煤礦提升機制動系統故障檢測方案的設計與驗證

茹慶鋒

（晉能控股煤業集團晉圣億欣煤業， 山西 晉城 048200）

0 引言

礦井提升機是煤礦安全生產的關鍵設備，其主要功能是吊裝礦石，以及上下井升降作業人員的交通工具，在豎向或斜向狀態下高速運轉，肩負著礦山生產經營正常運轉的重大使命。提升機的安全使用，直接關系到整個煤礦的安全生產，也關系到人身、財產的安全。礦井提升機制動系統的實時監測、保護和故障診斷一直是礦井安全技術研究的重點內容[1]，因此，研究和開發礦井提升機構的故障檢測方案是十分必要的。

1 提升機制動系統的結構組成及原理

制動裝置是礦井提升機正常停車、工作制動和安全制動的重要組成部分。目前國內煤礦提升機械多為盤式制動器，它的慣性小、結構緊湊、重量輕、動作靈敏、安全性好，被廣泛用于礦井起重設備。提升機構動力系統由制動機構和傳動機構組成。制動機構是一種在制動盤上直接產生制動功率的裝置。根據制動力矩的不同，可分為塊式制動器和盤式制動器。塊式制動器有：角式、平動式和復合式三種[2]。角位移制動器結構簡單，但壓力分布不均，制動力轉矩較低，適用于中小型提升機；平動、復合制動器的制動力分配更均勻，適用于大型提升機。

不同于塊狀制動器的是，盤式制動器是通過將制動塊的兩邊分別施加到制動盤上，防止制動盤發生額外的變形，主軸無法承受額外的軸向壓力。這樣，盤式制動器總是配對使用。盤式制動器包括摩擦片、制動盤、彈簧、后罩、活塞、氣缸等。制動器安裝在車架上，并依賴于蝶形彈簧的作用力，將制動片壓到制動盤上。調整螺帽用于調整制動蹄間隙。連接螺栓將多個部件聯結起來，其作用是將蝶形彈簧置于制動盤的一端，而液壓缸則置于后方，以防止機油泄漏時對制動器造成污染，從而減小摩擦系數。

2 提升機制動系統故障檢測方案設計

2.1 提升機制動器的故障機理分析

礦用提升機盤式制動系統的制動力矩是由作用在制動盤上的蝶形彈簧的彈性力引起的，使制動盤向軸向壓在制動盤上[3]。制動失效的主要原因是制動力矩的缺乏或丟失。因此，可以根據盤式制動器部件之間的相關參數來查找故障原因。盤式制動器的制動力矩MZ可以用式（1）表示：

式中：Ni為制動盤上各制動塊施加的正壓力，N；fi為制動盤與閘瓦之間的摩擦因數；Rm為制動盤平均摩擦半徑，m；n 為制動盤閘瓦副數。

由式（1）可知，由于提升機構制動盤的摩擦半徑和制動塊的數目是固定的，因此，制動力矩的大小與制動盤的正向壓力以及制動盤與閘瓦的摩擦系數相關，而正向的壓力N 可以由式（2）來表達：

式中：K 為碟形彈簧的剛度，N/m；Δ0為彈簧在制動器無液壓油時的預壓量，m；F2為盤形閘中活塞運動阻力，N；P3為盤形閘中殘壓，Pa；A 為盤形閘中油缸面積，m2。

從上述公式可以看出，制動力矩受蝶形彈簧剛度、彈簧預緊力、閘瓦間隙、活塞運動阻力、盤式制動器內殘余壓力、閘瓦與制動盤之間的摩擦系數等因素的影響。綜合以上因素，得出了盤式制動器失效的原因：一是制動力矩過低或太大，二是制動系統和安全系統的失效。基于上述分析，在采取有效措施的同時，也要對其各個狀態參數進行監測，以達到預防維護的目的。

2.2 狀態參數檢測方法

2.2.1 空動時間測試方法

提升機制動的空動時間是預防過卷事故的關鍵，一旦出現過卷，其故障的產生在某種程度上依賴于制動的空動時間。過去通常采用電秒表來測量空動時間，目前針對空動時間的測試，主要是在提升系統空載、兩罐籠相交時，采用應急制動的方法來確定空動時間。具體的操作方法（見圖1）是在兩個罐籠都是空載的情況下，DSP 對罐籠的位置進行探測，在提升罐籠達到提升高度的1/2 時，也就是兩個罐籠接觸的一剎那，把主令控制器移到零位上使主電動機電源立即斷開，并啟動開關，進行緊急剎車。DSP 在從電源關機至停止期間檢測提升系統的速度，在此期間，可以清晰地看到通過DSP 準確測量的制動的空動時間t0。

