刘塘坊铁矿副井提升机制动系统原理分析及压力整定

宋德轩 毛春雷

(1.中国中钢集团公司中钢矿业开发有限公司，北京100080; 2.中钢集团马鞍山矿山研究院有限公司，安徽马鞍山243000)

1 刘塘坊铁矿副井提升机制动系统概述

刘塘坊铁矿副井提升机制动系统采用油压盘式闸制动方式，与早期的平移或角移式块闸制动机理相比，具有惯性小、可靠性高、结构紧凑，动作灵敏等独特的优点［1］。安全制动时，可以将制动器分成2组，通过延时继电器分期分批投入工作，实现二级制动功能，如果一组制动器产生故障，也仍然还有一组制动器在工作，不致使制动器的作用完全失效，尤其是本矿副井采用中高压液压站控制系统，还具备恒减速制动功能，可靠度再次升级。它的闸瓦沿轴向而不是沿径向作用在制动盘上，为使制动盘不承受附加的轴向载荷，盘式制动器都成对使用，每个提升机可按其工作条件选择所需的副数，其数目可达6副或更多，盘式制动器用高强度螺栓成对固定在支架上，其工作原理如图1所示。

图1 油压盘式闸制动器工作原理Fig.1 Hydraulic disc brake working principle diagram

油压盘式闸制动系统采用油压松闸，依靠碟形弹簧预压力制动，在提升机制动时，碟形弹簧的预压力迫使活塞向制动盘移动，通过联接螺钉，将滑套连同其上的制动块推出，使闸瓦与滚筒的制动盘压紧，弹簧力F作用在闸盘上并产生正压力，形成摩擦制动效果。当油缸Y腔通入压力油时，活塞压缩碟形弹簧，并通过联接螺钉带动滑套反向移动，使制动块脱开制动盘，随着油压P2的增大，弹簧组被挤压并增加弹簧力F，与此同时制动块脱开闸盘，盘形制动器的制动力消失。制动摩擦力取决于弹簧力F和油液压力P2，改变油压P2可以获得各种不同的正压力N，进而得到不同的制动力，当油压P2降至零时，正压力N取最大值，在正压力的的作用下闸瓦与闸盘间产生摩擦力最大，处于全制动状态，当油压P2增大到最大时，正压力N为零，此时间隙最大，处于全松闸状态，实现了各种安全制动的目的。油液压力P2值的改变是借助于液压站的电液调压装置来实现的［2］。由盘式制动器产生的制动力矩为

式中，MZ为提升机需要的制动力矩，Nm;N为作用在制动盘上的正压力，N;f为闸瓦与制动盘的摩擦系数;Rm为制动盘平均摩擦半径，m;n为制动器油缸总数，个。

可见，制动器在制动盘上产生制动力矩，取决于正压力N的具体值，并与闸瓦与制动盘的摩擦系数、制动盘平均摩擦半径、制动器油缸数目密切相关。

2 制动系统液压回路分析

刘塘坊铁矿副井采用中高压液压站控制系统(P=14 MPa)，该系统作为矿井提升机重要的安全和控制部件，它和盘形闸及其电控系统共同组成为机电液集成化制动系统。其制动油路原理如图2所示。本液压系统设计共布置了4条相互独立的回油路:第1条由阀12、13、15组成;第2条由阀17、18、20组成;阀14得电时用作液压系统的安全溢流阀，控制回路最高压力，阀14在失电时迅速回油构成第3条回油路;阀11组成第4条独立回油路，紧急情况时，经叶片泵回油;阀4、6、7、8构成了恒力矩制动期间的补油回路。

图2 刘塘房副井提升机油压制动系统原理Fig.2 Liu Tangfang auxiliary shaft hoist hydraulic braking system schematic principle diagram

2.1 松闸状态

在初始状态时，电磁阀18、8、5得电吸合，叶片泵2开启，脱闸时，阀14、15得电吸合，电液阀20电流一直升到调定值，叶片泵2的配套电机全速运行，5 s后置换为低速转动。油液由泵2、精滤器3、阀5及单向阀4送入制动器，阀5、8、14、15、18、20得电后，由于阀12、14、15、17、20阻断了系统的3条主要回油路，压力逐渐增加到松闸值;与此同时，液压油经过阀16向蓄能器6充油。回路压力迅速增加到安全阀14的调定值，盘形闸全部脱开制动盘。

