礦井提升機(jī)制動(dòng)工業(yè)性試驗(yàn)研究

來 春

（山煤國(guó)際能源股份有限公司煤業(yè)分公司， 山西 太原 030006）

引言

提升機(jī)為綜采工作面的主要運(yùn)輸設(shè)備之一，其承擔(dān)著物料、煤炭、矸石、人員及設(shè)備的運(yùn)輸任務(wù)。提升機(jī)的提升效率和安全性對(duì)于煤炭生產(chǎn)具有重要意義。提升機(jī)的制動(dòng)性能在一定程度上決定設(shè)備的安全性。目前，針對(duì)提升機(jī)的制動(dòng)以恒力矩制動(dòng)為主，其容易對(duì)提升機(jī)的相關(guān)機(jī)械設(shè)備和罐籠內(nèi)的設(shè)備、人員及物料等造成沖擊，而且容易導(dǎo)致鋼絲繩打滑的問題出現(xiàn)[1]。恒減速制動(dòng)系統(tǒng)可有效解決上述問題，但是單純地將恒力矩制動(dòng)系統(tǒng)改造為恒減速制動(dòng)系統(tǒng)，成本較高且造成資源浪費(fèi)。為此，本文將設(shè)計(jì)一套恒力矩制動(dòng)系統(tǒng)到恒減速制動(dòng)系統(tǒng)的切換裝置。

1 恒減速轉(zhuǎn)換制動(dòng)系統(tǒng)研究

隨著綜采工作面采煤設(shè)備自動(dòng)化水平的提升和采煤技術(shù)的進(jìn)步，提升機(jī)所面臨的工況越發(fā)復(fù)雜，提升速度也需要越來越快等，對(duì)提升機(jī)制動(dòng)的性能提出了更高的要求。傳統(tǒng)的基于恒力矩制動(dòng)系統(tǒng)在整個(gè)減速、停車過程中減速度的變化較大，使得系統(tǒng)整個(gè)制動(dòng)過程不穩(wěn)定，進(jìn)而在制動(dòng)過程中頻繁出現(xiàn)鋼絲繩打滑的問題，最終降低設(shè)備的使用壽命和整機(jī)系統(tǒng)的安全性。從理論上講，保證制動(dòng)、停機(jī)過程中減速器的恒定才可解決上述問題。考慮到改造成本的因素，設(shè)計(jì)恒減速轉(zhuǎn)換系統(tǒng)對(duì)于保證提升效率和安全性具有重要意義[2]。

結(jié)合《JB/T 3277—2004 礦井提升機(jī)和礦用提升絞車液壓站》和《AQ 1033—2007 煤礦用JTP 型提升絞車安全檢驗(yàn)規(guī)范》的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，恒減速制動(dòng)系統(tǒng)的液壓泵站需滿足如下要求：

1）系統(tǒng)發(fā)出制動(dòng)指令，到減速度穩(wěn)定的這一時(shí)間段應(yīng)控制在0.8 s 內(nèi)；

2）系統(tǒng)液壓泵站得到制動(dòng)指令后，保證閘盤空程的時(shí)間不得超過0.3 s；

3）當(dāng)提升機(jī)制動(dòng)完成后，閘盤內(nèi)殘留的液壓壓力不得大于0.5 MPa。

恒減速制動(dòng)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的液壓原理如圖1 所示。

圖1 恒減速制動(dòng)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)

如圖1 所示，當(dāng)兩位四通換向閥不得電時(shí)采用恒力矩制動(dòng)方式。當(dāng)恒力矩減速系統(tǒng)出現(xiàn)故障或不能滿足提升機(jī)運(yùn)行工況的要求時(shí)，兩位四通換向閥得電處于左位運(yùn)行；與此同時(shí)，兩位兩通換向閥處于左位運(yùn)行，此時(shí)提升系統(tǒng)采用恒減速制動(dòng)方式。

