礦井提升系統(tǒng)防沖擊冗余制動(dòng)技術(shù)應(yīng)用研究*

石慧將

(晉能控股煤業(yè)集團(tuán) 軒崗煤電有限責(zé)任公司，山西 忻州 034114)

0 引 言

近年來(lái)，隨著煤礦開(kāi)采量的不斷增加，礦井提升系統(tǒng)的應(yīng)用也越來(lái)越廣泛，它承擔(dān)著煤礦井下人員、物料和設(shè)備的提升輸送任務(wù)，聯(lián)系著井上和井下，是最重要的機(jī)電設(shè)備[1-2]。近年來(lái)由煤礦機(jī)電設(shè)備引起的墜罐事故頻頻發(fā)生，造成人員傷亡，其主要原因是提升系統(tǒng)的制動(dòng)失效或速度波動(dòng)大造成鋼絲繩斷裂[3]。傳統(tǒng)的礦井提升系統(tǒng)的制動(dòng)采用的是恒力矩制動(dòng)，也就是二級(jí)制動(dòng)，這樣的制動(dòng)方式導(dǎo)致提升系統(tǒng)的受力大小和方向都會(huì)發(fā)生變化，而且安全制動(dòng)時(shí)容易造成鋼絲繩打滑從而影響制動(dòng)效果，加上采用單獨(dú)的制動(dòng)系統(tǒng)非常容易造成制動(dòng)失效問(wèn)題，維修量較大，成本較高[4]。此外，在提升機(jī)液壓站容易受到多種污染，比如油箱上的臟物、安裝碎屑等導(dǎo)致液壓油污染，最終有可能引起閥芯堵塞等問(wèn)題，從而導(dǎo)致液壓系統(tǒng)故障而無(wú)法正常進(jìn)行制動(dòng)，出現(xiàn)制動(dòng)失靈問(wèn)題。因此，為了保證制動(dòng)系統(tǒng)的安全可靠必須要進(jìn)行冗余設(shè)計(jì)。筆者對(duì)礦井提升系統(tǒng)制動(dòng)方式進(jìn)行分析，結(jié)合現(xiàn)有的制動(dòng)技術(shù)，提出了一套防沖擊冗余制動(dòng)技術(shù)方案，通過(guò)控制系統(tǒng)冗余和液壓系統(tǒng)冗余實(shí)現(xiàn)雙重冗余，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)提升系統(tǒng)的多重保護(hù)，避免發(fā)生制動(dòng)失效等問(wèn)題，保證煤礦井下提升系統(tǒng)安全，最后通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用驗(yàn)證了本套技術(shù)方案的合理性和正確性。

1 礦井提升系統(tǒng)制動(dòng)類型分析與液壓制動(dòng)問(wèn)題

1.1 礦井提升制動(dòng)類型分析

礦井提升系統(tǒng)的運(yùn)行過(guò)程主要有兩種，包括提升過(guò)程和下放過(guò)程，所以制動(dòng)也包括兩種工況下的制動(dòng)，提升過(guò)程的制動(dòng)和下放過(guò)程的制動(dòng)，在實(shí)際制動(dòng)過(guò)程中因受到提升和下放運(yùn)行方向的影響，最終兩種工況下的制動(dòng)速度是不一樣的。圖1所示為提升過(guò)程和下放過(guò)程制動(dòng)分析示意圖。

圖1 提升與下放工況下的制動(dòng)方式示意圖

從圖中可知，在提升和下放工況下，提升卷筒的轉(zhuǎn)動(dòng)方向相反，罐籠的運(yùn)動(dòng)速度和方向相反，根據(jù)牛頓第二定律，提升過(guò)程中的制動(dòng)關(guān)系式如下：

(1)

式中：TZ表示制動(dòng)力矩；TL表示外部負(fù)載和摩擦力等產(chǎn)生的力矩；J表示總的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；ω表示卷筒角速度；t表示時(shí)間。

在下降制動(dòng)過(guò)程中，由于提升卷筒的轉(zhuǎn)動(dòng)方向不同，有如下表達(dá)式：

(2)

其中制動(dòng)力矩表示為TL=fFZRn，上式中f為摩擦因數(shù)；FZ為盤式制動(dòng)器施加的正壓力值；R為制動(dòng)器距離卷筒中心的距離；n表示制動(dòng)器的數(shù)量，一般而言，制動(dòng)器的數(shù)量為左右對(duì)稱布置的4個(gè)。

1.2 傳統(tǒng)液壓站制動(dòng)系統(tǒng)原理

目前礦井提升系統(tǒng)使用的液壓站大多是TE160型液壓站，液壓站主要由液壓泵站、油箱和控制閥等部分組成，一般都有兩套比例調(diào)壓和油泵裝置，其中一套為備用的控制系統(tǒng)和液壓回路，一般是兩者交替使用，通過(guò)液壓換向閥進(jìn)行自動(dòng)換向[5]。并且在油箱中含有壓力變送器和油箱溫度傳感器等裝置，對(duì)油箱內(nèi)的壓力和油溫進(jìn)行檢測(cè)和報(bào)警，從而避免溫度過(guò)高影響液壓油的粘度。液壓系統(tǒng)原理如圖2所示。

