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1、|矿井提升机 plc 控制系统设计摘要矿井提升机制动系统，是矿井提升系统的安全保障环节，对矿井提升生产效率和工作性能都有着重要意义。矿井提升机制动系统由液压站和制动器两部分组成，其制动性能直接影响到提升系统的稳定性与安全性。矿井提升机制动系统的可靠性和准确性是矿井提升和安全运行的重要保证。目前，提升机制动系统多采用盘式制动器，盘式制动器的制动力由液压泵站提供。本文对提升机制动系统中液压站和制动器的结构组成及工作原理进行了简单的介绍，同时对相关参数进行计算，总结了提升机制动系统制动性能的评判要求，以及影响制动性能的主要因素。为了保证液压泵站的安全运行，便于操作人员掌握工作状况，本文设计了提升机制
2、动控制系统。关键词：盘式制动器；液压站；安全|目录1.引言 .11.1 研究背景及意义 .11.2 国内外研究现状 .22.矿井提升机制动系统 .32.1 提升机液压系统的组成与工作原理 .32.1.1 液压系统的组成 .32.1.2 液压系统工作原理 .42.1.3 液压系统重要参数 .52.2 提升机盘式制动器的结构与工作原理 .62.2.1 盘式制动器的结构 .62.2.2 盘式制动器工作原理 .72.3 制动性能及其影响因素 .72.3.1 制动性能 .72.3.2 影响制动性能的因素 .92.4 系统硬件部分 .102.5 系统软件部分 .113.结语 .12参考文献 .14致谢 .
3、16|1.引言1.1 研究背景及意义在煤矿企业生产过程中矿井提升机是十分关键及重要的设备之一，其主要功能是提升矿物以及升降人员，担负着采矿生产活动正常运行的重要任务，占有极其重要的地位。提升机在运行时的安全性及可靠性是由其制动性能的优劣决定的。在工作运行过程中矿井提升设备遇到故障，而没有采取有效地紧急制动措施，这种情况将导致的后果不仅是提升机设备自身损坏，而且极大的可能会造成人员伤亡的严重事故。根据以往提升机出现故障事故的不完全统计结果分析，60%以上的提升故障都是由于制动系统出现问题而造成的。国内煤矿到目前为止因为提升机制动系统故障而造成严重事件的例子有相城煤矿中的主斜井提升机就是由于制动系
4、统在紧急制动过程中产生的制动力矩过大，断绳事件多次出现；而石台煤矿主井的提升机上由于没有及时保养清理，其制动盘出现过多的油污，导致在紧急制动过程中产生的制动力矩过小，在工作运行中致使重载箕斗坠入井底，导致了生产不能正常进行及巨大的经济损失。现在矿井提升机完成制动作用，主要是靠液压站及制动器两部分共同作用完成的。液压站与制动器的完美配合，及时有效地完成提升机制动系统正常的工作制动、紧急制动和调绳的功能。提升机制动系统制动性能的优劣直接影响提升机运行时的稳定性和可靠性。在紧急制动过程中，若盘式制动器产生的制动力矩超标，紧急时的减速度超过规定的自然减速度，提升系统中的钢丝绳将会发生松绳现象，这种情况
5、会引起冲击断绳及跑车的严重事故；相反使制动力矩过小，在限定的距离中不能使提升系统停止运行，这样会导致提升机的过卷过放的严重事故。影响矿井提升机制动性能的因素有很多，如制动盘的碟形弹簧刚度，闸瓦间隙，油压，温度变化，工作腔残压，闸瓦摩擦系数，制动盘偏摆度等，在紧急制动过程中制动引起的抖动同样是需要解决的制动振动和噪声中的一个问题，如果处理不好将会导致重大的质量问题。因此，为保证提升设备能够安全可靠地运行工作，除了在对现场实际工作|运行状态的动态监测外，最重要的是在于优化设计时使其制动系统能够进行及时精密有效地控制，当遇到紧急情况时候，可以依赖于优秀的制动性能进行减速停车，使事故发生的情况减少，更
6、好的情况就是避免发生事故，以保证煤矿生产的安全性。根据相关研究得出，与提升机制动性能相关的因素很多而且复杂，并且有可能在不同的工况下产生一定的变化，因此在深入理解并分析提升机制动系统工作原理的基础上，对影响制动性能的重要参数进行分析，建立制动系统的数学模型并利用软件完成动力学仿真分析，为完善制动系统制动性能提供优化方法与依据。因此，开展对提升机制动系统动态特性仿真分析及试验研究，可及时检查出机构设计的合理性，并进行完善，防患于未然。1.2 国内外研究现状矿井提升机的盘式制动器在国外获得了良好的发展，液压盘式制动器的泄漏情况改善很多，同时改良了制作闸瓦的材料，获得更好的摩擦系数以及在高温情况下的
