提升机安全制动分析.doc

矿井提升机盘式制动器工作可靠性分析
郑煤集团技术中心 程远强
摘　要：对矿井提升机盘式制动器故障进行了详细分析，并提出了处理方法、注意事项和建议。
关键词:提升机;制动器;可靠性分析；处理方法和注意事项
1前言
矿井提升设备的主要任务是沿井筒提升煤炭、矸石，下放材料，升降人员和设备，所以矿井提升设备是联系井下与地面的重要设备，是联系井上下的咽喉。保证矿井提升设备安全可靠的工作关系到人员安全和设备的安全，故我们有必要对矿井提升设备进行安全性分析。
为了保证提升系统安全可靠工作，按照《煤矿安全规程》提升系统有防止过卷装置、防止过速装置、过负荷和欠压保护装置、限速装置、深度指示器失效保护装置、闸间隙保护装置、松绳保护装置、满仓保护装置、减速功能保护装置，这些保护发生作用最终得到安全停车的最后保障是制动闸安全可靠的安全制动工作。所以，制动闸安全可靠是提升机安全可靠运行的最后保证，也是提升机安全可靠运行的基本保证。下面我们就主分析一下提升机制动闸。
现在我国提升机制动闸主要有两种类型，块闸制动系统和盘闸制动系统。块闸制动系统的不足之处在于产生的制动力较小，制动效果差，结构复杂，经过的环节多，经过现场考察闸瓦和制动轮同心度都不是太好，且有效接触面积一般较小，近几年因使用该类型制动系统，已发生过多次提升安全事故。部分单位已率先要求淘汰块闸制动系统，本人也建议淘汰块闸制动系统。下面主要分析一下盘形制动系统。
2 盘形制动系统故障分析
2．1制动系统主要测试内容及要求
《煤矿机电设备完好标准》规定盘形闸制动系统瓦间隙一般为1~1.5mm，最大不得超过2mm；安全制动时空动时间不得0.3s；竖井提升时无论工作闸或保险闸工作时其制动力矩不得小于最大静负荷力矩的3倍；调绳时作用到单滚筒上的制动力矩不得小于该滚筒所悬吊负荷力矩的1.2倍；正在使用中的制动盘偏摆量≤1mm，新安装的制动盘偏摆量≤0.5mm；对于安全制动减速度，上升提重载时，下放重载时。其它还包括“液压站性能”、“闸瓦磨损及与制动盘接触情况”、“主轴窜动量”等。
2．2引起盘形闸制动失效的因素