圖2 液壓站控制原理圖

礦井提升系統(tǒng)是由液壓站、電控系統(tǒng)和盤式制動(dòng)器組成的機(jī)電聯(lián)合制動(dòng)系統(tǒng)，液壓站是傳遞動(dòng)力的裝置，電控系統(tǒng)是對(duì)電磁閥進(jìn)行控制，盤式制動(dòng)器是液壓系統(tǒng)執(zhí)行元件，負(fù)責(zé)添加制動(dòng)力矩以實(shí)現(xiàn)制動(dòng)過(guò)程[6-7]。

從圖2中可知，傳統(tǒng)的液壓站采用一條回油通道，由于礦井提升系統(tǒng)所處的環(huán)境比較惡劣，空氣中含有大量的粉塵和有毒有害氣體，液壓油非常容易受到污染。如果液壓站的回油通道只有一條時(shí)，當(dāng)液壓油中含有雜質(zhì)或液壓油粘度發(fā)生變化，將會(huì)導(dǎo)致電磁換向閥的閥芯堵塞，此時(shí)將會(huì)引起制動(dòng)系統(tǒng)失靈，從而引發(fā)事故。現(xiàn)有的防止液壓電磁閥堵塞的方式是采用有閥位監(jiān)測(cè)功能的電磁換向閥，此方式成本比較高，而且還需滿足防爆要求[8]。

2 礦井提升系統(tǒng)防沖擊冗余制動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

針對(duì)傳統(tǒng)的液壓制動(dòng)系統(tǒng)僅存在一條回油通道非常容易引起液壓制動(dòng)系統(tǒng)失靈的問(wèn)題，結(jié)合當(dāng)前現(xiàn)有恒力矩制動(dòng)方式，對(duì)液壓站的回油通道和控制系統(tǒng)進(jìn)行冗余，采用N+1通道實(shí)現(xiàn)恒減速防沖擊制動(dòng)。圖3所示為液壓站冗余回路原理圖，圖4所示為配套冗余控制系統(tǒng)原理圖。

圖3 兩用以備用主回路液壓系統(tǒng)原理圖

圖4 冗余控制系統(tǒng)原理圖

如圖3所示，恒減速冗余液壓系統(tǒng)由能源裝置、制動(dòng)盤、控制電磁閥組、輔助元件和液壓工作介質(zhì)等部分組成，可以根據(jù)控制的需要，通過(guò)設(shè)定一定數(shù)量的液壓回路來(lái)實(shí)現(xiàn)多通道，在圖3中使用2+1通道，即兩套恒減速回路外加一條備用通道回路，實(shí)現(xiàn)對(duì)液壓制動(dòng)系統(tǒng)的冗余，當(dāng)某個(gè)工作通道發(fā)生失靈時(shí)將會(huì)自動(dòng)啟動(dòng)備用通道，實(shí)現(xiàn)安全制動(dòng)，避免墜罐事故的發(fā)生。恒減速通道可以按照實(shí)際的制動(dòng)要求添加多個(gè)備用通道，有效保證制動(dòng)系統(tǒng)的安全性和可靠性[9]。

防沖擊冗余制動(dòng)技術(shù)除了對(duì)液壓站回路進(jìn)行冗余外，還設(shè)計(jì)了與液壓控制系統(tǒng)配套的電氣控制系統(tǒng),使用2臺(tái)計(jì)算機(jī)對(duì)恒減速系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控,圖4所示為冗余電氣控制原理圖。

如圖4所示，對(duì)電氣控制系統(tǒng)硬件均采用冗余設(shè)計(jì)，電氣控制系統(tǒng)采用了雙計(jì)算機(jī)檢測(cè)與控制實(shí)現(xiàn)軟件的冗余，液壓系統(tǒng)使用三條相互獨(dú)立的恒減速制動(dòng)回路，從而增加回油通道避免單條回油通道的局限性。在其中每一條回路均有控制器、比例控制閥和蓄能器等液壓元件，三條通道彼此互不干擾，液壓系統(tǒng)的冗余服從電氣控制系統(tǒng)的監(jiān)控和調(diào)節(jié)。從圖4中可知，控制系統(tǒng)和卷筒的轉(zhuǎn)速反饋通道也有3條，保證信號(hào)反饋的及時(shí)性和安全性，實(shí)現(xiàn)全面監(jiān)控。采用對(duì)稱布置的兩組制動(dòng)器對(duì)卷筒進(jìn)行制動(dòng)，圖5為制動(dòng)器結(jié)構(gòu)圖。