7、耐磨性能高，因此在矿井提升机中通常都是使用液压盘式制动器，在紧急制动控制方式上，对其进行安全制动时通常采用分级制动，一般使用二级制动，为了到达更好的制动性能，甚至采用三级制动的方式，这样提高了矿井提升机制动性能，达到了提升货物和升降员工的使用要求。同时，国外的提升机制造公司在新的提升机设计制造中不断更新采用各种高新技术来提高提升机的整机性能以及安全性能。运用的新技术有：采用电动机拖动与控制的技术准确性更高，更加有效，提高的提升设备的自动化水平，甚至不需要安排专门的值班员工在司机岗位；采用的液压盘式制动器性能更好并更新应用了恒压减速制动的液压系统控制方式，提升机运行的平稳性和停车的精准性得以提高
8、；运用功能齐全的矿井提升机运行工况在线监测系统，通过在线监测提升机运行参数，不仅可以在超量时及时地进行报警，而且还可以进行自动调节排除故障等。矿井提升机生产企业在研制一种新提升机或者优化现存的提升机时，总是首先考虑提升机运行的安全性以及保证制动系统的可靠性要高。提升机制动系统的制动性能是采矿企业安全及稳定生产的关键保证，主要体现在一下两点：一是制动性能本身可靠性要高，发生故障机会非常低；二是当提升机制动系统发生错误后应该能够依据错误的性质及时采取一定措施进行相应的保护，而且|能够将故障的详细内容进行保存并在计算机上显示出来，方便用户迅速准确地排除故障恢复生产。因此为确保其安全可靠地运行，除了在
9、对实际运行状态的动态监测外，关键在于设计与计算时合理地选择运行状态参数，以及在结构、材质等系统设计上应有较高的可靠性。矿井提升机的制动系统制动性能的研究，直接关系到提升机的安全运行。国内对于这类研究相对较少，近几年才有一些科研人员运用虚拟样机技术和动力学仿真技术对提升机制动系统进行了研究。对于矿井提升机，虽然进行了机械和液压系统的联合仿真，但是仅仅分析制动油压、闸瓦间隙和制动力之间的关系，分析的因素比较局限；将液压系统与机械系统进行耦合仿真，分析了制动油压、闸瓦摩擦系数对制动性能的影响，影响制动性能因素的分析比较单一；对制动盘温度仿真分析，得出温度分布规律和温度随时间的变化关系，未深入分析影响
10、温度分布的因素。综上所述，影响矿井提升机制动性能的因数有很多，如制动盘的碟形弹簧刚度、闸瓦间隙、使用环境温度变化、工作腔残压、闸瓦摩擦系数、制动盘偏摆度等。在紧急制动过程中出现的制动引起的抖动同样是影响制动性能的因素，如果不减小抖动问题会导致制动性能不能满足要求。对于影响提升机制动性能各因素的分析，国内外的研究大都是针对某一个参数进行比较单一的仿真分析，没有系统而全面的整体分析，特别是针对不同的工况下参数对制动性能影响的分析更是少。为了解决矿井提升机在工作过程中出现的问题，特别是液压系统的参数对矿井提升机制动系统的影响，这需要对制动过程中影响制动性能的各参数进行分析，并建立相关数学模型并进行动
11、力学仿真。2.矿井提升机制动系统在矿井提升机制动系统中，由液压站和制动器两部分组成，由液压系统产生压力控制盘式制动器，完成提升机的制动过程，因此液压站和制动器的可靠性能都对制动系统的安全性具有决定性作用。进一步了解制动系统中液压系统和盘式制动器的工作原理有助于深入了解分析影响制动系统制动性能的因素。2.1 提升机液压系统的组成与工作原理2.1.1 液压系统的组成（1）油源部分：液压系统中的两套独立工作的油源均是由粗、精过滤器、叶片泵、电机、调压装置及管件等组成，调压装置由电液比例溢流阀 8 和溢流|阀 7 组成。为系统提供 P=0.56.3MPa，Q=14L min-1 的可调压力油源，一用一
