急制動期間，恒力矩制動不能滿足減速度在1.5m/s2至5m/s2之間;恒力矩緊急制動時由于制動力矩過大，極易造成提升機滾筒發生滑繩。BCC-1型閘卡的緊急制動功能能夠根據提升機的運行工況，引起相同的減速度，即制動轉矩遞增到減速度的所需值。

3 恒減速制動的工作原理

液壓站是礦井提升機制動控制系統的核心組成，ABB恒減速液壓站的液壓原理圖如圖1所示。

3.1 提升機急停時的壓力供應

礦井提升機正常運行時，制動單元的壓力會達到系統設定的最大工作壓力PMAX，系統向蓄能器能注入一部分油，使蓄能器的壓力達到系統的最大工作壓力。如圖1所示：提升機在正常制動時，與蓄能器相連的40號方向閥得電，此油路關閉。17號流量閥與40號閥串聯，其作用是調整蓄能器的放空時間，一般不得低于VMAX/2S，這個時間對實現提升機的恒減速功能至關重要。19號單向閥與40號閥、17號閥串聯，它在40號閥得電關閉時仍可允許油路通過蓄能器;提升機在發生急停時，6號油泵會停止工作，16、32、40號閥門失電，蓄能器通過17號閥門向制動單元釋放恒定流量的液壓油。

3.2 恒減速急停時的壓力降低過程

提升機發生急停時，16、32、40號閥門及主油泵用電機的電源會被切斷，此時系統的油將通過11和25號閥門回油箱，直到系統壓力達到11號閥設定的壓力為11MPa，此時制動塊與制動盤接觸，系統達到11MPa后，11號閥門關閉，系統的液壓油將繼續通過25號閥門回油箱，在向油箱回油的過程中，使用電池供電的BCC-1型閘卡采集測速電機的信號，計算急停過程的需要的合適力矩，同時閘卡會向37號比例調節閥發出控制16號閥開啟的信號，從而達到所需的減速度。其中37號比例調節閥、132閥的低值的設定壓力為Pb，該壓力與減速負載所需要的最大制動力矩一致。直至提升機的速度減為零，制動單元的全力矩作用在制動盤。

4 結論

本文所述的恒減速液壓站的所有控制閥全部集中安裝在閥塊上，能夠有效減少管路，同時回油路徑采用雙回路，安全系數顯著增高。通過對提升機恒減速液壓站的組成及急停時系統壓力供應、回油路線的分析，對恒減速制動系統有了更深刻的認識，方便日后對制動系統的維護。

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