煤矿提升机液压制动系统状态监测技术研究

2021-01-14程刚

能源与环保 2021年1期

程刚

(晋城煤业集团古书院矿人力资源部职工教育培训中心，山西晋城 048000)

煤炭作为我国重要的能源组成，在发电、化工、冶金中广泛应用。立井提升机作为煤矿最重要的运输设备，承载煤炭、物料、人员的运输，其安全可靠性直接影响煤矿的经济和社会效益。近几年，提升机造成生产事故的发生仍存在，大部分为制动系统的故障，常见的有提升机坠罐、滑动和过卷事故。国内煤矿主要采用预防维修方法，一般定时间对设备进行维修，致使在实际过程中出现欠维修或过剩维修的情况。但是在提升机实际运转中，有的故障不能通过维修进行发现，从而造成设备拆卸频繁、故障率高、维修效率低等问题。因此，本文研究煤矿提升机液压制动系统状态监测技术，基于液压制动控制系统结构，确定了煤矿提升机液压制动系统监测参数，并设计了各参数监测方案。研究为减少设备的维修、节约检修成本提供了技术支持。

1 液压制动控制系统结构

液压制动控制系统主要包括执行装置和动力装置，系统功能[1-3]：①能够对液压制动系统的运转状态进行监测，主要是盘式制动闸制动盘偏摆量、空动时间、闸瓦间隙，液压站油泵电机电流、油压、油温等进行监测；②能够自主调整主阀电液比例溢流阀，对开合程度进行调节，实现对制动力的可控；③可以对各电磁换向阀进行控制，实现节能；④可以显示制动系统的监测参数、电磁换向阀的状态、滚筒角速度值等，并能够对故障进行报警。

电控系统主要是内部总线和监控计算机，主要有电源系统、设备状态监控、安全控制与监测、润滑站控制与监测、液压站与盘形闸控制监测、动力制动控制与监测、转子回路控制与监测、换向控制与监测、工作模式选择与调绳、提升高度与速度测量、载荷测量及信息集成。根据系统需求，其液压制动控制系统结构如图1所示。

图1 液压制动控制系统结构Fig.1 Structure of hydraulic brake control system

2 液压站和盘式制动闸故障分析

对煤矿提升机液压制动系统进行状态监测，首先要分析其失效的原因，得到其监测的主要参数，主要体现在液压站和盘式制动闸2方面。液压站的故障主要有管内残压过高、电磁法故障、油泵故障等；盘式制动闸故障主要有闸瓦和制动盘摩擦系数降低、闸瓦间隙过大、蝶形弹簧刚度变化等[4-5]。

通过对盘式制动闸的制动力矩进行分析，得其公式为：

(1)

式中，Mz为盘式制动闸制动力矩；n为闸瓦副数；Rm为制动盘平均摩擦半径；fi为闸瓦与制动盘的摩擦系数；Ni为闸瓦向制动盘施加的正压力。

由式(1)可知，当煤矿提升机液压制动系统结构给定后，其闸瓦副数和制动盘平均摩擦半径已确定，则影响制动力矩的参数只有闸瓦摩擦系数和制动盘的正压力。正压力的计算公式：

N=(KΔ0-F2)-P3A

(2)

式中，N为闸瓦向制动盘施加的正压力；A为盘式制动闸油缸面积；P3为盘式制动闸油缸残压；F2为盘式制动闸活塞运动阻力；Δ0为制动闸油压为0时的预压量；K为蝶形弹簧刚度系数。

由式(2)可知，当盘式制动闸油缸面积确定时，影响正压力的因素为：闸瓦摩擦系数、闸瓦间隙与弹簧预压量、闸瓦间隙和空动时间、弹簧刚度系数、油缸工作腔残压和制动盘偏摆量。

闸瓦间隙、弹簧预压量和蝶形弹簧刚度的关系：

(3)

