煤礦提升機(jī)液壓制動(dòng)系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)研究

程 剛

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

煤炭作為我國(guó)重要的能源組成，在發(fā)電、化工、冶金中廣泛應(yīng)用。立井提升機(jī)作為煤礦最重要的運(yùn)輸設(shè)備，承載煤炭、物料、人員的運(yùn)輸，其安全可靠性直接影響煤礦的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。近幾年，提升機(jī)造成生產(chǎn)事故的發(fā)生仍存在，大部分為制動(dòng)系統(tǒng)的故障，常見(jiàn)的有提升機(jī)墜罐、滑動(dòng)和過(guò)卷事故。國(guó)內(nèi)煤礦主要采用預(yù)防維修方法，一般定時(shí)間對(duì)設(shè)備進(jìn)行維修，致使在實(shí)際過(guò)程中出現(xiàn)欠維修或過(guò)剩維修的情況。但是在提升機(jī)實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)中，有的故障不能通過(guò)維修進(jìn)行發(fā)現(xiàn)，從而造成設(shè)備拆卸頻繁、故障率高、維修效率低等問(wèn)題。因此，本文研究煤礦提升機(jī)液壓制動(dòng)系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)，基于液壓制動(dòng)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，確定了煤礦提升機(jī)液壓制動(dòng)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)參數(shù)，并設(shè)計(jì)了各參數(shù)監(jiān)測(cè)方案。研究為減少設(shè)備的維修、節(jié)約檢修成本提供了技術(shù)支持。

1 液壓制動(dòng)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

液壓制動(dòng)控制系統(tǒng)主要包括執(zhí)行裝置和動(dòng)力裝置，系統(tǒng)功能[1-3]：①能夠?qū)σ簤褐苿?dòng)系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，主要是盤式制動(dòng)閘制動(dòng)盤偏擺量、空動(dòng)時(shí)間、閘瓦間隙，液壓站油泵電機(jī)電流、油壓、油溫等進(jìn)行監(jiān)測(cè)；②能夠自主調(diào)整主閥電液比例溢流閥，對(duì)開(kāi)合程度進(jìn)行調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)對(duì)制動(dòng)力的可控；③可以對(duì)各電磁換向閥進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)節(jié)能；④可以顯示制動(dòng)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)參數(shù)、電磁換向閥的狀態(tài)、滾筒角速度值等，并能夠?qū)收线M(jìn)行報(bào)警。

電控系統(tǒng)主要是內(nèi)部總線和監(jiān)控計(jì)算機(jī)，主要有電源系統(tǒng)、設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控、安全控制與監(jiān)測(cè)、潤(rùn)滑站控制與監(jiān)測(cè)、液壓站與盤形閘控制監(jiān)測(cè)、動(dòng)力制動(dòng)控制與監(jiān)測(cè)、轉(zhuǎn)子回路控制與監(jiān)測(cè)、換向控制與監(jiān)測(cè)、工作模式選擇與調(diào)繩、提升高度與速度測(cè)量、載荷測(cè)量及信息集成。根據(jù)系統(tǒng)需求，其液壓制動(dòng)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 液壓制動(dòng)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of hydraulic brake control system

2 液壓站和盤式制動(dòng)閘故障分析

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

通過(guò)對(duì)盤式制動(dòng)閘的制動(dòng)力矩進(jìn)行分析，得其公式為：

(1)

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

由式(1)可知，當(dāng)煤礦提升機(jī)液壓制動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)給定后，其閘瓦副數(shù)和制動(dòng)盤平均摩擦半徑已確定，則影響制動(dòng)力矩的參數(shù)只有閘瓦摩擦系數(shù)和制動(dòng)盤的正壓力。正壓力的計(jì)算公式：

N=(KΔ0-F2)-P3A

(2)

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

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

閘瓦間隙、彈簧預(yù)壓量和蝶形彈簧剛度的關(guān)系：

(3)

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

通常采用對(duì)液壓油油壓的測(cè)量來(lái)計(jì)算彈簧剛度。制動(dòng)開(kāi)始時(shí)，力的平衡方程為：

Kxi=Ft-Fz

(4)

式中，F(xiàn)t為運(yùn)動(dòng)阻力；Fz為貼閘油壓。

如貼閘完成時(shí)，制動(dòng)獲得最大制動(dòng)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(dòng)閘貼閘時(shí)的殘壓；Nmax為最大制動(dòng)壓力。