2.2 制动状态

考虑到各种不同的工况要求，本系统采用了4条平行的回油路，以保证盘闸制动系统的运行安全可靠。

2.2.1 爬行后正常停车制动

提升机正常提升进入减速状态然后爬行，当至停车位置0.5 m时，在电气控制下，运行速度减少到更低，此时系统按贴皮油压施加制动力，阀20的电流值先从贴皮压力降至8 MPa，经过很短时间后，二级压力降至4 MPa左右，两次降压使制动器能迅速且平稳地施压。运行到停车点时，阀14、15、20失电卸荷。

2.2.2 手动工作制动

在此种制动模式下，各电磁阀都处于得电状态，因此阀12、13、14回油路阻断，第1和第3回油路失去作用，手动工作制动作用由第2回油路实现，此时阀18通电，使阀17的控制口与阀20接通，此时只需拉或推司机的操作把手，通过自整角机，就能控制阀20的输入电流值，实现无级均匀地调节系统油压的目的。

2.2.3 安全制动

安全制动包含两种方式:一种是恒减速安全制动(含二级制动);另一种是二级恒力矩安全制动。

(1)恒减速安全制动。考虑到紧急状态制动时压力源的重要性，液压站配备了蓄能器6，紧急停车时，泵和阀5、8均失电，而阀14、15、18、20由备用电源供电。蓄能器可维持系统的制动油压［3］。安全制动时，要求阀17、8、18配合阀20协调动作，紧停时，油泵电机、阀5、8电源被切断，20、18得电，阀4可阻止油液回油箱，使油液经阀17回油，阀20可控制阀17的压力，阀20以一定斜率从Pmax(整定值)降低压力。一旦达到合适减速度，压力迅速维持恒定，提升系统以恒减速运行，当速度逐渐减小到零时，投入快速制动，即使阀14、15、20断电，压力降至Pmin。

(2)二级恒力矩安全制动。恒力矩制动时，各阀12、13、17均按各自调定值迅速降压，继而关闭。在0.3 s内降至贴皮油压值，空行程终止时，制动块接触制动盘，但不施压，当油压降至调定值P17时，阀12关闭，此时只有13、17、11卸油，由于阀8断电，使蓄能器接通主回油路，向系统补充卸油量，调节阀7，保持补充流量与阀13、17、11的卸荷油量相等，使系统油压保持在阀17的调定值上，进行一级制动，一级制动时间可在10 s内调整。蓄能器卸空后，系统不再补油，油压迅速下降，阀17、13相继关闭，此时阀11，继续卸油直至卸空，油压降至零时，制动闸全部投入，使最终的停车制动力矩满足安全规程要求的3倍静力矩要求。

各种制动状态时，液压站的制动压力与时间的关系曲线见图3，a、b、c、d分别代表了松闸、手动制动、二级制动及恒减速制动的不同工作方式。

图3 各种制动状态下制动压力－时间曲线Fig.3 Brake pressure-time curve of various braking conditions

3 液压站各种油压值及延时时间的确定

首先需要确定合适的制动力矩Mz，然后计算所需工作油压，一般情况下，合适的制动力矩需要满足下面3个条件:

(1)制动力矩不得小于3倍最大静阻力矩，即

式中，Mj为提升机最大静阻力矩。

(2)安全制动时，下放货载制动减速度不小于1.5 m/s2，则制动力矩需满足

式中，∑M为提升系统总的变位质量;R为提升机滚筒半径，m。

(3)安全制动时，上提货载不大于5 m/s2，则制动力矩需满足

根据上述3个条件确定出合理的制动力矩，由式(1)～式(4)得所需液压站正常工作油压Pmax为［4］

式中，Pmax为液压缸面积，MPa;A为盘形制动器活塞面积，m2;Pc为综合阻力折算成的油压值，可由盘形制动器参数表查得，Pa。

3.1 正常工作油压

贴闸皮油压值

式中，S0为实际静张力差，N;Rδ为卷筒半径，m。

以f=0.35，Rδ/Rm=0.9代入式(6)，得

式中，K为修正系数，K=3.25/C(0≤C≤1)，K= 3.25(C≥1);C为质量特性系数，C=S0/∑M。

3.2 二级制动时第一级制动油压值的确定

二级制动时第一级制动油压的计算值为

式中，m为制动器接A组油缸数，个。

3.3 二级制动时的第一级制动延时时间的确定

二级制动时的第一级制动延时时间的确定公式为

式中，Vmax为提升机最大运行速度，m/s;a为紧急制动时的减速度，m/s2，根据煤矿安全规程的规定:重物下放时a≥1.5 m/s2，重物提升时a=1.5+(2S0/∑M)≤5 m/s2，另外仍要满足防滑要求。

