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技術(shù)實(shí)力是中國礦業(yè)大學(xué)礦山機(jī)械摩擦材料科研基地、教學(xué)實(shí)習(xí)基地，是河南科技大學(xué)產(chǎn)學(xué)研基地，是中國重型機(jī)械工業(yè)協(xié)會(huì)會(huì)員單位，是摩擦襯墊、塑料襯板等五項(xiàng)產(chǎn)品行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)制定者。
淺談礦井提升機(jī)盤形制動(dòng)器的故障及預(yù)防對策
發(fā)布時(shí)間：
2024-05-07
來源：
淺談礦井提升機(jī)盤形制動(dòng)器的故障及預(yù)防對策
淺談礦井提升機(jī)盤形制動(dòng)器的故障及預(yù)防對策
原創(chuàng) 王衛(wèi)鋒，張宏 礦山機(jī)械雜志 2024-05-06 16:57 河南
導(dǎo)讀
針對礦井提升機(jī)盤形制動(dòng)器的常見故障，通過對盤形制動(dòng)器工作原理的分析，總結(jié)導(dǎo)致其故障的主要原因，列舉了預(yù)防盤形制動(dòng)器故障的相應(yīng)對策，并對典型案例進(jìn)行分析，給出了解決方案，可為今后盤形制動(dòng)器的日常維護(hù)和故障處理提供參考。
礦井提升機(jī)主要用于煤礦、金屬礦與非金屬礦提升、下放人員、材料和設(shè)備等，它是聯(lián)系井上和井下的重要交通運(yùn)輸工具，是礦山的咽喉設(shè)備。
盤形制動(dòng)器作為礦井提升機(jī)安全制動(dòng)系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，其工作可靠性直接關(guān)系著礦井提升機(jī)的安全性能，影響著礦山的安全生產(chǎn)，盤形制動(dòng)器一旦發(fā)生故障，輕則影響生產(chǎn)進(jìn)度，重則導(dǎo)致惡性事故的發(fā)生。常見的盤形制動(dòng)器故障主要表現(xiàn)為剎不住車或敞不開閘，導(dǎo)致其故障的原因多種多樣。筆者從盤形制動(dòng)器工作原理的角度分析產(chǎn)生故障的原因，提出相應(yīng)的預(yù)防對策及今后的維護(hù)措施，并列舉典型案例進(jìn)行分析。
1 盤形制動(dòng)器的工作原理
目前大多數(shù)新型礦井提升機(jī)的制動(dòng)系統(tǒng)都使用盤形制動(dòng)器，與塊式制動(dòng)器相比，盤形制動(dòng)器具有結(jié)構(gòu)緊湊、動(dòng)作靈敏、質(zhì)量輕和散熱快等特點(diǎn)。
如圖1所示，F(xiàn)1為油壓力，F2為彈簧預(yù)壓縮力。顯而易見，盤形制動(dòng)器是靠油壓力 F1松閘，彈簧預(yù)壓縮力 F2制動(dòng)來實(shí)現(xiàn)其功能的。
油壓力
式中：p 為工作油壓，Pa；A 為盤形制動(dòng)器中的液壓缸面積，m2。
彈簧預(yù)壓縮力
式中：K 為碟簧的剛度，N/m；Δ0為油壓力 p=0 時(shí)碟簧的預(yù)壓縮量，m。
圖1 盤形制動(dòng)器工作原理
1. 制動(dòng)盤 2. 閘瓦 3. 液壓缸 4. 活塞 5. 碟形彈簧
當(dāng)油壓力 p=0 時(shí)，即 F1=0，閘瓦與制動(dòng)盤之間的間隙 Δ=0，此時(shí)為全制動(dòng)狀態(tài)。
由于存在活塞運(yùn)動(dòng)阻力和工作殘壓的作用，使得全制動(dòng)狀態(tài)下盤形制動(dòng)器輸出的正壓力
式中：C 為盤形制動(dòng)器中活塞的運(yùn)動(dòng)阻力，N；p0為液壓系統(tǒng)中的殘壓，Pa。