式中，Δi为第i个闸的闸瓦间隙；K为蝶形弹簧刚度系数；Fi为第i个闸的弹簧力；xi为第i个闸的弹簧预压量。

通常采用对液压油油压的测量来计算弹簧刚度。制动开始时，力的平衡方程为：

Kxi=Ft-Fz

(4)

式中，Ft为运动阻力；Fz为贴闸油压。

如贴闸完成时，制动获得最大制动压力，其平衡方程为：

Nmax=Kxi-Fc-Fz=Ft-Fc

(5)

式中，Fc为盘式制动闸贴闸时的残压；Nmax为最大制动压力。

松闸时，平衡力方程为：

Kxi=Fk-Fz

(6)

式中，Fk为开闸油压。

由式(4)—式(6)可得，弹簧刚度计算公式为：

(7)

由式(7)可知，蝶形弹簧刚度可由闸瓦间隙和油压求得。

综合分析可知，煤矿提升机液压制动系统监测参数见表1。

表1 煤矿提升机液压制动系统监测参数Tab.1 Monitoring parameters of hydraulic brake system of mine hoist

3 监测方案设计

3.1 液压站监测设计

(1)泵用电机电流监测。主要目的为防止泵的电机损坏，采用BS41-N型交流传感器串联在电动机定子电流的感应回路中进行测量[5-6]。泵用电机电流监测参数见表2。

表2 泵用电机电流监测参数Tab.2 Pump motor current monitoring parameters

(2)液压站油温监测。油温过高，会使系统产热过大，致使液压站电磁阀器件损坏；油温过低，会使液压油黏稠度增大，致使油路阻塞，造成制动失效。本文采用Pt100型温度传感器对液压站油温进行监测，Pt100型温度传感器主要参数：精度等级为0.2级，输出电压为0～5 V，输入电压为7.5～30.0 V，量程为-200～200 ℃。

(3)液压站工作油压监测。本文选择CYB-20型压力传感器对液压站工作油压进行监测，该传感器具有稳定性好、准确度高、体积小、防爆等特点，可以通过螺纹直接连接在液压油出口处。CYB-20型压力传感器参数见表3。

表3 CYB-20型压力传感器参数Tab.3 Pressure sensing parameters of CYB-20

3.2 盘式制动闸监测设计

(1)制动盘偏摆量监测。本文采用2个非接触式电涡流传感器来监测制动盘偏摆量。传感器安装位置如图2所示，通过2个传感器的数值的变化来计算制动盘偏摆量[7-10]。

非接触式电涡流传感器参数：工作温度-25～85 ℃，可长时间工作，动态频率为0～10 kHz，输出电流≤12 mA，输出电压1～5 V，供电电压12～30 V，非线性误差≤±1%，量程为4 mm。

(2)空动时间监测。本文采用虚拟仪器和机械装置的方法对空动时间进行监测。机械安装位置如图3所示。

图2 非接触式电涡流传感器安装位置Fig.2 Installation position of non-contact eddy current sensor

图3 机械安装位置Fig.3 Mechanical installation position

空动时间测量电路如图4所示。图4中，K1为安全回路的开关信号；K2为机械装置产生的贴闸信号(结束信号)；U1为整流控制光电隔离装置；Q1为可控硅；Q2和Q3为三极管。

图4 空动时间测量电路Fig.4 Measurement circuit of idle time

(3)闸瓦间隙监测。本文采用差动式位移传感器对闸瓦间隙进行监测，传感器的安装位置如图5所示。主要采用W-DCD10型位移传感器，具有工作可靠、结构简单、灵敏度高、频带宽、线性度高等特点。W-DCD10型位移传感器参数：温度漂移为0.03% ℃，工作温度为-10～60 ℃，可长时间工作，开机特性为免预热，动态频率为0～200 Hz，输出电流为4～20 A，输出电压为0～5 V，供电电压为9～24 V，精度等级为0.5%，量程为10 mm。