4 刘塘坊铁矿副井提升机盘闸制动系统整定计算

副井提升设施采用多绳双层单罐笼配平衡锤提升方式，采用钢丝绳罐道，担负全矿的废石、人员、设备及材料等提升或下放任务。制动系统涉及到的提升设备及技术参数详见表1。

4.1 提升系统变位质量计算

根据提升系统使用的具体设备及技术参数，按提升－500 m水平计算，系统全部转动和移动部分变位质量∑G计算为

式中，GJ为提升机旋转部分变位质量，查洛矿提升机样本得9 000 kg;GL为天轮旋转部分变位质量，查洛矿提升机样本得6 880 kg;GD为电动机旋转部分变位质量，经计算得2 461 kg;QG为罐笼变位质量，查设备制造厂蓝图得13 000 kg;QC为矿车变位质量，查设备制造厂蓝图得2 880 kg;QX为罐笼一次提升有效载重，计算得5 040 kg;QC为平衡锤变位质量，查设备制造厂蓝图得18 000 kg;Mp为提升钢绳变位质量，计算得7 403 kg;Mq为尾绳变位质量，计算得7 264 kg。

表1 刘塘坊铁矿副井提升系统设备及技术参数Table1 Liutangfang Iron M ine auxiliary shaft hoisting system equipm ent and technical parameters

4.2 油压整定计算

首先确定正常工作油压Pmax，由式(10)求质量特性系数C:

所以，K=3.25/0.7=4.643，代入式(7)，得

根据式(5)和式(6)求得:

式中，Pc为综合阻力折算成的油压值，根据大型提升机盘形制动器参数表，查取为 24 kg/cm2(2.36 MPa)。由此可见，提升系统配置的14 MPa中高压液压站，能够满足正常制动的压力需求。

再由式(8)，可求得二级制动时第一级制动油压值

4.3 二级制动时的第一级制动延时时间计算

由式(9)，可计算出延时时间为

5 结语

刘塘坊铁矿副井提升机制动系统配置了2套独立运行的单机单泵，互为备用检修，提高了系统运行的安全可靠性。在正常使用过程中，液压站启动时应先开动油泵电机，然后才能操纵各阀件，避免空气串入液压缸影响松闸效果。随着机电液技术的不断发展，中高压液压站的结构和性能也逐步完善，其具备的恒力矩制动功能，将提升机所需要的全部制动力矩分2次施加，避免了过大的冲击力破坏联接件及伤人事故发生，使得提升系统运行平稳、安全、可靠。关键是在使用过程中，要对各主要承压阀的制动压力和第一级制动延迟时间做到精准整定，才能确保盘闸能够在正常停车和安全制动时发挥作用。但是由于二级制动的一级油压一般均按最恶劣工况整定，且只赋予唯一值，在多种不同提升负荷时，往往造成制动减速度过大，特别是多绳提升机有突破打滑极限的潜在风险［5］，鉴于此，该矿副井液压系统引入电液比例阀20，增设恒减速制动功能，在不同工况下，均能按照恒定减速度运行，且恒减速制动失效时，仍能启动二级制动功能。二级制动模块较少调用，需定期对系统中各阀件进行检查维护，确保油路系统一直处于正常状态下。

［1］ 《采矿设计手册》编写组.采矿设计手册:矿山机械卷［M］.北京:中国建筑工业出版，1989.

Mining Design Manual compilation group.Mining Design Manual: Mining Machinery Volume［M］.Beijing:China Building Industry Press，1989.

［2］ 陶林裕.矿井提升机盘式制动器监控系统的研究［D］.长春:吉林大学，2011.

Tao Linyu.Researches on Monitor and Control System of Disc Brake of Mine Hoist［D］.Changchun:Jilin University，2011.

［3］ 张 梅，李敬兆.基于单片机的提升机恒减速制动系统的模糊控制［J］.煤矿机械.2005(1):45-47.

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［4］ 晋民杰，颜建明，路志强.矿井提升机的制动力矩与油压［J］.太原重型机械学院学报，2001(3):214-216.

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［5］ 谭兴福，徐翊锋，王先锋.基于比例阀和伺服阀的恒减速液压站的研究［J］.液压气动与密封.2011(7):35-38.

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