基于故障树的提升机盘形制动器故障分析

石志勇

(大同煤矿集团公司 同家梁矿, 山西 大同 037025)

基于故障树的提升机盘形制动器故障分析

石志勇

(大同煤矿集团公司 同家梁矿, 山西 大同 037025)

盘形制动器是矿井提升机制动系统中的关键设备之一，一旦发生故障会带来严重后果。通过分析矿井提升机盘形制动器的工作原理和常见故障类型，建立了由4个逻辑或门和8个底事件构成的盘形制动器失效的故障树，并进行了定性和定量分析。通过分析可知，8个底事件只要任一个发生，都必然引起顶事件发生；顶事件发生的概率为23.8%，系统可靠性较低，应当加强日常的维护与检修。针对分析结果，主要从避免正压力不足和避免摩擦系数降低影响制动力矩两个方面提出预防与改进建议，具有一定的实践指导意义。

故障树；提升机；盘形制动器

0 引言

在煤炭生产过程中，矿井提升机是非常重要的大型设备之一，能够完成提升煤炭、升降人员或者运送材料工具等任务，是联系地面与井下的主要运输工具。近年来，随着我国煤炭企业的飞速发展，煤矿自动化程度也越来越高。深井提升、重载提升、高速提升以及自动化远程控制等技术都提高了提升机的自动化水平，但是也带来了新的安全问题。尤其是矿井提升机的制动系统，必须在自动化控制中具备最大负载可靠停止、紧急情况安全停止、断电时制动器及时运行有效停止等功能[1]。矿井提升机的安全性和可靠性直接关系到煤矿的经济效益和安全生产，被称为“矿山咽喉”。在常见的煤矿机电设备事故中，矿井提升机的事故率也比较高，甚至发生过恶性事故[2]。因此，如何确保矿井提升机的安全运行，提高提升机制动系统的可靠性是非常重要的一个研究内容。

故障树分析法是针对某种具体故障，通过逐层向下建立可能导致故障的各种因素的逻辑关系进行分析的一种方法。本文利用故障树分析法对煤矿带式输送机输送带故障进行分析，希望通过分析，寻找导致输送带故障的各种原因或者多种原因的组合，并以此为基础提出具有针对性的改进措施。通过分析，实现直观展现故障原因、方便查询故障类型、加强日常检查力度、加快故障维修效率等实际目标，作为实践工作的指导。

1 提升机盘形制动器工作原理

目前，很多提升机采用的是盘形制动器。相比于过去的轮式制动器，盘形制动器具有结构更加紧凑、动作更加灵敏、重量轻便、散热迅速等特点。

盘形制动器的制动力是通过盘形弹簧产生的。而且，为了确保制动盘没有附加变形，,主轴没有轴向附加力，所以闸盘都是成对使用，其工作原理图如图1所示。图中，F1是油压力，F2是弹簧压缩力。那么，当注入压力油时，F1>F2，活塞后移压缩弹簧，闸瓦与制动盘之间的间隙△>0，制动器保持松闸状态；反之，F1

图1 盘形制动器工作原理示意图

2 盘形制动器常见故障分析

盘形制动器的故障是指由于制动器的设计没有达到规定的要求，导致无法完成制动任务或者完成情况无法满足规定要求。通常来讲，盘形制动器的故障可以分为两大类，第一类是制动力矩不足造成制动失效；第二类是制动器松闸失效[3]。

2.1 制动力矩不足造成制动失效

制动力矩的产生是靠闸瓦沿轴向从两侧压向制动盘的，其计算公式如(式1)所示。根据(式1)可以看出，导致制动力矩不足的主要原因有两个，一个是摩擦系数的降低，另一个是正压力的不足[4]。

M=2NμRn

(1)

式中：M代表制动力矩；N代表正压力；R代表制动盘平均摩擦半径；n代表闸瓦个数；μ代表闸瓦与制动盘之间的摩擦系数。

制动力矩不足是由于闸瓦与制动盘之间的摩擦系数降低造成的。根据相关数据可知，摩擦系数降低的主要原因是闸盘表面被油污污染或者接触面发生变形。被油污污染的闸盘表面，其摩擦系数可以降低40%左右。导致油污污染的主要原因有油缸漏油、油管开焊或接头松动导致漏油、液压缸内活塞密封圈老化未及时更换等；导致接触面变形的主要原因则是工作温度过高造成闸瓦过热而烧流或者变焦。另外，动摩擦系数的大小与物体运动速度有关，当提升机高速运行时，摩擦系数降低会更多，一旦出现紧急情况，可能会产生严重的后果，甚至造成重大事故。

正压力不足主要是由于四个因素造成的。(1)弹簧刚度不足，弹簧在反复使用的过程中，机械弹性会下降，导致弹簧刚度下降甚至断裂。(2)闸瓦间隙变大，制动器在使用过程中，闸瓦会产生磨损造成间隙增大，间隙增大以后弹簧的预压量就会变小，正压力也随之变小。(3)综合阻力增大，由于制动器在使用过程中密封圈老化，压力油被污染等导致阻力变大。(4)工作腔残压增大，由于油质被污染或者油路堵塞，油液不能完全回到邮箱增大了工作腔内的压力，制动力矩就会下降。

