劉塘坊鐵礦副井提升機(jī)制動系統(tǒng)原理分析及壓力整定

宋德軒 毛春雷

(1.中國中鋼集團(tuán)公司中鋼礦業(yè)開發(fā)有限公司，北京100080; 2.中鋼集團(tuán)馬鞍山礦山研究院有限公司，安徽馬鞍山243000)

1 劉塘坊鐵礦副井提升機(jī)制動系統(tǒng)概述

劉塘坊鐵礦副井提升機(jī)制動系統(tǒng)采用油壓盤式閘制動方式，與早期的平移或角移式塊閘制動機(jī)理相比，具有慣性小、可靠性高、結(jié)構(gòu)緊湊，動作靈敏等獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)［1］。安全制動時(shí)，可以將制動器分成2組，通過延時(shí)繼電器分期分批投入工作，實(shí)現(xiàn)二級制動功能，如果一組制動器產(chǎn)生故障，也仍然還有一組制動器在工作，不致使制動器的作用完全失效，尤其是本礦副井采用中高壓液壓站控制系統(tǒng)，還具備恒減速制動功能，可靠度再次升級。它的閘瓦沿軸向而不是沿徑向作用在制動盤上，為使制動盤不承受附加的軸向載荷，盤式制動器都成對使用，每個(gè)提升機(jī)可按其工作條件選擇所需的副數(shù)，其數(shù)目可達(dá)6副或更多，盤式制動器用高強(qiáng)度螺栓成對固定在支架上，其工作原理如圖1所示。

圖1 油壓盤式閘制動器工作原理Fig.1 Hydraulic disc brake working principle diagram

油壓盤式閘制動系統(tǒng)采用油壓松閘，依靠碟形彈簧預(yù)壓力制動，在提升機(jī)制動時(shí)，碟形彈簧的預(yù)壓力迫使活塞向制動盤移動，通過聯(lián)接螺釘，將滑套連同其上的制動塊推出，使閘瓦與滾筒的制動盤壓緊，彈簧力F作用在閘盤上并產(chǎn)生正壓力，形成摩擦制動效果。當(dāng)油缸Y腔通入壓力油時(shí)，活塞壓縮碟形彈簧，并通過聯(lián)接螺釘帶動滑套反向移動，使制動塊脫開制動盤，隨著油壓P2的增大，彈簧組被擠壓并增加彈簧力F，與此同時(shí)制動塊脫開閘盤，盤形制動器的制動力消失。制動摩擦力取決于彈簧力F和油液壓力P2，改變油壓P2可以獲得各種不同的正壓力N，進(jìn)而得到不同的制動力，當(dāng)油壓P2降至零時(shí)，正壓力N取最大值，在正壓力的的作用下閘瓦與閘盤間產(chǎn)生摩擦力最大，處于全制動狀態(tài)，當(dāng)油壓P2增大到最大時(shí)，正壓力N為零，此時(shí)間隙最大，處于全松閘狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)了各種安全制動的目的。油液壓力P2值的改變是借助于液壓站的電液調(diào)壓裝置來實(shí)現(xiàn)的［2］。由盤式制動器產(chǎn)生的制動力矩為

式中，MZ為提升機(jī)需要的制動力矩，Nm;N為作用在制動盤上的正壓力，N;f為閘瓦與制動盤的摩擦系數(shù);Rm為制動盤平均摩擦半徑，m;n為制動器油缸總數(shù)，個(gè)。

可見，制動器在制動盤上產(chǎn)生制動力矩，取決于正壓力N的具體值，并與閘瓦與制動盤的摩擦系數(shù)、制動盤平均摩擦半徑、制動器油缸數(shù)目密切相關(guān)。

2 制動系統(tǒng)液壓回路分析

劉塘坊鐵礦副井采用中高壓液壓站控制系統(tǒng)(P=14 MPa)，該系統(tǒng)作為礦井提升機(jī)重要的安全和控制部件，它和盤形閘及其電控系統(tǒng)共同組成為機(jī)電液集成化制動系統(tǒng)。其制動油路原理如圖2所示。本液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)共布置了4條相互獨(dú)立的回油路:第1條由閥12、13、15組成;第2條由閥17、18、20組成;閥14得電時(shí)用作液壓系統(tǒng)的安全溢流閥，控制回路最高壓力，閥14在失電時(shí)迅速回油構(gòu)成第3條回油路;閥11組成第4條獨(dú)立回油路，緊急情況時(shí)，經(jīng)葉片泵回油;閥4、6、7、8構(gòu)成了恒力矩制動期間的補(bǔ)油回路。