松閘時(shí)，平衡力方程為：

Kxi=Fk-Fz

(6)

式中，F(xiàn)k為開(kāi)閘油壓。

由式(4)—式(6)可得，彈簧剛度計(jì)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(jī)液壓制動(dòng)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 煤礦提升機(jī)液壓制動(dòng)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)參數(shù)Tab.1 Monitoring parameters of hydraulic brake system of mine hoist

3 監(jiān)測(cè)方案設(shè)計(jì)

3.1 液壓站監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)

(1)泵用電機(jī)電流監(jiān)測(cè)。主要目的為防止泵的電機(jī)損壞，采用BS41-N型交流傳感器串聯(lián)在電動(dòng)機(jī)定子電流的感應(yīng)回路中進(jìn)行測(cè)量[5-6]。泵用電機(jī)電流監(jiān)測(cè)參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 泵用電機(jī)電流監(jiān)測(cè)參數(shù)Tab.2 Pump motor current monitoring parameters

(2)液壓站油溫監(jiān)測(cè)。油溫過(guò)高，會(huì)使系統(tǒng)產(chǎn)熱過(guò)大，致使液壓站電磁閥器件損壞；油溫過(guò)低，會(huì)使液壓油黏稠度增大，致使油路阻塞，造成制動(dòng)失效。本文采用Pt100型溫度傳感器對(duì)液壓站油溫進(jìn)行監(jiān)測(cè)，Pt100型溫度傳感器主要參數(shù)：精度等級(jí)為0.2級(jí)，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(cè)。本文選擇CYB-20型壓力傳感器對(duì)液壓站工作油壓進(jìn)行監(jiān)測(cè)，該傳感器具有穩(wěn)定性好、準(zhǔn)確度高、體積小、防爆等特點(diǎn)，可以通過(guò)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(jiàn)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(dòng)閘監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)

(1)制動(dòng)盤偏擺量監(jiān)測(cè)。本文采用2個(gè)非接觸式電渦流傳感器來(lái)監(jiān)測(cè)制動(dòng)盤偏擺量。傳感器安裝位置如圖2所示，通過(guò)2個(gè)傳感器的數(shù)值的變化來(lái)計(jì)算制動(dòng)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(zhǎng)時(shí)間工作，動(dòng)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(dòng)時(shí)間監(jiān)測(cè)。本文采用虛擬儀器和機(jī)械裝置的方法對(duì)空動(dòng)時(shí)間進(jìn)行監(jiān)測(cè)。機(jī)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(jī)械安裝位置Fig.3 Mechanical installation position

空動(dòng)時(shí)間測(cè)量電路如圖4所示。圖4中，K1為安全回路的開(kāi)關(guān)信號(hào)；K2為機(jī)械裝置產(chǎn)生的貼閘信號(hào)(結(jié)束信號(hào))；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(dòng)時(shí)間測(cè)量電路Fig.4 Measurement circuit of idle time

(3)閘瓦間隙監(jiān)測(cè)。本文采用差動(dòng)式位移傳感器對(duì)閘瓦間隙進(jìn)行監(jiān)測(cè)，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(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、靈敏度高、頻帶寬、線性度高等特點(diǎn)。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(zhǎng)時(shí)間工作，開(kāi)機(jī)特性為免預(yù)熱，動(dòng)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(jí)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(cè)模塊總體結(jié)構(gòu)

監(jiān)測(cè)模塊總體結(jié)構(gòu)如圖6所示。由制動(dòng)盤偏擺傳感器、空動(dòng)時(shí)間測(cè)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(hào)，由信號(hào)調(diào)理電路轉(zhuǎn)化為0～3 V的電壓，并傳輸?shù)紸/D轉(zhuǎn)換模塊中，然后再轉(zhuǎn)化為數(shù)字量，輸入到主控單片機(jī)中，最終，所有數(shù)據(jù)在上位機(jī)進(jìn)行顯示和處理。

圖6 監(jiān)測(cè)模塊總體結(jié)構(gòu)Fig.6 Overall structure of monitoring module

5 結(jié)論

研究了煤礦提升機(jī)液壓制動(dòng)系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)，分析了液壓制動(dòng)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，分析了煤礦提升機(jī)液壓制動(dòng)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)參數(shù)，對(duì)相關(guān)技術(shù)監(jiān)測(cè)參數(shù)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，并給出了相關(guān)傳感器的選型。研究確保了煤礦的安全生產(chǎn)。