礦用提升絞車安全性與可靠性的仿真分析

張文帥

（陽泉煤業(yè)集團七元煤業(yè)有限公司， 山西 壽陽 045400）

引言

現(xiàn)如今，礦用提升絞車成為了煤礦企業(yè)不可或缺的重要提升設(shè)備，其廣泛應(yīng)用于國內(nèi)各個類型的礦井生產(chǎn)中，比如煤礦、金屬礦以及非金屬礦山等，然而其主要服務(wù)工作的地點多為具有坡度的巷道亦或是小型的立井中，主要承擔(dān)的工作任務(wù)包括對煤炭、矸石、物料的提升直至地面，以及提升井下的作業(yè)人員或者施工所需要的設(shè)備等[1]。在礦用提升絞車工作時，為了保障安全生產(chǎn)的要求，禁止出現(xiàn)超速提升、超載提升，要時時刻刻都接通電源以便于操控。為了提高礦用提升絞車的安全性、穩(wěn)定性及可靠，本文將某種類型的礦用提升絞車作為研究背景，主要針對其液壓平衡系統(tǒng)做了重點研究，希望能夠為從事相關(guān)行業(yè)的研究人員提供一定的參考。

1 礦用提升絞車的結(jié)構(gòu)組成

應(yīng)用于各大煤礦的礦用提升絞車它具備許多的系統(tǒng)，包括控制系統(tǒng)、制動系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)、動力系統(tǒng)、工作系統(tǒng)、保護系統(tǒng)等，其系統(tǒng)組成如圖1 所示。對于礦用提升絞車的硬件結(jié)構(gòu)組成，其主要包括驅(qū)動裝置、制動器、中心軸、減速裝置、自鎖裝置、控制器、液壓裝置等。

圖1 礦用提升絞車的結(jié)構(gòu)組成

作為井下重要的提升設(shè)備，礦用提升絞車的動力來源主要是依靠驅(qū)動裝置來實現(xiàn)的，其傳動系統(tǒng)以及工作系統(tǒng)效率很高，主要由驅(qū)動裝置、中心軸以及減速器等部分構(gòu)成；而制動系統(tǒng)又主要包括各種液壓裝置，比如液壓平衡裝置、液壓系統(tǒng)等等；控制系統(tǒng)則主要包含操縱桿以及PLC 控制器等等。此外，其本身具有的指示器以及測量器共同構(gòu)成了其自身保護裝置，且較為完備。井下人員及物料的提升任務(wù)，正是通過各種的系統(tǒng)裝置協(xié)同配合，進而達(dá)到了升降的效果。

與此同時，工作人員為了保障礦用提升絞車在工作時的安全可靠，給該設(shè)備安裝了許多的安全設(shè)施，具體囊括了過載保護設(shè)施、防超速設(shè)施、液壓系統(tǒng)保護設(shè)施、自鎖裝置、防過卷設(shè)施、設(shè)備間隙保護設(shè)施、防指示器故障設(shè)施以及防減速器故障設(shè)施等等。這些安全設(shè)施，時刻都在保障著井下作業(yè)人員的安全，以及煤炭生產(chǎn)的效率與經(jīng)濟收益。

2 礦用提升絞車的液壓平衡系統(tǒng)

本文在上述諸多安全設(shè)施的基礎(chǔ)上，又設(shè)計出了一套較為完備的液壓平衡系統(tǒng)，使礦用提升絞車能最大限度發(fā)揮出安全性與可靠性，該系統(tǒng)的實際作用是礦用提升絞車在完成提升與下降的動作時，或者遇到特殊情況需要采取緊急制動時，使礦用提升絞車能夠保持平衡。此外，液壓平衡系統(tǒng)也避免了由于提升時的不平穩(wěn)，導(dǎo)致設(shè)備零件的損壞、使用壽命的降低，甚至出現(xiàn)工作人員的傷亡[2]。

如下頁圖2 所示，為本文提及到的應(yīng)用于礦用提升絞車的液壓平衡系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由主要提升驅(qū)動馬達(dá)、主要提升減速制動裝置、先導(dǎo)閥、平衡閥、主要提升閥組以及液壓油箱組成。

圖2 液壓平衡系統(tǒng)示意圖

主提升平衡閥組由減壓閥、順序閥、平衡閥和梭閥組成；主提升閥組由單向溢流閥和方向閥組成，而提升馬達(dá)又分為A、B 工作油口，在A、B 口中間還具備BR 壓力控制口。為了實現(xiàn)礦用提升絞車在經(jīng)歷減壓過程后，存在于液壓油箱中的液壓油能夠完全流入到主要提升減速制動裝置，需要將減壓閥放置在順序閥的前端，該項設(shè)計使得礦用提升絞車在完成制動以及制動結(jié)束需要被解除時，它的動作變得更加安全可靠，不僅使得由于設(shè)備故障等因素導(dǎo)致的停產(chǎn)停工現(xiàn)象大幅度減少，而且還對作業(yè)人員自身的安全多了一份保障。

