趙光輝，段秋華，劉坤良

1洛陽礦山機械工程設計研究院有限責任公司 河南洛陽 471039

2礦山重型裝備國家重點實驗室 河南洛陽 471039

礦 井提升機是礦山的重要“咽喉”設備，承擔著礦物的提升、人員的上下、材料和設備的運送任務[1]。隨著我國礦山事業(yè)的迅速發(fā)展，對礦井提升機的安全、平穩(wěn)、可靠運行提出了新的更高的要求。制動器作為礦井提升機制動系統(tǒng)的關鍵部件，其工作可靠性直接關系著礦井提升機的安全性能，影響礦山的安全生產。制動器一旦發(fā)生故障，輕則影響生產進度，重則導致惡性事故的發(fā)生[2]。

從 1958 年我國自主生產第一臺礦井提升機以來，在不同年代生產了諸多系列的礦井提升機，其技術水平也相差甚遠[3-4]。隨著礦井提升機技術水平的不斷提高和發(fā)展，許多服役年限較長的提升機，尤其是提升機制動器，其技術水平越來越顯得落后，存在液壓缸漏油、制動力矩不足、制動器松閘失效等不安全因素，給生產帶來了隱患，嚴重威脅生產安全[5-6]。

筆者從制動器的工作原理和機構分析入手，結合工作中制動器改造的實際經驗，闡述了制動器技術改造的典型方法，以期為提升機老產品的改造提供借鑒。

1 制動器的工作原理和結構

根據工作方式不同，制動器主要有盤形制動器和徑向塊閘制動器 2 種。

1.1 盤形制動器

1.1.1 結構

盤形制動器由碟形彈簧產生制動力，靠油壓松閘。制動力矩是靠閘瓦沿軸向從兩側壓向制動盤產生的，為了使制動盤不產生附加變形，主軸不承受附加軸向力，制動器均成對使用。盤形制動器按結構分為液壓缸前置式盤形制動器和液壓缸后置式盤形制動器。

(1) 前置式盤形制動器 液壓缸用螺栓固定在整體鑄鋼支架上，經過墊板，用地腳螺栓固定在基礎上。液壓缸內裝活塞、柱塞、調整螺母、蝶形彈簧等，筒體可在支座內往復移動，閘瓦固定在襯板上。

(2) 后置式盤形制動器 液壓缸由閘瓦、帶筒體的襯板、蝶形彈簧、液壓組件、連接螺栓、后蓋、密封圈、制動器體組成。液壓組件由擋圈、骨架式橡膠油封、Yx 形密封圈、液壓缸、調整螺母、活塞、液壓缸蓋組成。液壓組件可單獨整體拆下并更換。

1.1.2 改造必要性

《煤礦安全規(guī)程》(以下簡稱《規(guī)程》)[7]190規(guī)定：計算制動力矩時，閘輪和閘瓦的摩擦因數(shù)一般采用 0.30～0.35；制動裝置產生的制動力矩與實際提升最大載荷旋轉力矩之比K值不得小于 3。

(1) 前置式盤形制動器 液壓油所在的液壓腔靠近制動器的前端，一旦漏油，容易污染制動盤，降低閘瓦與制動盤之間的摩擦因數(shù)，無法滿足《規(guī)程》要求。

(2) 后置式盤形制動器 其體積小，質量輕，慣量小，動作快，可調性能好、可靠性高，是目前提升機采用較多的制動器類型。但使用年限較長的后置式制動器往往出現(xiàn)以下問題：①碟形彈簧在反復拉伸和壓縮后，出現(xiàn)疲勞或斷裂，造成碟簧剛度不足；② 活塞密封圈老化、液壓油污染等造成活塞運動阻力增大；③油質污染或油路堵塞造成制動系統(tǒng)殘壓過大。上述問題都會造成制動器輸出的正壓力不足，使其產生的制動力矩無法滿足《規(guī)程》要求。

因此，對于前置式盤形制動器，以及使用年限較長、制動性能不好的后置式盤形制動器必須進行制動系統(tǒng)改造。

1.2 徑向塊閘制動器

1.2.1 結構

徑向塊閘制動器按結構主要分為角移式和平移式塊閘制動器[8]。

(1) 角移式塊閘制動器 焊接結構的前制動梁和后制動梁經三角杠桿彼此連接，閘瓦固定在制動梁上。制動時，三角杠桿的右端按逆時針方向轉動，帶動前制動梁；同時，經拉桿帶動后制動梁各自繞其軸承轉動一個不大的角度，使 2 個閘瓦壓向制動輪產生制動力。

