一种矿用非接触式闸瓦间隙实时保护装置的设计

张旭华，裴文良，张凤海，刘东梅

（中信重工开诚智能装备有限公司，唐山 063020）

0 引言

盘式制动器广泛应用于各种矿用提升机、下运带式输送机及钢丝绳牵引带式输送机等设备中。《煤矿安全规程》第431条明确规定，盘式制动闸的闸瓦与制动盘之间的间隙应不大于2mm。为了保障盘式制动器工作的安全性和可靠性，通过矿用闸瓦间隙保护系统保护闸瓦间隙处于安全范围之内，对于保障相关设备可靠运行以及整个矿井安全生产有着非常重要的意义。

目前，国内许多矿井还在使用机械式行程开关来检测闸瓦磨损及弹簧疲劳，并将各个行程开关接入提升机电控装置中以起到保护作用。但是，机械式行程开关存在调整精度不高，不能实时监测闸间隙，故障处理时间长等缺点，已经不再适应当前煤矿生产的需求。

针对上述情况，设计了一种矿用非接触式闸瓦间隙实时保护装置，该装置采用非接触式的位移传感器实时采集盘式制动闸的数据，通过PLC对数据进行处理，并在液晶显示屏显示各项数据及报警信息，在出现故障时能够发出报警信号，并能够与各设备控制系统相互闭锁。该套装置经过隔爆兼本质安全的处理，满足矿用闸瓦间隙保护的需求。

1 闸瓦间隙实时保护装置设计

1.1 闸瓦间隙检测原理

所谓闸瓦间隙是指开闸时制动盘与闸瓦之间的距离，如图1所示。

闸瓦间隙可由下列公式计算：DX=DC-DO

式中：DX为闸间隙；

DC为合闸时，闸瓦外侧与接近传感器的距离；

图1 制动闸正常状态与闸瓦磨损状态对比

DO为开闸时，闸瓦外侧与接近传感器的距离。

1.2 闸瓦磨损检测原理

闸瓦磨损是由于盘式制动闸在使用过程中，闸瓦与制动盘不断摩擦，使得闸瓦产生磨损，厚度减少。闸瓦磨损严重时，会使闸瓦间隙过大，从而导致制动力下降。

如图1所示，正常闸瓦合闸时闸瓦外侧与接近传感器的距离DC小于磨损闸瓦合闸时闸瓦外侧与接近传感器的距离DC1，闸瓦磨损值可由下式计算：

式中：DM为闸瓦磨损值；

DC1为磨损闸瓦合闸时闸瓦外侧与接近传感器的距离。

1.3 弹簧疲劳监测原理

弹簧疲劳是由于制动闸经常开闸和抱闸，导致弹簧产生形变，使得弹簧弹力下降，从而导致制动力下降。制动闸正常状态与弹簧疲劳状态对比情况如图2所示。

图2 制动闸正常状态与弹簧疲劳状态对比

正常弹簧开闸时闸瓦外侧与接近传感器的距离DO大于疲劳弹簧开闸时闸瓦外侧与接近传感器的距离DO2，弹簧疲劳值可由下式计算：

式中：DP为弹簧疲劳值；

DO2为弹簧疲劳且开闸时闸瓦外侧与接近传感器的距离。

2 系统功能的实现

2.1 系统概述

该装置采用高精度非接触式矿用本质安全型接近传感器实时采集闸瓦与接近传感器之间的距离，并将距离值转化为标准4～20mA模拟量信号输入到PLC的AI通道，经过PLC程序的逻辑运算，测算出闸瓦的磨损状态及弹簧的疲劳情况，并将结果实时显示到液晶显示屏上。当某项参数超出设定的报警值之后，输出报警接点信号，并将故障信息显示并保存到液晶显示屏上。系统组成如图3所示。

图3 闸瓦间隙保护系统组成

2.2 主控系统设计

该装置采用PLC作为主控元件，与单片机等控制元件相比较具有以下优点：防潮、抗干扰能力强；现场易编程、易扩展；基本免维护；并能够实现软件控制化；自动检测系统故障等功能。模拟量模块能够采集标准的4～20mA模拟量信号。

本系统采用7寸嵌入式触摸屏做为显示设置终端，通过高精度矿用本安型接近传感器实时采集各状态下闸瓦外侧与接近传感器的距离，根据程序逻辑在PLC中进行运算，并将结果实时显示到显示屏上。当某项参数超出设定的报警值之后，输出报警接点信号，并将故障信息显示到显示屏上，如图4所示。系统还可以根据现场使用情况对各种参数进行设定，如图5所示。

图4 闸瓦间隙保护系统主画面

图5 参数设定画面

3 系统特点

1）实时监测闸瓦工作间隙，当闸瓦间隙超过设定值时进行报警，显示范围（1～10）mm。

2）可以方便的在触摸屏上对工作闸间隙、闸盘偏摆报警值进行设置（闸间隙保护值不得超过2mm，闸偏摆值不得超过0.5mm），并可对报警进行复位。

3）液晶显示屏人机界面（HMI）直观方便，能够实时显示闸瓦间隙、闸瓦磨损、弹簧疲劳及闸盘偏摆值，当闸瓦间隙或偏摆值超过设定值时对故障报警进行故障显示。

4）参数初始化：初次安装或调整过闸间隙以后，可以通过按钮或触摸屏对开闸时和抱闸时的探头初始值进行设置，不仅能够通过全部初始化按钮将所有探头初始化，并且可以针对某个探头单独将其初始化。

5）报警功能：当闸间隙值、闸瓦磨损值和弹簧疲劳值超过设定值时进行声光报警，并将具体故障类型和故障位置显示到触摸屏上，便于维护人员排查故障，同时还能输出无源节点信号给相关设备的电控装置。

6）诊断功能：CPU的智能化的诊断系统连续监控系统的功能是否正常、记录错误和特殊系统事件。

7）口令保护：多级口令保护可以使用户高度、有效地保护其技术机密，防止未经允许的复制和修改，对于操作口令加密分级保护不同的用户有不同的权限。

4 结论

该装置已在国内矿山实际应用，该装置通过非接触式的位移传感器实时采集盘式制动闸的间隙数据，检测结果直观、明显，有效减轻了检修人员的劳动强度、降低了设备故障率及停机检修时间，从而大大提高了控制系统的安全性，避免了由于盘式制动闸长期失修或闸检测开关被甩掉造成闸安全检测的盲点，提高了矿井的生产力，可有效地避免重大安全事故。