圖2 劉塘房副井提升機(jī)油壓制動系統(tǒng)原理Fig.2 Liu Tangfang auxiliary shaft hoist hydraulic braking system schematic principle diagram

2.1 松閘狀態(tài)

在初始狀態(tài)時(shí)，電磁閥18、8、5得電吸合，葉片泵2開啟，脫閘時(shí)，閥14、15得電吸合，電液閥20電流一直升到調(diào)定值，葉片泵2的配套電機(jī)全速運(yùn)行，5 s后置換為低速轉(zhuǎn)動。油液由泵2、精濾器3、閥5及單向閥4送入制動器，閥5、8、14、15、18、20得電后，由于閥12、14、15、17、20阻斷了系統(tǒng)的3條主要回油路，壓力逐漸增加到松閘值;與此同時(shí)，液壓油經(jīng)過閥16向蓄能器6充油。回路壓力迅速增加到安全閥14的調(diào)定值，盤形閘全部脫開制動盤。

2.2 制動狀態(tài)

考慮到各種不同的工況要求，本系統(tǒng)采用了4條平行的回油路，以保證盤閘制動系統(tǒng)的運(yùn)行安全可靠。

2.2.1 爬行后正常停車制動

提升機(jī)正常提升進(jìn)入減速狀態(tài)然后爬行，當(dāng)至停車位置0.5 m時(shí)，在電氣控制下，運(yùn)行速度減少到更低，此時(shí)系統(tǒng)按貼皮油壓施加制動力，閥20的電流值先從貼皮壓力降至8 MPa，經(jīng)過很短時(shí)間后，二級壓力降至4 MPa左右，兩次降壓使制動器能迅速且平穩(wěn)地施壓。運(yùn)行到停車點(diǎn)時(shí)，閥14、15、20失電卸荷。

2.2.2 手動工作制動

在此種制動模式下，各電磁閥都處于得電狀態(tài)，因此閥12、13、14回油路阻斷，第1和第3回油路失去作用，手動工作制動作用由第2回油路實(shí)現(xiàn)，此時(shí)閥18通電，使閥17的控制口與閥20接通，此時(shí)只需拉或推司機(jī)的操作把手，通過自整角機(jī)，就能控制閥20的輸入電流值，實(shí)現(xiàn)無級均勻地調(diào)節(jié)系統(tǒng)油壓的目的。

2.2.3 安全制動

安全制動包含兩種方式:一種是恒減速安全制動(含二級制動);另一種是二級恒力矩安全制動。

(1)恒減速安全制動。考慮到緊急狀態(tài)制動時(shí)壓力源的重要性，液壓站配備了蓄能器6，緊急停車時(shí)，泵和閥5、8均失電，而閥14、15、18、20由備用電源供電。蓄能器可維持系統(tǒng)的制動油壓［3］。安全制動時(shí)，要求閥17、8、18配合閥20協(xié)調(diào)動作，緊停時(shí)，油泵電機(jī)、閥5、8電源被切斷，20、18得電，閥4可阻止油液回油箱，使油液經(jīng)閥17回油，閥20可控制閥17的壓力，閥20以一定斜率從Pmax(整定值)降低壓力。一旦達(dá)到合適減速度，壓力迅速維持恒定，提升系統(tǒng)以恒減速運(yùn)行，當(dāng)速度逐漸減小到零時(shí)，投入快速制動，即使閥14、15、20斷電，壓力降至Pmin。