該制動器圍抱角較小 (φ=60°～70°)，所產生的制動力矩較小。由于閘瓦表面的壓力分布不均，閘瓦上下磨損也不均勻。經年累月的使用，操縱系統(tǒng)及角移式制動器本身的各種銷軸、銷孔逐漸磨損，間隙增加，使得傳遞運動的時間延長，動作靈敏性變差。

(2) 平移式塊閘制動器 當工作制動缸充氣或安全制動氣缸放氣時，都可使立桿向上運動，通過三角杠桿、拉桿等驅使前后制動梁上的閘瓦壓向制動輪產生制動作用。反之，若放氣或充氣，都使立桿向下運動，實現(xiàn)松閘。該制動器前后制動梁是近似平移的，與角移式制動器相比，其圍抱角比較大，產生的制動力矩較大，閘瓦壓力及磨損較均勻，但結構復雜。

1.2.2 改造必要性

《規(guī)程》[7]190-191規(guī)定：制動閘空動時間，盤式制動裝置不得超過 0.3 s，徑向制動裝置不得超過 0.5 s。制動系統(tǒng)慣性大[9]，安全制動時不能滿足提升系統(tǒng)的安全制動減速度要求 (提升減速度≤5 m/s2、下放減速度≥1.5 m/s2)。

徑向塊閘制動器制動系統(tǒng)結構復雜，安全制動時間長，不能滿足規(guī)程要求。這對安全指標要求很高的礦井提升機設備來講，是一個嚴重的技術問題，必須通過改造加以解決。

2 改造思路

(1) 在滿足技術要求的前提下，盡量采用新技術、新成果、新結構，以提高設備的精度，節(jié)約能源，降低消耗和成本，改善設備的安全性、可靠性和維修性，達到提高設備技術水平的目的。

(2) 提升機制動系統(tǒng)技術改造后，要滿足：制動力矩應滿足 3 倍靜力矩要求；動防滑安全系數(shù)≥1.25；靜防滑安全系數(shù)≥1.75。

(3) 盡量縮短設備的停產時間，減少對礦井生產的影響。①盡量考慮利用原基礎，不動或少動基礎；② 在設計時從結構上采取措施，盡量減少現(xiàn)場安裝工作量；③設計中加強與現(xiàn)場的協(xié)調，避免因原設備圖紙與實物不符而造成安裝時的麻煩；④ 安裝時加強現(xiàn)場服務，即時協(xié)助用戶解決和商討處理臨時出現(xiàn)的技術問題。

3 典型改造方法

《規(guī)程》2016 版于 2016 年 10 月 1 日起施行，對煤礦安全提出了新的要求?！兜V井提升機回收評估規(guī)范》于 2017 年 7 月 12 日發(fā)布，規(guī)定了提升機回收改造的總體原則、回收改造評估技術要求，為提升機老產品改造提供了技術依據?；诖?，結合工作中制動器改造實際經驗，闡述了幾種典型制動器技術改造方法。

3.1 盤形制動器改造

3.1.1 改為后置式盤形制動器

(1) 利用原盤形制動器基礎螺栓位置，重新設計新的制動器支架，支架螺栓孔一般設計為 U 形孔，甚至是貫通孔，以方便現(xiàn)場安裝調整；

(2) 保證中心高不變；

(3) 制動器數(shù)量根據載荷計算確定，不受原設備影響；

(4) 根據需要，制動器可以采用非對稱結構；

(5) 新制動器安裝后，必須保證與原設備無干涉現(xiàn)象，并留有合理的檢修拆卸空間；

(6) 制動器裝置應能順利安裝或拆除；

(7) 閘瓦應完全包容在老設備閘盤工作面內。

改造后，制動器制動單元型號有 TP1-25、TP1-40、TP1-63、TP1-80、TP1-100、TP1-125、TP1-150；配套液壓站有中低壓液壓站 (6.3 MPa)、中高壓液壓站 (14 MPa)、恒減速液壓站 (14 MPa)，可以滿足不同型號提升機配套需求；制動器制動性能好、安全可靠性高，并且性價比高。改造后盤形制動器裝置如圖 1 所示。

若配套液壓站為恒減速液壓站，需要增加測速機安裝接口，對提升機速度及位置狀態(tài)信息進行采集，以實現(xiàn)恒減速調速的功能。根據現(xiàn)場情況，測速機安裝接口有 2 種改造方法：壓輪式測速機連接裝置和軸端齒輪箱。