圖5 浮動(dòng)式盤式制動(dòng)器結(jié)構(gòu)示意圖

3 防沖擊冗余制動(dòng)系統(tǒng)仿真效果分析

針對(duì)礦井提升系統(tǒng)制動(dòng)過(guò)程中存在制動(dòng)力不足、通道回路容易發(fā)生堵塞引起制動(dòng)系統(tǒng)失效等問(wèn)題，提出了防沖擊恒減速冗余制動(dòng)技術(shù)，并對(duì)搭建的液壓系統(tǒng)回路進(jìn)行仿真分析，在SimulationX中搭建液壓系統(tǒng)回路，將各個(gè)控制元件拖入到工作區(qū)中，搭建仿真分析模型進(jìn)行仿真分析，圖6所示為仿真分析結(jié)果，其中圖6(a)是制動(dòng)盤壓力的仿真結(jié)果，圖6(b)所示為三種不同初速度下(5、10、15 m/s)的制動(dòng)特性規(guī)律。

圖6 液壓制動(dòng)系統(tǒng)仿真分析結(jié)果

從圖中的仿真結(jié)果可以得出：仿真得到的制動(dòng)壓力與理論值相差不大，基本上符合制動(dòng)盤的壓力要求，壓力上升階段用時(shí)大約為55 ms，峰值維持時(shí)間為110 ms，最大超調(diào)量為28%，整體上施加壓力平穩(wěn)，制動(dòng)過(guò)程比較柔和。為了驗(yàn)證防沖擊冗余制動(dòng)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)和效果，對(duì)不同初始速度下的制動(dòng)進(jìn)行仿真分析，得到如圖6(b)所示的仿真分析結(jié)果，從中可以看出，在不同的初速度下，速度基本上表現(xiàn)為線性減小，制動(dòng)速度和時(shí)間呈線性關(guān)系，并且不同初速度下的減速曲線相互平行，表明系統(tǒng)的加速度相等，制動(dòng)加速度不會(huì)受初速度的影響，整體運(yùn)行平穩(wěn)且線性化，驗(yàn)證了恒減速制動(dòng)的優(yōu)勢(shì)和效果。

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用與分析

對(duì)提出的礦井提升系統(tǒng)防沖擊冗余制動(dòng)技術(shù)在煤礦井下進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，對(duì)技術(shù)方案進(jìn)行了驗(yàn)證和分析，圖7所示為現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用案例與監(jiān)控系統(tǒng)制動(dòng)系統(tǒng)效果。

圖7 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果與分析

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用表明：此次提出的礦井提升系統(tǒng)防沖擊冗余制動(dòng)技術(shù)將液壓系統(tǒng)和控制系統(tǒng)冗余，有效保證制動(dòng)系統(tǒng)的可靠性和安全性，解決了傳統(tǒng)液壓系統(tǒng)單回路存在的不足，有效保證礦井提升系統(tǒng)的安全性，同時(shí)也使得制動(dòng)過(guò)程實(shí)現(xiàn)恒減速，有效避免液壓系統(tǒng)沖擊，解決了長(zhǎng)期以來(lái)存在的安全性問(wèn)題。且制動(dòng)系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間從最初的60 ms變?yōu)楝F(xiàn)在的12 ms，大大提高了制動(dòng)性能，有效保證了煤礦提升系統(tǒng)的高效性和可靠性，對(duì)于煤礦安全生產(chǎn)具有重要的意義。

5 結(jié) 語(yǔ)

傳統(tǒng)的礦井提升機(jī)制動(dòng)系統(tǒng)采用單回路液壓系統(tǒng)，極容易因液壓油污染造成制動(dòng)系統(tǒng)失效從而引起墜罐等事故，嚴(yán)重影響了提升系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性。針對(duì)這一問(wèn)題文中對(duì)礦井提升制動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行研究，分析了傳統(tǒng)液壓系統(tǒng)存在的問(wèn)題，提出了一套防沖擊冗余制動(dòng)技術(shù)，采用多通道回路液壓系統(tǒng)和多組電氣控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了液壓系統(tǒng)和控制系統(tǒng)的雙重軟硬件冗余，實(shí)現(xiàn)了對(duì)礦井提升系統(tǒng)的多重保護(hù)，避免發(fā)生常見(jiàn)的液壓系統(tǒng)失靈等故障。通過(guò)仿真分析和現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用表明該套防沖擊冗余制動(dòng)系統(tǒng)對(duì)于不同的初速度均可以實(shí)現(xiàn)恒減速制動(dòng)，速度波動(dòng)小，制動(dòng)響應(yīng)時(shí)間僅為12 ms，取得良好的仿真和應(yīng)用效果，有效避免事故發(fā)生，對(duì)于保證礦井提升系統(tǒng)的安全性和可靠性具有重要的意義，同時(shí)也有利于提升煤礦的整體安全管理水平。