2.2 制动器松闸失效

导致制动器松闸失效的原因主要有：回油缓慢；液压缸配合过紧；运动机构卡死。

3 基于故障树的盘形制动器故障分析

3.1 故障树的建立

根据前面对盘形制动器故障类型和故障原因的分析，建立了盘形制动器失效的故障树。顶事件即盘形制动器故障，导致该故障的原因就是前面介绍的制动失效和松闸失效。因为制动失效是主要故障，而且造成事故危害很大，因此对其着重分析。导致制动失效的主要原因是摩擦系数降低和正压力不足，继续向下分析导致摩擦系数降低和正压力不足的原因，最终建立了具有4个逻辑或门、8个底事件的盘形制动器失效的故障树，见图2。

3.2 故障树定性分析

对图2所示盘形制动器失效的故障树进行定性分析，求该故障树的最小割集，通过最小割集判断相关底事件的重要程度。求解过程如下：

T=M1+x1

=M2+M3+x1

(2)

=x1+x2+x3+x4+x5+x6+x7+x8

通过式2可知，在该故障树中，导致顶事件发生的数目最少而又必要的底事件一共有8个，分别为{x1}, {x2}…… {x8}。在这8个集合中，只要任一个发生，都必然引起顶事件发生。

图2 盘形制动器失效的故障树

3.3 故障树定量分析

故障树的定量分析的目的是求顶事件发生的概率，以此判断系统稳定性情况，图2事故树中各底事件发生的概率见表1。

表1 盘形制动器故障因素的发生概率

由于故障树中各个底事件为独立事件，根据独立事件顶事件概率的求法(式3)，最终可以求得盘形制动器发生故障的概率为23.8%。

P(T)=1-∏(1-qi)

(3)

3.4 分析结果与改进措施

根据对故障树结果的定量与定性分析可以看出， 盘形制动器故障概率23.8%，可靠性较差，其原因是八个底事件任意一个发生都会导致盘形制动器故障。由故障树结构可以看出，中间事件M1包含了主要的故障事件，因此，在日常的检修与保养中，应当针对抱闸失效做好预防和改进工作，尤其是针对正压力不足和摩擦系数降低两个原因。

(1)为了避免正压力不足影响制动力矩，应当做好闸瓦间隙、残压值、油压值的检查工作。调整闸瓦间隙的时候，还要注意对弹簧进行调整[5]。

(2)为了避免摩擦系数降低影响制动力矩，应当加强日常的检查工作。对于磨损或者损坏的闸瓦和液压元件要及时进行更换。液压系统必须做好定期检查，及时排查管路堵塞、漏油等现象，及时清除污染。油缸也要定期检查，及时处理残留污物，确保活塞的正常运行。

(3)要加强闸瓦贴闸能力的检查，确保其保持在最佳状态。

(4)可以通过自动监控系统实时监测制动器工作状态，以便及时发现故障，避免事故的发生。

4 结束语

(1)分析了矿井提升机盘形制动器的工作原理和常见故障类型。确定了由4个逻辑或门和8个底事件构成的盘形制动器失效的故障树。

(2)对故障树进行了定性分析和定量分析。通过分析可知，8个底事件只要任一个发生，都必然引起顶事件发生；顶事件发生的概率为23.8%，系统可靠性较低，应当加强日常的维护与检修。

(3)针对分析结果，提出了相关的预防措施。特别从避免正压力不足和避免摩擦系数降低影响制动力矩两个方面提出建议，具有一定的实践指导意义。

[1] 张步斌,杜波.矿井提升机制动技术的发展[J].矿山机械,2001(5):38-42.

[2] 董建斌.浅谈盘形制动器的结构原理及应用分析[J].工业技术,2011(20):88-89.

[3] 葛云燕.矿井提升机制动系统存在的问题与改进[J].煤矿机电,2007(3):66-67.

[4] 封士彩,朱松青.矿井提升机盘形制闸制动失效分析[J].煤矿机电,2002(2):28-34.

[5] 杨孝虎.浅谈盘形制动器失效的原因及预防措施[J].矿山安全,2003(1):40-43.

(责任编辑：尹晓琦)

Study on the Failure Reason of Hoist Disc Brake Based on Fault Tree

SHI Zhi-yong

(Datong Coal Mine Group Tongjialiang, Datong Shanxi 037025, China)

Disc brake is one of the key equipments in mine hoist brake system, and in case of failure it would have serious consequences. By analyzing the working principle and common type of faults of mine hoist brake, the fault tree was established which composed by four logic OR gates and eight events, and the qualitative and quantitative analysis were carried out. Through analysis, each of eight basic events would inevitably lead to the top of the event. The probability of top event was 23.8% and system reliability was relatively low. It should strengthen routine maintenance and repair. According to the analysis, the detailed proposals from two aspects were presented with some guidance and practical significance.

fault tree; hoist; disc brake

2015-03-25

石志勇(1986-)，男，河北邢台人，助理工程师，主要从事煤炭机电技术研究。

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1009-7961(2015)03-0035-03