(2)二級恒力矩安全制動。恒力矩制動時(shí)，各閥12、13、17均按各自調(diào)定值迅速降壓，繼而關(guān)閉。在0.3 s內(nèi)降至貼皮油壓值，空行程終止時(shí)，制動塊接觸制動盤，但不施壓，當(dāng)油壓降至調(diào)定值P17時(shí)，閥12關(guān)閉，此時(shí)只有13、17、11卸油，由于閥8斷電，使蓄能器接通主回油路，向系統(tǒng)補(bǔ)充卸油量，調(diào)節(jié)閥7，保持補(bǔ)充流量與閥13、17、11的卸荷油量相等，使系統(tǒng)油壓保持在閥17的調(diào)定值上，進(jìn)行一級制動，一級制動時(shí)間可在10 s內(nèi)調(diào)整。蓄能器卸空后，系統(tǒng)不再補(bǔ)油，油壓迅速下降，閥17、13相繼關(guān)閉，此時(shí)閥11，繼續(xù)卸油直至卸空，油壓降至零時(shí)，制動閘全部投入，使最終的停車制動力矩滿足安全規(guī)程要求的3倍靜力矩要求。

各種制動狀態(tài)時(shí)，液壓站的制動壓力與時(shí)間的關(guān)系曲線見圖3，a、b、c、d分別代表了松閘、手動制動、二級制動及恒減速制動的不同工作方式。

圖3 各種制動狀態(tài)下制動壓力－時(shí)間曲線Fig.3 Brake pressure-time curve of various braking conditions

3 液壓站各種油壓值及延時(shí)時(shí)間的確定

首先需要確定合適的制動力矩Mz，然后計(jì)算所需工作油壓，一般情況下，合適的制動力矩需要滿足下面3個(gè)條件:

(1)制動力矩不得小于3倍最大靜阻力矩，即

式中，Mj為提升機(jī)最大靜阻力矩。

(2)安全制動時(shí)，下放貨載制動減速度不小于1.5 m/s2，則制動力矩需滿足

式中，∑M為提升系統(tǒng)總的變位質(zhì)量;R為提升機(jī)滾筒半徑，m。

(3)安全制動時(shí)，上提貨載不大于5 m/s2，則制動力矩需滿足

根據(jù)上述3個(gè)條件確定出合理的制動力矩，由式(1)～式(4)得所需液壓站正常工作油壓Pmax為［4］

式中，Pmax為液壓缸面積，MPa;A為盤形制動器活塞面積，m2;Pc為綜合阻力折算成的油壓值，可由盤形制動器參數(shù)表查得，Pa。

3.1 正常工作油壓

貼閘皮油壓值

式中，S0為實(shí)際靜張力差，N;Rδ為卷筒半徑，m。

以f=0.35，Rδ/Rm=0.9代入式(6)，得

式中，K為修正系數(shù)，K=3.25/C(0≤C≤1)，K= 3.25(C≥1);C為質(zhì)量特性系數(shù)，C=S0/∑M。

3.2 二級制動時(shí)第一級制動油壓值的確定

二級制動時(shí)第一級制動油壓的計(jì)算值為

式中，m為制動器接A組油缸數(shù)，個(gè)。

3.3 二級制動時(shí)的第一級制動延時(shí)時(shí)間的確定

二級制動時(shí)的第一級制動延時(shí)時(shí)間的確定公式為

式中，Vmax為提升機(jī)最大運(yùn)行速度，m/s;a為緊急制動時(shí)的減速度，m/s2，根據(jù)煤礦安全規(guī)程的規(guī)定:重物下放時(shí)a≥1.5 m/s2，重物提升時(shí)a=1.5+(2S0/∑M)≤5 m/s2，另外仍要滿足防滑要求。

4 劉塘坊鐵礦副井提升機(jī)盤閘制動系統(tǒng)整定計(jì)算

副井提升設(shè)施采用多繩雙層單罐籠配平衡錘提升方式，采用鋼絲繩罐道，擔(dān)負(fù)全礦的廢石、人員、設(shè)備及材料等提升或下放任務(wù)。制動系統(tǒng)涉及到的提升設(shè)備及技術(shù)參數(shù)詳見表1。

4.1 提升系統(tǒng)變位質(zhì)量計(jì)算

根據(jù)提升系統(tǒng)使用的具體設(shè)備及技術(shù)參數(shù)，按提升－500 m水平計(jì)算，系統(tǒng)全部轉(zhuǎn)動和移動部分變位質(zhì)量∑G計(jì)算為