圖1 改造后的盤形制動器Fig.1 Disc brake after innovation

(1) 壓輪式測速機連接裝置 通過彈簧張緊使橡膠輪緊靠在制動盤的內環(huán)面上，橡膠輪與制動盤內環(huán)面之間產生正壓力，從而產生一定的摩擦力。在摩擦輪傳動時，驅動橡膠輪以一定的轉速比轉動，從而帶動測速機轉動，并將速度信號反饋至電控柜中，實現(xiàn)恒減速制動。結構如圖 2 所示。該裝置通過膨脹螺栓安裝于機房地面上，安裝位置在靠近一側制動盤內環(huán)面處。使用該方法的前提是制動盤內環(huán)面為加工面，且具有較好的圓度，安裝方式如圖 3 所示。

圖2 壓輪式測速機連接裝置結構示意Fig.2 Structural sketch of wheel-pressed connecting device for tachogenerator

圖3 壓輪式測速機連接裝置安裝示意Fig.3 Installation schematic of wheel-pressed connecting device for tachogenerator

(2) 軸端齒輪箱 對于制動盤內環(huán)面為非加工面，或者內環(huán)面圓度不好的制動器改造，建議采用軸端齒輪箱結構加裝測速機，如圖 4 所示。該裝置安裝在主軸裝置非傳動側端蓋上，利用擋板用螺栓固定在主軸端部，緊壓在軸承內圈上。擋板帶動一根撥銷，通過關節(jié)軸承組件，撥動一套雙聯(lián)齒輪，通過大小齒輪傳動實現(xiàn)測速機的增速。該裝置可保留原有編碼器的安裝位置。

圖4 軸端齒輪箱結構Fig.4 Structure of gear box at shaft end

3.1.2 改為新型閘控系統(tǒng)

新型智能閘控是中信重工研發(fā)的替代進口產品的高端制動系統(tǒng)，目前已大量應用在老舊提升機制動器的改造中。它的結構特點為：

(1) 制動器采用進口密封件和進口碟形彈簧；

(2) 配套智能閘檢測系統(tǒng)；

(3) 設置閘盤偏擺無接觸監(jiān)測元件；

(4) 所有管路采用進口卡套式管接頭及精密油管；

(5) 制動器體采用真空造型鑄造技術、數(shù)控加工技術、鏡面磨削技術等；

(6) 增加霍普納測速機接口，實現(xiàn)制動系統(tǒng)對實際提升速度的實時監(jiān)控。

對于多繩摩擦式提升機，用戶可根據需求，選配重力提升系統(tǒng) (見圖 5)。重力提升系統(tǒng)利用多繩摩擦式提升機的不平衡力移動罐籠。當提升設備出現(xiàn)故障、制動器抱閘停機時，制動閘依靠油泵 (電池供電)來松閘。由于系統(tǒng)沒有施加外力，當F1＞F2時，通過不平衡力來實現(xiàn)重力提升功能，較輕的容器上升，而較重的容器下降。閘控桿用來操作松閘，提升速度由測速機來檢測，并將速度限制在 1 m/s。由于整個重力提升系統(tǒng)由電池供電，因此可在全礦斷電的情況下運行。

重力提升系統(tǒng)包括重力下放液壓站、重力下放控制系統(tǒng) (配電池) 和測速機，與液壓站共用一套油管。改造后的新型智能閘控系統(tǒng)閘盤偏擺檢測精確度高，制動器密封性能和制動性能好，現(xiàn)場安裝時間短，大大降低了用戶的停產損失，技術性能與進口同類產品等同。改造后整個閘控系統(tǒng)如圖 6 所示。

圖5 重力下放系統(tǒng)的原理Fig.5 Structure diagram of gravity lowering system

圖6 新型智能閘控系統(tǒng)的布置Fig.6 Layout of new-type intelligent brake control system

3.2 徑向塊閘制動器改造

此改造方法適用于蘇制、仿蘇 KJ 型、仿蘇改進JKA 型礦井提升機，它們的卷筒都帶制動輪。

3.2.1 改為盤形制動器

(1) 加裝制動盤 由于原設備結構中沒有制動盤，故改造的首要任務是在原設備上加裝制動盤，俗稱“戴草帽”。具體實施方式是：利用原設備的制動輪作為安裝制動盤的基面，制動盤焊接成特殊的 L 形結構裝到原制動輪上，采用調整墊保證制動盤與主軸軸線垂直，然后將制動盤與卷筒進行點焊；現(xiàn)場利用鉆床在制動盤與原制動輪配合處打螺栓孔，孔的數(shù)量由提升機的規(guī)格決定，一般為精制螺栓孔和普通螺栓孔各一半，精制螺栓孔還需要進行配鉸。制動盤工作面粗糙度在廠內加工到 12.5 μm，并留有一定的加工余量，現(xiàn)場安裝好后需要對制動盤進行精車。盤形制動器的基礎可以重新制作，也可以利用原設備的地腳螺栓通過過渡支架連接。制動盤的安裝如圖 7 所示。