2.2.1制动力矩不足
制动力矩可用下式表示：
（1）
式中：－每个闸瓦作用于制动盘上的正压力，N；
－闸瓦与制动盘之间的摩擦系数；
－制动盘平均摩擦半径，m；
－制动盘闸上的个数。
从上式可以看出，提升机安装好后，其制动盘摩擦半径和闸瓦个数是确定的，因而制动力矩主要与作用在制动盘上的正压力和闸瓦与制动盘之间的摩擦系数有关，而正压力可用下式表示：
（2）
式中：－碟形弹簧的刚度，N/m；
－弹簧在制动器无液压油时的预压量，m；
－盘形闸中活塞运动阻力，N；
－盘形闸中残压，Pa；
－盘形闸中油缸面积m2。
由公式可见，影响制动力矩的主要因素有弹簧的预压量、闸瓦间隙、碟形弹簧的刚度、活塞运动阻力、盘形闸中的残压、闸瓦与制动盘之间的摩擦系数等，现分析如下：
2.2.1.1弹簧预压量和闸瓦间隙
弹簧预压量直接决定着闸瓦作用于制动盘上正压力的大小，制动器在运行一段时间后，闸瓦由于磨损将使得闸瓦间隙变大，碟形弹簧预压量将随着闸瓦间隙的增大而减小，制动力也随之减小。因此，闸瓦磨损的本质是弹簧预压量减小，并通过闸瓦间隙反映出来，闸瓦间隙将决定制动力矩的大小。
2.2.1.2碟形弹簧疲劳或断裂和寿命
施加于制动盘上的正压力是依靠碟形弹簧储积的压力势能产生的。碟形弹簧在频繁使用中由于金属的疲劳现象引起使用应力即刚度急剧下降，致使制动力有较大的变化。由于盘形闸中碟形弹簧数量较多，一旦有一片碟形弹簧损坏，将会使整个制动器失去制动力。因此碟形弹簧是影响盘形闸能否正常工作的重要因素。
据设计资料介绍，提升机的双盘形闸弹簧的使用寿命是按5×105循环次数设计的。在使用中应当根据实际情况确定弹簧的使用寿命。可按下式计算：
（3）
式中：－每年工作时间数，单位小时(h)；
－每小时提升次数；　－每提升一次松闸次数。
2.2.1.3活塞卡缸
由于盘形闸在制动过程中，活塞与液压缸之间、筒体与制动器之间的摩擦以及卡缸等原因使得运动阻力比理论值大，在其它影响因素不变的情况下，运动阻力的增大将导致制动力矩的降低，若出现卡缸将使盘形闸制动完全失效。
2.2.1.4工作腔残压
如果油质差或被污染等因素使油路不畅或堵塞，将出现制动器中油液不能完全回到油箱，从而使制动器工作腔内的残压较大。由于盘形闸是靠油液压力松闸和碟形弹簧力制动的，残压的增大将使制动力矩降低。若出现油路堵塞，制动器中的油液不能回油，使碟形弹簧储存的能量无法释放，从而导致盘形闸制动失效。
2.2.1.5闸瓦摩擦系数过低
闸瓦摩擦系数通常认为是一个常数，实际上不同的提升速度、温升、正压力对摩擦系数有不同的影响，另外闸瓦和制动盘若被污染或闸瓦材质差及闸瓦过热，则摩擦系数将大降低，严重时将会使制动失效。
2.2.1.6制动盘偏摆度
制动力矩不足
正压力不足
接触面不够
摩擦系数下降
弹簧故障
卡缸
液压站故障
闸盘污染
闸瓦过热
疲劳
断裂
残压高
电磁阀芯卡阻
由于制动盘本身误差、安装误差、主轴轴向游隙及支撑系统误差，制动盘存在偏摆，使几副闸不能同时作用或在一副闸中单面先接触。制动盘偏摆度过大，使闸瓦与制动盘不能很好地贴合且接触面积减小，并使闸瓦间隙不均匀，造成制动力不稳定并加剧提升机滚筒轴向受力，从而造成提升机运行不稳定和疲劳损坏，同时加剧制动器内碟形弹簧的疲劳。反之，制动力的不稳定和轴向力又加剧制动盘的变形，使其偏摆度加大，可见制动盘偏摆度将影响到制动力矩。
综上所述，造成制动力矩不足故障原因见图1－1所示。
图1－1　制动力矩不足故障原因网络图
2.2.2空动时间偏长
《煤矿安全规程》规定盘形闸紧急制动时，空动时间不超过0.3s，如果超过0.3s时，一般就可以认为制动系统出现问题了。主要原因有个别弹簧疲劳失效；闸内阻力偏大；液压系统油路阻力偏大；闸瓦间隙过大，从而使制动距离太长，提升机不能在要求的位置停车，此时亦为制动失效。
安全制动空动时间延长，会使本应可以控制的事故扩大造成严重后果，也应引起足够的重视。
2.2.3提升机的承受的载荷力矩
提升机运行时承受着提升容器自重、载荷、钢丝绳重量、井筒阻力及加减速时引起的动负荷产生的力矩，一般对双容器提升为：
（4）
式中：－提升机承受的载荷力矩，Nm；
－矿井阻力系数； －提升载荷重量，N；
－提升钢丝绳每米质量，kg/m； －重力加速度，m/s2；
－两容器高度差，m；－提升系统变位质量，kg；
－提升加减速度，m/s2；－提升机滚筒半径，m。
从上式可以看出，提升机处于静态或下放货载时，若提升载荷、变位质量及加减速度过大，将导致提升机承受的载荷力矩过大，当超过制动力矩则会使制动失效；提升容器在井筒中运行时被罐道卡住，也会使制动失效。
制动失效分析
从上述引起盘形闸制动失效的因素可以看出，导致盘形闸制动失效的原因有：一方面是制动力矩过小或过大；另一方面是制动装置及保护装置出现故障。制动力矩过小，显然制动减速度过小，制动距离过大，使提升容器不能在要求的位置上被可靠地闸住；制动力矩过大，通常盘形闸不会马上失效，但从提升钢丝绳来看，制动力矩过大，则制动减速度过大，超过《煤矿安全规程》对制动减速度的要求，使提升钢丝绳受到的动负荷过大，从而导致断绳事故，使提升容器坠落。这说明制动力矩过大也会使制动失效。结合图1－2事故树可清楚地对盘形闸制动失效进行分析。

图1－2　盘形闸制动失效事故树
2．3防止制动失效的措施
2.3.1加强对提升司机的培训、管理，杜绝和防止操作失误如开反车、注意力不集中、施闸不合规范等。
2.3.2加强对提升机维护人员的管理，提高其维护水平，对引起盘形闸制动失效的因素能进行认真仔细的检查，及时、调整和维修，如定期闸瓦间隙并按要求调整；定期测量制动盘偏摆度，若超过标准则应采取相应措施；若出现闸座松动，则应加固；若制动盘上存在油污，则应及时清理并安装挡油板，防止钢丝绳上的油水溅到制动盘上。
2.3.3提高盘形闸液压系统工作制动、安全制动及其工作元件的可靠性。
2.3.4确保盘式制动器和制动盘的安装质量。
2.3.5对盘形各种保护装置一方面加强检查，另一方面要定期测试。
2.3.6对易造成盘形制动失效的零部件进行智能控制和监护，对制动失效进行预报警。
2.3.7对制动力矩过大现象及时进行调整，使之符合《煤矿安全规程》关于制动力矩和制动减速度的要求，并且合理分配一级制动力矩的大小和延时的长短。
2.4解决问题措施和建议
2.4.1制动系统是提升机重要的组成部分，制动系统能否灵活、可靠地工作关系到矿井的正常生产和安全，对制动系统应有足够的重视，加强日常维护和检修。
2.4.2要定期按要求对矿井提升机进行性能测试和不定期测试（每次调整闸后最好进行一次制动力矩测试），及时发现设备的故障隐患，并及时处理，并作记录。
2.4.3严格遵守操作规程和岗位责任制，加强对司机、检修人员的业务培训和教育，提高他们的技术操作水平及责任心。建立严格的考核制度，业务领导要定期检查各项原始记录，并纳入月考核内容，确保设备性能完好，对一些陈旧或安全设施不符合规定的设备要及时进行技术改造或设备更新。
2.4.4引进新技术对现有提升机设备进行技术改造，将可编程控制器应用到提升机控制和保护上。
作者简介：程远强（1967-），男，河南省方城人，工程师，1991年毕于焦作矿业学院，现从事机电管理工作。