3 礦用提升絞車液壓平衡系統(tǒng)的仿真分析

對于上文中提及到的礦用提升絞車液壓平衡系統(tǒng)，我們將運用專業(yè)的仿真模擬軟件，來對液壓平衡系統(tǒng)中主要的工作參數(shù)進行仿真模擬分析，其仿真分析具體內(nèi)容包括系統(tǒng)平衡閥的流量及壓力、主要提升減速設(shè)備的制動壓力及其力矩的大小等，經(jīng)由仿真模擬計算得到的系統(tǒng)平衡閥的流量及壓力圖如圖3、圖4 所示，如圖5、圖6 所示為主要提升減速設(shè)備的制動壓力及其力矩仿真圖。

圖4 平衡閥流量變化曲線

圖5 制動裝置壓力變化曲線

圖6 制動裝置力矩變化曲線

如圖3 所示，當(dāng)仿真實驗進行到一定程度后，應(yīng)用于礦用提升絞車的液壓平衡系統(tǒng)中平衡閥所受到的壓力會隨著時間的變化，出現(xiàn)先變大后變小的趨勢，最終在某一個特定值周圍趨于穩(wěn)定狀態(tài)，從圖中不難看出，平衡閥遭受的壓力最終會穩(wěn)定在20 MPa左右。在井下的實際生產(chǎn)中，也正是因為主要提升減速器制動裝置所需要的制動壓力，要與平衡閥經(jīng)受的壓力大小相互匹配，也就是說，主要提升減速器的制動裝置需要的制動壓力要達(dá)到大約20 MPa，這樣才能實現(xiàn)提升過程中的平衡穩(wěn)定。

圖3 平衡閥壓力變化曲線

如圖4 所示，隨著仿真實驗的進行，其液壓平衡系統(tǒng)中的平衡閥流量隨著時間的變化，出現(xiàn)先變大、后變小，最終趨于某一個特定值保持穩(wěn)定，從圖4 中可以看出，特定值的大小約為40.4 L/min。將圖3 與圖4 做一個對比可以發(fā)現(xiàn)，平衡閥受到的壓力與之流經(jīng)的流量的變化趨勢都是大致相同的，都是從增大到降低，再到最終的穩(wěn)定。

如圖5 所示，當(dāng)仿真實驗進行到一定程度后，主要提升減速器的制動裝置所需要的制動壓力也會隨著時間的變化，出現(xiàn)先變大后變小的趨勢，最終也會趨于某一個特定的值達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，從上頁圖5 中可以得知，該穩(wěn)定值的大小為20.1 MPa 左右，與上文中的平衡閥受到的壓力的變化趨勢及大小近乎相等。這種現(xiàn)象出現(xiàn)的原因為：礦用提升絞車在完成制動的過程中，主要是依靠提升減速器的制動裝置提供的制動壓力來實現(xiàn)，從最開始的飛速增長，到后來的上下波動，再到最后的趨于某一穩(wěn)定值，都是為了讓平衡閥的壓力與之相對應(yīng)。因此為了使二者的壓力彼此匹配，平衡閥需要將所受壓力的大小以及其變化的過程都要與主要提升減速器的制動壓力保持一致。

如上頁圖6 所示，當(dāng)仿真實驗進行到一定時間段以后，主要提升減速器的制動裝置的力矩大小同樣出現(xiàn)了與上述情況相符的變化趨勢，即先變大、后變小，最終趨于一個特定值，并且該特定值的大小為12 kN·m左右。在礦用提升絞車中安放一個液壓平衡系統(tǒng)及平衡閥，會使得主要提升減速器的制動裝置的力矩大小變化的范圍變小，從而提升了礦用提升絞車在制動過程中的安全性與可靠性。

4 結(jié)語

提升絞車作為現(xiàn)代化煤礦不可缺少的關(guān)鍵提升設(shè)備，給井下的物料運輸、人員的升井下井帶來了方便[3]。由于其在工作中還具有許多的安全隱患，提出了一種液壓平衡系統(tǒng)，并主要針對該系統(tǒng)中的重要工作參數(shù)進行了仿真分析，根據(jù)仿真結(jié)果，得到了其參數(shù)的具體變化特性，進而為礦用提升絞車的設(shè)計、優(yōu)化以及安全可靠性方面都提供了一定的理論依據(jù)。