當(dāng)前，提升機(jī)制動(dòng)系統(tǒng)液壓泵站的最高工作壓力為14 MPa，其對(duì)應(yīng)的最大液壓油的流量為15 L/min。考慮到在實(shí)際制動(dòng)過程中液壓油會(huì)從盤式制動(dòng)器回流至油箱，即在制動(dòng)過程中盤式制動(dòng)器也可視為液壓油的油源[3]。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)可知，在制動(dòng)過程的最大流量可達(dá)26.96 L/min，則選取的液壓管的最小直徑計(jì)算如下：

國(guó)內(nèi)情況：前周，國(guó)內(nèi)各地區(qū)尿素價(jià)格周環(huán)比上漲為主。其中河南、湖北、廣西、貴州、甘肅尿素批發(fā)和零售價(jià)格分別上漲6-50元/噸；北京、山西、江蘇、安徽、福建、山東、云南、陜西、新疆尿素批發(fā)和零售價(jià)格分別下跌8-60元/噸，其余地區(qū)價(jià)格持穩(wěn)。

式中：d 為液壓管最小直徑；Qmax為最大流量；v 為流速。

將參數(shù)代入式（1）中，得出液壓管路的最小直徑為8.44 mm。結(jié)合《液壓手冊(cè)》產(chǎn)品的相關(guān)選型。最終確定滿足恒減速制動(dòng)系統(tǒng)液壓管路的的直徑為10mm。圖1 中配套的其他液壓元器件的選型如表1 所示。

表1 恒減速制動(dòng)系統(tǒng)關(guān)鍵液壓元件選型

2 恒減速制動(dòng)系統(tǒng)的工業(yè)性試驗(yàn)研究

為檢測(cè)恒減速制動(dòng)系統(tǒng)確實(shí)的制動(dòng)效果，本文采用工業(yè)試驗(yàn)的方式對(duì)其性能進(jìn)行研究。

恒減速制動(dòng)系統(tǒng)作為電液控制系統(tǒng)，現(xiàn)場(chǎng)安裝分為電氣部分和液壓部分。恒減速制動(dòng)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)液壓分系統(tǒng)的整體安裝效果如圖2 所示。

圖2 恒減速制動(dòng)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)安裝示意圖

恒減速制動(dòng)系統(tǒng)電氣分系統(tǒng)主要包括電氣控制柜、螺旋編碼器。其中，電氣控制柜包含光電測(cè)速編碼器、S7-300PLC 控制器、平板級(jí)上位機(jī)及后備電源等。

本節(jié)主要對(duì)恒減速制動(dòng)系統(tǒng)的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)性能進(jìn)行驗(yàn)證。

2.1 恒減速制動(dòng)系統(tǒng)的靜態(tài)性能驗(yàn)證

所謂恒減速制動(dòng)系統(tǒng)的靜態(tài)性能驗(yàn)證主要是對(duì)在未引入速度反饋的基礎(chǔ)上，對(duì)制動(dòng)系統(tǒng)中液壓元器件性能進(jìn)行驗(yàn)證[4]，包括液壓元器件的響應(yīng)特性和控制性能的測(cè)試等，并重點(diǎn)對(duì)系統(tǒng)的全泄壓響應(yīng)和貼閘響應(yīng)進(jìn)行驗(yàn)證。

2.1.1 系統(tǒng)全泄壓響應(yīng)的驗(yàn)證

圖3 系統(tǒng)泄壓響應(yīng)試驗(yàn)

如圖3 所示，比例閥電壓信號(hào)從5 V 降為0 V時(shí)，對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)的液壓油壓力由4 MPa 降為0.3 MPa。泄壓全過程的時(shí)間為0.07 s，其中包括有電信號(hào)的0.01 s，液壓系統(tǒng)的滯后時(shí)間0.01 s 及液壓系統(tǒng)的動(dòng)作時(shí)間0.05 s。經(jīng)對(duì)比，上述響應(yīng)時(shí)間滿足《AQ 1033—2007 煤礦用JTP 型提升絞車安全檢驗(yàn)規(guī)范》的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。