12、备。（2）集油路装置：集油路装置由两个相同的二位三通型电磁换向阀10、11，两个相同的二位二通型电磁换向阀 8、9，弹簧蓄能器 13 和二级制动溢流阀 11 等组成，为制动系统的 A、B 管油路提供压力油，紧急电延时二级制动等功能。即 TH118C（2JK 矿井提升机）型液压站。该装置上加装一个油路块及二位三通电磁阀 14、单向阀、截止阀，即可为系统提供调绳油缸的离合功能，满足 2JTP 矿井提升绞车的调绳功能。（3）出油过滤装置：该装置由精过滤器及管件等组成。2.1.2 液压系统工作原理（1）系统正常工作状态：根据电控系统原理图将相应的电线接好后，启动与油泵相连的电动机，从油泵输出的液压油经
13、过直动型电磁比例溢流阀 7 流回油箱，当接通两个二位三通电磁换向阀，同时修改电磁比例阀 7 的输入电流信号时，系统中的油压值就会跟随电磁比例阀的信号输入的改变而变化，A 、B管油压将在 P=0.56.3MPa 间呈线性变化。进而将盘式制动器产生正压力的改变，油压值越低，制动正压力越大。在提升机正常工作的情况下，液压系统中除了以上元件进行工作以外，其余的液压元件均不会有动作。（2）系统紧急制动状态：当在设备运行过程中需要实施紧急制动时，提升机的制动系统进入紧急制动过程。液压系统中的电动机 3、电磁换向阀10、11，直动型电磁比例溢流阀 7 均变为断电状态。此时，与 A 管路相连的固定卷筒制动油缸
14、中的油液经过阀 11 直接返回到油箱，与 B 管相连的游动卷筒制动器中的液压油则经过阀 10 被接入二级制动控制油路中，整个系统中的油压大小由溢流阀调节。二位二通电磁换向阀 9 在阀 10、11 断电的同时进入通电状态，使 B 管路中的油压从最大工作油压下降到溢流阀 15 调定的压力值 P2，经过延时几秒后（按实际工作条件计算出一个调定值） ，阀 9 进入通电状态的同时阀 8 进入断电状态，而此时盘式制动器中的压力油返回油箱，油压从 P2 直接下降为 0。在弹簧蓄能器中保存的压力油及时地补充了各个阀件的泄漏损失，使B 管路中油压 P2 值在延时过程中保持不变。完成整个紧急制动过程。（3）手动紧
15、急回油装置为提升机的安全保护装置，当提升机紧急制动失效|后，扳动手动紧急制动中手动换向阀 S（H-4WMM6E50）的手柄，使制动器油缸的油迅速泄油，以达到紧急制动。2.1.3 液压系统重要参数（1）最大松闸油压值的计算根据实际的静张力差计算相对应的最大油压值。1.竖井提升的最大油压值的计算：PmaxPX+PfPX=2.57KFc/AnPf=1.65MPaPmax=2.75KFc/An+Pf式中：Fc实际最大静张力差，N；A制动器活塞有效面积，mm2；n制动器总个数；K制动器力矩计算系数K=3.25cc=(Fcm)10-1=(FcgG )10-1式中：G整个提升系统的变位重量，kg当 0c1
16、时，K=3.25c；当 1c 时，K =3.252.斜井提升时最大油压值得计算：Pmax 2.57K1KFcAn +1.56式中：K1斜井倾角影响系数斜井倾角影响系数Tab.2-1 Inclined angle of influence coefficient斜井倾角 30 25 20 20K1 1 0.89 0.8 0.65（2）二级制动油压值 P2 的确定|1.竖井重物下放时：P2=2PX-(7.8 G +5.1Fc)An2.斜井重物提升时：双钩提升时：P2=2PX-51.4(m1a+0.1Fd)An式中：m1不包括提升侧的系统终端负荷变位质量， kgs2m。Fd为下放侧的静张力，N；a在
17、倾角 a 上的自然减速度a=3m/s2 a17g(sina+fcosa) a17,f=0.015单钩重物提升P2=2PX-51.4m2aAn式中：m2所有转动部分的变位质量，kgs2m。(3)二级制动延时时间的计算t=Vmax/a式中：a制动减速度竖井重物下放时：a=1.5 m/ s2斜井重物提升时：=3m /s2 17a=g(sin+fcos)17Vmax提升机最大运行速度2.2 提升机盘式制动器的结构与工作原理2.2.1 盘式制动器的结构制动器是矿井提升机制动系统的重要组成部分，它工作的正常与否，不但关系着提升机的正常运转，而且也关系着提升机的安全性与可靠性。现在的提|升机均采用液压盘式制
