茹慶鋒

（晉能控股煤業(yè)集團晉圣億欣煤業(yè)， 山西 晉城 048200）

0 引言

礦井提升機是煤礦安全生產(chǎn)的關(guān)鍵設(shè)備，其主要功能是吊裝礦石，以及上下井升降作業(yè)人員的交通工具，在豎向或斜向狀態(tài)下高速運轉(zhuǎn)，肩負著礦山生產(chǎn)經(jīng)營正常運轉(zhuǎn)的重大使命。提升機的安全使用，直接關(guān)系到整個煤礦的安全生產(chǎn)，也關(guān)系到人身、財產(chǎn)的安全。礦井提升機制動系統(tǒng)的實時監(jiān)測、保護和故障診斷一直是礦井安全技術(shù)研究的重點內(nèi)容[1]，因此，研究和開發(fā)礦井提升機構(gòu)的故障檢測方案是十分必要的。

1 提升機制動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)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(nèi)煤礦提升機械多為盤式制動器，它的慣性小、結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕、動作靈敏、安全性好，被廣泛用于礦井起重設(shè)備。提升機構(gòu)動力系統(tǒng)由制動機構(gòu)和傳動機構(gòu)組成。制動機構(gòu)是一種在制動盤上直接產(chǎn)生制動功率的裝置。根據(jù)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(fù)合式三種[2]。角位移制動器結(jié)構(gòu)簡單，但壓力分布不均，制動力轉(zhuǎn)矩較低，適用于中小型提升機；平動、復(fù)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(fā)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(diào)整螺帽用于調(diào)整制動蹄間隙。連接螺栓將多個部件聯(lián)結(jié)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(shù)。

2 提升機制動系統(tǒng)故障檢測方案設(shè)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(tǒng)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(jù)盤式制動器部件之間的相關(guān)參數(shù)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(shù)；Rm為制動盤平均摩擦半徑，m；n 為制動盤閘瓦副數(shù)。

由式（1）可知，由于提升機構(gòu)制動盤的摩擦半徑和制動塊的數(shù)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(shù)相關(guān)，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(yù)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(yù)緊力、閘瓦間隙、活塞運動阻力、盤式制動器內(nèi)殘余壓力、閘瓦與制動盤之間的摩擦系數(shù)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(tǒng)和安全系統(tǒng)的失效?；谏鲜龇治?，在采取有效措施的同時，也要對其各個狀態(tài)參數(shù)進行監(jiān)測，以達到預(yù)防維護的目的。

2.2 狀態(tài)參數(shù)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(yù)防過卷事故的關(guān)鍵，一旦出現(xiàn)過卷，其故障的產(chǎn)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(tǒng)空載、兩罐籠相交時，采用應(yīng)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(guān)，進行緊急剎車。DSP 在從電源關(guān)機至停止期間檢測提升系統(tǒng)的速度，在此期間，可以清晰地看到通過DSP 準(zhǔn)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(diào)節(jié)不準(zhǔn)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(shù)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(tǒng)故障檢測總體方案

本文在對現(xiàn)有的檢測方法進行了研究和參考后，根據(jù)該系統(tǒng)的功能要求，給出了各個開關(guān)控制參數(shù)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(jù)起動時的脈沖寬度信號，確定制動器空動時間是否在預(yù)定的范圍內(nèi)；對閘瓦間隙，利用位移傳感器進行數(shù)據(jù)采集，并通過測量位移值獲得相應(yīng)的閘間隙。

本文所述的檢測設(shè)備包括下位機和上位機系統(tǒng)。其中，下位機主要負責(zé)工作參數(shù)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(shù)數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進行分析、處理和管理。下位機以單片機為控制核心，設(shè)計開發(fā)了多通道數(shù)據(jù)采集卡，可以對數(shù)據(jù)進行簡單的計算和分析，并能將數(shù)據(jù)存入FLASH 或ROM。通過對下位機的功能進行選擇，可以實現(xiàn)下位機的單機工作和上下機的協(xié)同工作。在對提升機的動態(tài)參數(shù)進行測試后，通過下位機向PC 傳輸數(shù)據(jù)，經(jīng)由計算機的強大功能，可完成對提升機構(gòu)的運行參數(shù)的檢測。

3 實驗系統(tǒng)搭建與方案可行性驗證

3.1 實驗系統(tǒng)搭建與調(diào)試

對檢測裝置進行實驗的系統(tǒng)平臺搭建。采用傳感器測量各個設(shè)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(shè)計的要求，保證了供電模塊的工作狀態(tài)；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(qū)動系統(tǒng)的工作情況，下載顯示軟件到電控系統(tǒng)，檢查電控系統(tǒng)的功能；對制動系統(tǒng)儲存模塊進行測試，將具體資料寫入記憶體，并與讀出的數(shù)值進行比對，確認界面是否有效，并可正確處理記憶模組。經(jīng)過多次的測試和驗證，各部件均能正常工作，達到了設(shè)備的性能要求。

3.2 故障檢測結(jié)果分析

在測試好實驗平臺的可靠性后，將其應(yīng)用到了山西某礦的提升機制動系統(tǒng)中，開展有關(guān)故障檢測系統(tǒng)可行性的驗證。在提升機起料后的制動過程中，出現(xiàn)了空動時間過長的現(xiàn)象?？談訒r間過長的原因包括制動油殘余壓力過高、摩擦系數(shù)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(yù)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(shù)在正常范圍之內(nèi)，所以不考慮摩擦系數(shù)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(nèi)，因此排除了制動油壓過高的原因；根據(jù)制動塊的位移數(shù)據(jù)，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(diào)整，從而也就驗證了該檢測方法的可行性。

圖3 制動系統(tǒng)的故障檢測結(jié)果

4 結(jié)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(fā)，在分析了提升機及其制動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和工作原理的基礎(chǔ)上，確定了狀態(tài)參數(shù)的檢測方法，從而得出了故障檢測方案的總體設(shè)計思路，通過上、下位機協(xié)同工作，完成了對檢測過程的開發(fā)。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(tǒng)為基礎(chǔ)，對實驗平臺進行了搭建，檢測結(jié)果表明，該檢測方案能夠從采集出的數(shù)據(jù)出發(fā)，研究出制動系統(tǒng)的故障產(chǎn)生機理，滿足了穩(wěn)定測試的需要。