圖1 空載兩罐籠相遇后緊急制動提升容器速度曲線

2.2.2 閘瓦間隙測試方法

閘瓦間隙會改變制動盤的空動時間，造成對制動盤的控制延遲，從而引起閘瓦間隙調節不準確、空載時間過長、無法及時剎車等問題。以前采用的是電秒表對閘瓦間隙進行測量，也有采用渦流式位移傳感器和射線示波器。在盤式制動器制動時，把傳感器與底座連接，完全放松時，傳感器與制動器后表面之間的間隙約為2 mm。安裝傳感器后，在制動過程中，傳感器與制動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，B 為貼閘點，A、B 兩個點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安全空動時間）。其數值大小是：

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 制動系統故障檢測總體方案

本文在對現有的檢測方法進行了研究和參考后，根據該系統的功能要求，給出了各個開關控制參數的測試方法。為了獲得正確的信號，利用自制的測量電路來檢測保險閘空動時間，并根據起動時的脈沖寬度信號，確定制動器空動時間是否在預定的范圍內；對閘瓦間隙，利用位移傳感器進行數據采集，并通過測量位移值獲得相應的閘間隙。

本文所述的檢測設備包括下位機和上位機系統。其中，下位機主要負責工作參數的采集、簡單計算、存儲和顯示。上位機的工作主要是從下位機讀取性能參數數據，并對數據進行分析、處理和管理。下位機以單片機為控制核心，設計開發了多通道數據采集卡，可以對數據進行簡單的計算和分析，并能將數據存入FLASH 或ROM。通過對下位機的功能進行選擇，可以實現下位機的單機工作和上下機的協同工作。在對提升機的動態參數進行測試后，通過下位機向PC 傳輸數據，經由計算機的強大功能，可完成對提升機構的運行參數的檢測。

3 實驗系統搭建與方案可行性驗證

3.1 實驗系統搭建與調試

對檢測裝置進行實驗的系統平臺搭建。采用傳感器測量各個設備的電壓，保證主控芯片、測量電路和液晶的供電電壓符合設計的要求，保證了供電模塊的工作狀態；檢測鍵盤的輸入，能夠通過對按鍵界面的電平檢測來確定是否存在按鍵操作；開機后，檢查驅動系統的工作情況，下載顯示軟件到電控系統，檢查電控系統的功能；對制動系統儲存模塊進行測試，將具體資料寫入記憶體，并與讀出的數值進行比對，確認界面是否有效，并可正確處理記憶模組。經過多次的測試和驗證，各部件均能正常工作，達到了設備的性能要求。

3.2 故障檢測結果分析

在測試好實驗平臺的可靠性后，將其應用到了山西某礦的提升機制動系統中，開展有關故障檢測系統可行性的驗證。在提升機起料后的制動過程中，出現了空動時間過長的現象。空動時間過長的原因包括制動油殘余壓力過高、摩擦系數過小、制動蹄間隙過大、蝶形彈簧失效等。試驗前，各閘板蝶簧的剛度和預壓縮收縮率均滿足要求，排除了蝶簧的失效；在實際工作中，由于摩擦力系數在正常范圍之內，所以不考慮摩擦系數過低的可能；制動油壓圖如圖3-1 所示，顯示制動油壓的殘余壓力低于0.5 MPa，在正常范圍內，因此排除了制動油壓過高的原因；根據制動塊的位移數據，繪制出閘瓦的位移曲線，如圖3-2 所示，閘瓦位移超過極限，因此判斷該故障是由較大的閘瓦位移間隙引起的，必須對其進行調整，從而也就驗證了該檢測方法的可行性。

圖3 制動系統的故障檢測結果

4 結語

本文介紹了煤礦提升機盤型制動器故障檢測方案的研制和開發，在分析了提升機及其制動系統結構和工作原理的基礎上，確定了狀態參數的檢測方法，從而得出了故障檢測方案的總體設計思路，通過上、下位機協同工作，完成了對檢測過程的開發。最后，為了進一步驗證該檢測方案的可行性，以山西某礦的提升機制動系統為基礎，對實驗平臺進行了搭建，檢測結果表明，該檢測方案能夠從采集出的數據出發，研究出制動系統的故障產生機理，滿足了穩定測試的需要。