2.1.2 系統(tǒng)貼閘響應(yīng)的驗(yàn)證

系統(tǒng)貼閘響應(yīng)試驗(yàn)指的是恒減速制動(dòng)系統(tǒng)已經(jīng)啟動(dòng)，比例閥電壓值從0 V 增加為3.5 V，在此階段對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)油壓及電信號(hào)的變化如圖4 所示。

圖4 系統(tǒng)貼閘響應(yīng)試驗(yàn)

如圖4 所示，比例閥電壓信號(hào)從0V 增加為3.5V，對(duì)應(yīng)系統(tǒng)油壓從5.5 V 降低并穩(wěn)定至4.8 V。系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)的時(shí)間為0.26 s，其中電信號(hào)時(shí)間為0.01 s，液壓系統(tǒng)的滯后時(shí)間為0.03 s，液壓系統(tǒng)確保貼閘的時(shí)間為0.23 s。經(jīng)對(duì)比，上述響應(yīng)時(shí)間滿足《AQ 1033—2007 煤礦用JTP 型提升絞車安全檢驗(yàn)規(guī)范》的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。

2.2 恒減速制動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能驗(yàn)證

所謂動(dòng)態(tài)性能測(cè)試，指的是當(dāng)提升機(jī)處于運(yùn)行狀態(tài)需要制動(dòng)時(shí)，對(duì)特定加速下制動(dòng)系統(tǒng)的響應(yīng)特性進(jìn)行試驗(yàn)研究[5]。本次試驗(yàn)設(shè)定的減速度為-2.3m/s2，所得系統(tǒng)的電信號(hào)、掉電信號(hào)、油壓信號(hào)的試驗(yàn)結(jié)果如下頁圖5 所示。

如圖5 所示，系統(tǒng)在動(dòng)態(tài)試驗(yàn)中，貼閘響應(yīng)時(shí)間為0.21 s，對(duì)應(yīng)的恒減速達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)所需時(shí)間為0.76 s。同理，當(dāng)預(yù)定的減速度為-3.2 m/s2時(shí)，系統(tǒng)貼閘響應(yīng)時(shí)間為0.17 s，對(duì)應(yīng)的恒減速達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)所需時(shí)間為0.79 s。

圖5 系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能試驗(yàn)

經(jīng)對(duì)比，上述響應(yīng)時(shí)間滿足《AQ 1033—2007煤礦用JTP 型提升絞車 安全檢驗(yàn)規(guī)范》的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。

3 結(jié)語

提升機(jī)作為綜采工作面的關(guān)鍵運(yùn)輸設(shè)備之一，其制動(dòng)系統(tǒng)的性能直接決定提升效率和安全性。傳統(tǒng)的恒力矩制動(dòng)系統(tǒng)存在鋼絲繩打滑、容易對(duì)物料及設(shè)備造成沖擊，以及加速度不穩(wěn)定的問題。為此，本文設(shè)計(jì)恒減速制動(dòng)系統(tǒng)以保證在實(shí)際提升過程中根據(jù)工況實(shí)現(xiàn)恒力矩與恒減速制動(dòng)的切換，并通過試驗(yàn)得出如下結(jié)論：

1）系統(tǒng)的泄壓響應(yīng)時(shí)間僅為0.07 s；

2）系統(tǒng)的貼閘響應(yīng)時(shí)間僅為0.26 s；

3）當(dāng)預(yù)定的減速度為-3.2 m/s2時(shí)，系統(tǒng)貼閘響應(yīng)時(shí)間為0.17 s，對(duì)應(yīng)的恒減速達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)所需時(shí)間為0.79 s；當(dāng)預(yù)定的減速度為-2.3 m/s2時(shí)，系統(tǒng)貼閘響應(yīng)時(shí)間為0.21 s，對(duì)應(yīng)的恒減速達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)所需時(shí)間為0.76 s。

上述動(dòng)態(tài)和靜態(tài)性能均滿足《AQ 1033—2007煤礦用JTP 型提升絞車安全檢驗(yàn)規(guī)范》的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。