當(dāng)油壓力 p 增大到某一值 pn時(shí)，閘瓦脫離制動(dòng)盤，閘瓦與制動(dòng)盤之間的間隙 Δ> 0，兩者之間無正壓力存在，此時(shí)制動(dòng)器處于完全松閘狀態(tài)。
此時(shí)滿足
其中
將式 (1) 和式 (5) 代入式 (4)，可得完全松閘狀態(tài)下
式中：F2′為油壓力 p=pn時(shí)碟簧的壓縮力，N；Δ′為油壓力 p=pn時(shí)碟簧的壓縮量，m。
盤形制動(dòng)器的制動(dòng)力矩是靠閘瓦沿軸向從兩側(cè)壓向制動(dòng)盤而產(chǎn)生的，其計(jì)算公式為
式中：μ 為摩擦因數(shù)；R 為制動(dòng)半徑，m；n 為閘瓦個(gè)數(shù)。
2 盤形制動(dòng)器的常見故障類型及其制動(dòng)失效原因
盤形制動(dòng)器的大部分故障都是不能按照規(guī)定完成制動(dòng)任務(wù)，或者制動(dòng)效果達(dá)不到規(guī)定要求。通常盤形制動(dòng)器的故障主要分為制動(dòng)失效和松閘失效 2大類。
2.1 盤形制動(dòng)器制動(dòng)失效
盤形制動(dòng)器制動(dòng)失效，其主要原因是制動(dòng)力矩不足。由式 (7) 可以看出，影響制動(dòng)力矩的主要因素有以下 2 個(gè)。
(1) 制動(dòng)器輸出的正壓力 FN不足 由式 (3) 可以看出，造成制動(dòng)器輸出的正壓力不足的主要因素有：① 由于碟形彈簧反復(fù)拉伸和壓縮出現(xiàn)疲勞或斷裂，造成碟簧剛度 K 不足，導(dǎo)致正壓力 FN不足；②制動(dòng)盤偏擺過大或閘瓦過度磨損，造成閘瓦與制動(dòng)盤之間的間隙 Δ 過大，全制動(dòng)時(shí)碟簧預(yù)壓縮量Δ0減小，導(dǎo)致輸出的正壓力 FN不足；③ 活塞密封圈老化、液壓油污染等造成活塞運(yùn)動(dòng)阻力 C 增大，導(dǎo)致正壓力FN不足；④ 油質(zhì)污染或油路堵塞造成制動(dòng)系統(tǒng)殘壓p0過大，導(dǎo)致制動(dòng)器輸出正壓力 FN不足；⑤ 聯(lián)接襯板筒體和活塞的大螺栓出現(xiàn)松動(dòng)，使得碟簧預(yù)壓縮量Δ0減小，導(dǎo)致產(chǎn)生的正壓力 FN不足。
(2) 閘瓦與制動(dòng)盤之間的摩擦因數(shù) μ 降低根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)資料及現(xiàn)場試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，造成摩擦因數(shù) μ 降低的主要因素有：① 制動(dòng)盤或閘瓦表面被油污污染，主要原因是制動(dòng)器液壓缸漏油，油管開焊、接頭松動(dòng)漏油以及液壓缸內(nèi)活塞密封圈老化造成的漏油；② 閘瓦接觸面發(fā)生變形，主要是由于工作溫度過高導(dǎo)致閘瓦過熱而燒流或變焦，從而影響摩擦因數(shù)μ；③ 摩擦因數(shù)的大小與物體的運(yùn)動(dòng)速度有關(guān)，當(dāng)提升機(jī)高速運(yùn)行時(shí)，會(huì)導(dǎo)致摩擦因數(shù) μ 降低。
2.2 盤形制動(dòng)器松閘失效
由式 (6) 可以看出，造成制動(dòng)器松閘失效的主要因素有：
(1) 液壓站油壓 p 不足，不足以克服彈簧力 F2' 和活塞運(yùn)動(dòng)阻力 C；
(2) 液壓缸配合過緊或卡缸造成活塞運(yùn)動(dòng)阻力 C劇烈增大，使制動(dòng)器油壓力 F1無法克服運(yùn)動(dòng)阻力 C而敞不開閘。
3 預(yù)防對策
對設(shè)備進(jìn)行維護(hù)保養(yǎng)，就是要通過設(shè)備運(yùn)行過程中出現(xiàn)的蛛絲馬跡，在故障未出現(xiàn)前通過科學(xué)合理的維護(hù)，將故障消除在萌芽狀態(tài)。通過分析盤形制動(dòng)器常見故障類型及原因，筆者提出日常維護(hù)過程中預(yù)防盤形制動(dòng)器失靈的措施如下：