式中，GJ為提升機(jī)旋轉(zhuǎn)部分變位質(zhì)量，查洛礦提升機(jī)樣本得9 000 kg;GL為天輪旋轉(zhuǎn)部分變位質(zhì)量，查洛礦提升機(jī)樣本得6 880 kg;GD為電動機(jī)旋轉(zhuǎn)部分變位質(zhì)量，經(jīng)計(jì)算得2 461 kg;QG為罐籠變位質(zhì)量，查設(shè)備制造廠藍(lán)圖得13 000 kg;QC為礦車變位質(zhì)量，查設(shè)備制造廠藍(lán)圖得2 880 kg;QX為罐籠一次提升有效載重，計(jì)算得5 040 kg;QC為平衡錘變位質(zhì)量，查設(shè)備制造廠藍(lán)圖得18 000 kg;Mp為提升鋼繩變位質(zhì)量，計(jì)算得7 403 kg;Mq為尾繩變位質(zhì)量，計(jì)算得7 264 kg。

表1 劉塘坊鐵礦副井提升系統(tǒng)設(shè)備及技術(shù)參數(shù)Table1 Liutangfang Iron M ine auxiliary shaft hoisting system equipm ent and technical parameters

4.2 油壓整定計(jì)算

首先確定正常工作油壓Pmax，由式(10)求質(zhì)量特性系數(shù)C:

所以，K=3.25/0.7=4.643，代入式(7)，得

根據(jù)式(5)和式(6)求得:

式中，Pc為綜合阻力折算成的油壓值，根據(jù)大型提升機(jī)盤形制動器參數(shù)表，查取為 24 kg/cm2(2.36 MPa)。由此可見，提升系統(tǒng)配置的14 MPa中高壓液壓站，能夠滿足正常制動的壓力需求。

再由式(8)，可求得二級制動時(shí)第一級制動油壓值

4.3 二級制動時(shí)的第一級制動延時(shí)時(shí)間計(jì)算

由式(9)，可計(jì)算出延時(shí)時(shí)間為

5 結(jié)語

劉塘坊鐵礦副井提升機(jī)制動系統(tǒng)配置了2套獨(dú)立運(yùn)行的單機(jī)單泵，互為備用檢修，提高了系統(tǒng)運(yùn)行的安全可靠性。在正常使用過程中，液壓站啟動時(shí)應(yīng)先開動油泵電機(jī)，然后才能操縱各閥件，避免空氣串入液壓缸影響松閘效果。隨著機(jī)電液技術(shù)的不斷發(fā)展，中高壓液壓站的結(jié)構(gòu)和性能也逐步完善，其具備的恒力矩制動功能，將提升機(jī)所需要的全部制動力矩分2次施加，避免了過大的沖擊力破壞聯(lián)接件及傷人事故發(fā)生，使得提升系統(tǒng)運(yùn)行平穩(wěn)、安全、可靠。關(guān)鍵是在使用過程中，要對各主要承壓閥的制動壓力和第一級制動延遲時(shí)間做到精準(zhǔn)整定，才能確保盤閘能夠在正常停車和安全制動時(shí)發(fā)揮作用。但是由于二級制動的一級油壓一般均按最惡劣工況整定，且只賦予唯一值，在多種不同提升負(fù)荷時(shí)，往往造成制動減速度過大，特別是多繩提升機(jī)有突破打滑極限的潛在風(fēng)險(xiǎn)［5］，鑒于此，該礦副井液壓系統(tǒng)引入電液比例閥20，增設(shè)恒減速制動功能，在不同工況下，均能按照恒定減速度運(yùn)行，且恒減速制動失效時(shí)，仍能啟動二級制動功能。二級制動模塊較少調(diào)用，需定期對系統(tǒng)中各閥件進(jìn)行檢查維護(hù)，確保油路系統(tǒng)一直處于正常狀態(tài)下。

［1］ 《采礦設(shè)計(jì)手冊》編寫組.采礦設(shè)計(jì)手冊:礦山機(jī)械卷［M］.北京:中國建筑工業(yè)出版，1989.

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