圖7 制動盤安裝示意Fig.7 Installation sketch of braking disk

(2) 加裝底座 采用徑向塊閘制動器的提升機在進行技術改造時，往往推薦使用單位改造全套提升設備。由于原制動器沒有合適的地腳螺栓可利用，機房又無法重新布置新螺栓。具體方案是設計一個整體大機架，將主軸裝置軸承座和盤形制動器支架通過 T 形頭螺栓安裝固定在整體大機架上，機架利用原主軸裝置軸承座基礎螺栓孔位置，并在固定制動器裝置處新增加螺栓進行固定，如圖 8 所示。

改造后盤形制動器的具體形式詳見 3.1.1 節(jié)和3.1.2 節(jié)。

該改造方法將制動效率低的徑向抱閘改為目前成熟的盤形制動器，閘瓦表面壓力分布均勻，制動性能好。制動力矩可根據實際載荷計算確定，滿足《規(guī)程》要求。

3.2.2 改為液壓徑向推力平移式制動器

此種改造是利用原徑向角移式制動器閘輪的制動面配液壓徑向推力平移式制動器，這種制動器有盤形制動器的顯著優(yōu)點，實際上是盤型制動器的一種派生產品。制動副的運動仍是直線運動，但其形狀不是平面，而是弧面。

該裝置全部運動構件都集中在制動組件里，發(fā)生運動的構件行程較小，而碟形彈簧產生的彈簧力很大，動作時慣量小，靈敏度高，碟形彈簧受壓變形能夠實現(xiàn)無級變化；而外部只有一個液壓油源，可以實現(xiàn)無級調壓，結構緊湊，制動力矩具有良好的可調性能。液壓徑向平移式抱閘裝置由兩組相同結構的制動組件共同置于同一基礎上，它們之間的間距由制動輪直徑所確定，通過制動組件上的安裝孔將一對平行設置的連接桿固定在其上，在各自的制動組件上配置有相同結構的制動塊，制動塊上鑲嵌閘瓦，由此構成一個帶有固定基座的框架結構，并且兩組制動組件由并聯(lián)的輸出油管路經液壓站統(tǒng)一控制。改造后的布置方式如圖 9 所示。

圖8 整體機架的安裝布置Fig.8 Installation sketch of whole frame

圖9 徑向推力平移式制動器Fig.9 Radial thrust translation type brake

該改造方法不需要配套制動盤，仍利用原設備制動輪進行制動，原設備基礎也可以不變，利用原地腳螺栓通過過渡支架與新制動器連接；布置較簡單，并且利用液壓站實現(xiàn)調壓、二級制動等功能。其缺點是制動器內部結構環(huán)節(jié)多，制動效率低，安裝調試工作量大。

3.2.3 改為塊式液壓彈簧閘

塊式彈簧閘與盤閘工作原理相同：油壓升高，彈簧壓縮，儲能，開閘；油壓下降，彈簧復位，釋放勢能，合閘。因制動力與卷筒直徑方向相同，稱為徑向受力液壓彈簧閘[8]。

改造時，不需要改變卷筒和制動輪結構，利用原制動器基礎，安裝上新的制動梁，懸掛液壓彈簧驅動器，擺放液壓站和司機臺，布置液壓油管后即可調試。改造后如圖 10 所示。

圖10 塊式液壓彈簧閘的布置Fig.10 Layout of blocked hydraulic spring brake

該改造方法安裝工程量小，工期較短；改善了原角移閘閘瓦磨損不均的狀況，延長閘瓦使用壽命；液壓元件遠離制動輪，降低了液壓油污染閘面使閘失效的概率。

4 結語

上述改造方法，中信重工已將其廣泛應用在制動器的改造實踐中。改造后的提升設備都能在安全可靠、性能良好的狀態(tài)下運行，并節(jié)約原材料，降低能耗，降低成本，減少停產時間，減少事故，給安全生產創(chuàng)造了良好條件。礦井提升機使用單位可根據需求選擇適合的方案對制動器進行改造，以確保提升機安全、平穩(wěn)、可靠的運行。