18、动器，它与老产品的提升机采用的油压或气压传动的块式制动装置比较具有下列优点：由于提升机正常工作的时候都是多付盘式制动器一同产生正压力制动，若其中有一付盘式制动器出现故障失灵，也只会失去部分正压力，所以盘式制动器的可靠性比较高高；惯量小，动作较灵敏；通用性能好；结构紧凑，可调性好。盘式制动器产生的制动力矩是依靠两侧的制动闸瓦从制动盘的两侧挤压制动盘而作用的。为了使制动盘不产生额外的变形，主轴不产生附加轴向力，在提升机中盘式制动器采用成对的使用方法就是为了不让制动盘产生附加的变形，同时主轴也不会受到额外的轴向力。根据提升机设计要求所需要的制动力矩的大小，在每一台矿井提升机的制动盘上可以对称地布置多
19、付制动器。2JTP-1.2型提升机采用的是四付盘式制动器2.2.2 盘式制动器工作原理盘式制动器是靠油缸内的碟形弹簧 6 产生制动正压力的，而依靠液压系统产生的压力油使制动器松闸的。当液压油进入油缸 7，推动活塞 5 去压缩碟形弹簧，同时带动调节螺栓 4、螺钉 3、推杆 12 向左运动，滑套 9、钢板 10 和闸瓦 11 在回位弹簧以及拉紧螺栓的共同作用下也都一起向左运动，使闸瓦脱离制动盘，使盘式制动器呈现出松闸的状态。当制动器中油缸内油压值减小时，油压产生的力小于碟形弹簧产生的弹簧力，碟形弹簧就会推动活塞向右运动，并且使调节螺栓 4，螺钉 3、推杆 12、滑套 9 一起向右运动，推动闸瓦向制
20、动盘移动并挤压制动盘产生制动力矩，达到制动的目的。盘式制动器处于制动状态的时候，闸瓦向制动盘施加的正压力大小，是由油缸内油压值大小决定的，若油缸中的油压值处于最小值的时候（由于有残压的存在，最小值一般不会为零） ，碟形弹簧的产生的弹簧力几乎全部施加于活塞之上，这个时候制动盘上所受到的正压力为最大值，处于全制动状态。相反，若油缸内的工作油压值是液压系统所提供的最大油压值时，处于松闸状态。2.3 制动性能及其影响因素2.3.1 制动性能制动系统作为提升机的重要组成部分，是矿井提升机安全保护的最后一个环节，其制动性能好坏是实现提升机紧急制动的基本保证，直接影响到提升机|工作可靠性以及安全生产。机械行
21、业标准、 煤矿安全规程以及 TH118C 液压站各项性能指标都对提升机制动性能有相应的要求。1.响应时间煤矿安全规程中第 431 条规定：闸瓦在第一级经过保护回路断电时起至制动闸瓦接触到制动盘上的空动时间（即安全制动空行程时间） ，盘式制动器不得超过 0.3s。对于斜井提升时，为保障在上提时紧急制动过程中不发生松绳而必须采用延时制动的方式时，上提时空动时间没有此限。对在工作运行中要求制动盘和盘式制动器之间的间隙不大于 2mm。闸瓦在进行制动的时候，推杆和闸瓦之间不能出现明显的弹性摆动。2.制动力平衡煤矿安全规程中第 432 条规定：提升机的制动系统在进行制动的时候，盘式制动器所施加的制动力矩与
22、在现场工况中最大提升静荷重产生的旋转力矩之比值 K 要大于等于 3。但是针对质量模数较小的矿井提升机，当在上提重载货物的时候，盘式制动器作用产生的制动减速度如果大于所规定的限值时，可以把盘式制动器要求的这个比值 K 下降到合理的值，但是必须大于等于 2。在调节双滚筒提升机的滚筒旋转相对位置的时候，盘式制动器在每个滚筒制动盘上所施加的制动力矩，要求必须大于或等于该滚筒受静张力差所产生的旋转力矩的 1.2 倍。盘式制动器的液压油路出现堵塞现象，就会造成其制动时的回油受到附加阻力，进而使该制动器中油缸内油压减小速度小于对面的油缸内的油压减小速度，这种情况下这一付盘式制动器就会在轴向对制动盘产生一个额外的作用力。3.同步性提升机的制动系统的同步性表现为两种情况，一种是提升机中一付盘式制动器中每个闸瓦与制动盘之间的间距是不同。在安装或者在运行中制动盘的偏摆时，以及在长时间的而且频繁的制动工作中闸瓦就会产生磨损的现象，同时因为一付制动闸瓦的磨损量不同，导致一付盘式制动器中两个闸瓦间隙不一致的情况出现，最终造成闸瓦的空动时间不同，出现制动时间的不同，这就是提升机盘式制动器同步性的表现。还有一种情况就是提升机中的每付盘式制动器