(1) 按照《金屬非金屬礦山安全規(guī)程》的規(guī)定，定期檢測工作制動(dòng)和安全制動(dòng)的工作性能，驗(yàn)算其制動(dòng)力矩，并測定安全制動(dòng)的速度。
(2) 盤形制動(dòng)器的制動(dòng)盤兩側(cè)不應(yīng)有油污，每班至少檢查一次，發(fā)現(xiàn)油污應(yīng)及時(shí)停車處理，以免影響閘瓦和制動(dòng)盤之間的摩擦因數(shù)。
(3) 在提升機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，若出現(xiàn)制動(dòng)器液壓缸漏油的情況，應(yīng)及時(shí)更換密封圈。
(4) 在下放重物的過程中應(yīng)投入動(dòng)力制動(dòng)，不能單單依靠制動(dòng)盤制動(dòng)，否則會(huì)使閘瓦發(fā)熱，易造成閘瓦熱變形，降低閘瓦摩擦因數(shù)而影響制動(dòng)力。
(5) 閘間隙保持在 1 mm 左右且應(yīng)不大于 2 mm。對于未裝設(shè)閘間隙保護(hù)裝置的老設(shè)備應(yīng)及時(shí)配置，當(dāng)閘間隙超過規(guī)定值時(shí)，應(yīng)能自動(dòng)報(bào)警或自動(dòng)斷電。閘間隙調(diào)整完畢后必須將定位螺栓鎖緊。
(6) 每半年過濾一次液壓油，保證油質(zhì)清潔；每年應(yīng)對液壓站進(jìn)行一次徹底清洗；每班檢查一次液壓油的油量，保證油量充足。
(7) 碟形彈簧的使用時(shí)間不應(yīng)超出國家標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，一般動(dòng)作次數(shù)超過 50 萬次應(yīng)予以更換。
(8) 裝設(shè)制動(dòng)盤偏擺自動(dòng)檢測裝置，在檢測到制動(dòng)盤偏擺量大于 1 mm 時(shí)，應(yīng)采用火焰法或車削法重新校正制動(dòng)盤，使其偏擺量≤1 mm，滿足規(guī)程的相關(guān)要求。
(9) 定期檢測制動(dòng)器的空動(dòng)時(shí)間，對空動(dòng)時(shí)間大于 0.3 s 的要立即進(jìn)行檢修。為安全起見，應(yīng)每半年檢測一次。檢修時(shí)，一要清除各部件表面銹跡，二要檢查碟形彈簧表面是否有裂紋和變形，三要檢查液壓缸磨損情況，發(fā)現(xiàn)異常立即更換。
(10) 根據(jù)提升機(jī)的工作量，定期檢查閘瓦剩余厚度，小于 6 mm 時(shí)應(yīng)立即更換。
對于達(dá)到使用年限或長期維護(hù)后仍然不能正常工作的盤形制動(dòng)器裝置，應(yīng)及時(shí)對其進(jìn)行整體改造，更換全新的制動(dòng)系統(tǒng)以滿足規(guī)程的各方面要求，保障礦井提升機(jī)的安全運(yùn)行。
4 典型案例分析
4.1 事故過程
2016 年 1 月，安徽某銅礦發(fā)生墜罐事故。事故現(xiàn)場的設(shè)備為 JKM-2.25X4PI 型多繩摩擦式提升機(jī)，設(shè)備提升的物料距離井口 5 m 時(shí)，提升容器發(fā)生下滑，司機(jī)發(fā)現(xiàn)后立即進(jìn)行緊急制動(dòng)，緊急制動(dòng)失效，重載側(cè)提升容器繼續(xù)下滑，墜落至井筒底部，最終導(dǎo)致鋼絲繩罐道、首繩、尾繩和 2 個(gè)提升容器均遭到破壞。事故造成巨大損失，嚴(yán)重影響了礦方的生產(chǎn)進(jìn)度。
4.2 現(xiàn)場觀測
現(xiàn)場觀察到，在制動(dòng)盤上沿圓周分布有油污污染的痕跡，如圖2所示。拆掉在用的盤形制動(dòng)器后，發(fā)現(xiàn)所有閘瓦磨損嚴(yán)重，且各個(gè)閘瓦磨損不均勻，甚至個(gè)別閘瓦已經(jīng)斷裂，如圖3所示。還發(fā)現(xiàn)制動(dòng)器內(nèi)部聯(lián)接襯板筒體和活塞的大螺栓出現(xiàn)松動(dòng)，碟形彈簧組中有個(gè)別碟簧斷裂，活塞處的密封圈也已經(jīng)老化破損。
圖2 現(xiàn)場被污染的制動(dòng)盤
圖3 現(xiàn)場斷裂的閘瓦
經(jīng)專業(yè)部門到事故現(xiàn)場進(jìn)行檢測，該提升機(jī)配置4 對 TP1-63 制動(dòng)器頭，輸出正壓力分別為 5、15、15、20 kN；現(xiàn)場檢測制動(dòng)盤偏擺量達(dá)到 3 mm，大大超出規(guī)程要求的 1 mm；液壓站最高油壓為 3.3 MPa；全制動(dòng)時(shí)液壓系統(tǒng)殘壓達(dá)到 1 MPa。
4.3 事故原因
根據(jù)現(xiàn)場觀測情況可知，造成該事故的主要原因是盤形制動(dòng)器制動(dòng)失效。
(1) 碟形彈簧由于疲勞或斷裂造成剛度 K 不足，致使彈簧預(yù)壓縮力 F2減??；聯(lián)接襯板筒體和活塞的大螺栓松動(dòng)，使碟簧的預(yù)壓縮量 Δ0減小，致使彈簧預(yù)壓縮力 F2減??；液壓系統(tǒng)殘壓 p0過大，致使工作腔壓力 p0A 增大；密封圈老化破損，造成活塞運(yùn)動(dòng)阻力 C 增大。所以由式 (2)、(3) 可知，全制動(dòng)狀態(tài)下盤形制動(dòng)器輸出的正壓力 FN大大減小。
(2) 由于活塞密封圈老化導(dǎo)致制動(dòng)器頭漏油，油污污染了制動(dòng)盤，導(dǎo)致閘瓦與制動(dòng)盤之間的摩擦因數(shù)μ 降低。
(3) 制動(dòng)盤偏擺量過大，致使各個(gè)閘瓦磨損程度不均，制動(dòng)時(shí)閘瓦與制動(dòng)盤貼合面積過小，導(dǎo)致閘瓦受力不均衡而出現(xiàn)斷裂，造成閘瓦與制動(dòng)盤之間的接觸面發(fā)生變形，進(jìn)一步導(dǎo)致兩者之間的摩擦因數(shù) μ 減小。
由式 (7) 可知，上述各因素最終導(dǎo)致制動(dòng)力矩 M嚴(yán)重不足，緊急制動(dòng)無法使其停車，最終導(dǎo)致墜罐事故的發(fā)生。
4.4 解決方案
(1) 通過火焰法或車削法校正制動(dòng)盤，使其偏擺量 ≤1 mm，以滿足規(guī)程要求；
(2) 更換制動(dòng)器頭中所有碟形彈簧、密封圈組件和制動(dòng)閘瓦；
(3) 按照規(guī)定擰緊力矩?cái)Q緊制動(dòng)器內(nèi)部聯(lián)接襯板筒體和活塞的大螺栓；
(4) 清洗制動(dòng)盤、制動(dòng)器活塞、液壓缸、液壓油路以及液壓站，更換新的液壓油。
若采取上述措施維護(hù)盤形制動(dòng)器后，仍然不能夠長期穩(wěn)定實(shí)施工作制動(dòng)和安全制動(dòng)，建議更換整套液壓制動(dòng)系統(tǒng)，即對制動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行整體改造，同時(shí)在新更換的制動(dòng)系統(tǒng)上配置閘間隙檢測、閘盤偏擺檢測和油壓檢測等一系列檢測裝置，實(shí)現(xiàn)制動(dòng)系統(tǒng)實(shí)時(shí)在線監(jiān)測，保證其安全可靠性。
5 結(jié)語
礦井提升機(jī)盤形制動(dòng)器的故障雖多種多樣，但只要合理使用，按照上述措施加強(qiáng)日常管理維護(hù)，就能及時(shí)了解盤形制動(dòng)器的使用狀況和它在使用中存在的問題，做到心中有數(shù)，及時(shí)準(zhǔn)確地排除隱患，從而保證礦井提升機(jī)安全可靠運(yùn)行，防止事故的發(fā)生，確保礦山的安全生產(chǎn)。
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