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淺談礦井提升機盤(pán)形制動(dòng)器的故障及預防對策
發(fā)布時(shí)間：
2024-05-07
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淺談礦井提升機盤(pán)形制動(dòng)器的故障及預防對策
淺談礦井提升機盤(pán)形制動(dòng)器的故障及預防對策
原創(chuàng ) 王衛鋒，張宏 礦山機械雜志 2024-05-06 16:57 河南
導讀
針對礦井提升機盤(pán)形制動(dòng)器的常見(jiàn)故障，通過(guò)對盤(pán)形制動(dòng)器工作原理的分析，總結導致其故障的主要原因，列舉了預防盤(pán)形制動(dòng)器故障的相應對策，并對典型案例進(jìn)行分析，給出了解決方案，可為今后盤(pán)形制動(dòng)器的日常維護和故障處理提供參考。
礦井提升機主要用于煤礦、金屬礦與非金屬礦提升、下放人員、材料和設備等，它是聯(lián)系井上和井下的重要交通運輸工具，是礦山的咽喉設備。
盤(pán)形制動(dòng)器作為礦井提升機安全制動(dòng)系統的關(guān)鍵部件，其工作可靠性直接關(guān)系著(zhù)礦井提升機的安全性能，影響著(zhù)礦山的安全生產(chǎn)，盤(pán)形制動(dòng)器一旦發(fā)生故障，輕則影響生產(chǎn)進(jìn)度，重則導致惡性事故的發(fā)生。常見(jiàn)的盤(pán)形制動(dòng)器故障主要表現為剎不住車(chē)或敞不開(kāi)閘，導致其故障的原因多種多樣。筆者從盤(pán)形制動(dòng)器工作原理的角度分析產(chǎn)生故障的原因，提出相應的預防對策及今后的維護措施，并列舉典型案例進(jìn)行分析。
1 盤(pán)形制動(dòng)器的工作原理
目前大多數新型礦井提升機的制動(dòng)系統都使用盤(pán)形制動(dòng)器，與塊式制動(dòng)器相比，盤(pán)形制動(dòng)器具有結構緊湊、動(dòng)作靈敏、質(zhì)量輕和散熱快等特點(diǎn)。
如圖1所示，F1為油壓力，F2為彈簧預壓縮力。顯而易見(jiàn)，盤(pán)形制動(dòng)器是靠油壓力 F1松閘，彈簧預壓縮力 F2制動(dòng)來(lái)實(shí)現其功能的。
油壓力
式中：p 為工作油壓，Pa；A 為盤(pán)形制動(dòng)器中的液壓缸面積，m2。
彈簧預壓縮力
式中：K 為碟簧的剛度，N/m；Δ0為油壓力 p=0 時(shí)碟簧的預壓縮量，m。
圖1 盤(pán)形制動(dòng)器工作原理
1. 制動(dòng)盤(pán) 2. 閘瓦 3. 液壓缸 4. 活塞 5. 碟形彈簧
當油壓力 p=0 時(shí)，即 F1=0，閘瓦與制動(dòng)盤(pán)之間的間隙 Δ=0，此時(shí)為全制動(dòng)狀態(tài)。
由于存在活塞運動(dòng)阻力和工作殘壓的作用，使得全制動(dòng)狀態(tài)下盤(pán)形制動(dòng)器輸出的正壓力
式中：C 為盤(pán)形制動(dòng)器中活塞的運動(dòng)阻力，N；p0為液壓系統中的殘壓，Pa。
當油壓力 p 增大到某一值 pn時(shí)，閘瓦脫離制動(dòng)盤(pán)，閘瓦與制動(dòng)盤(pán)之間的間隙 Δ> 0，兩者之間無(wú)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(mǎn)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(pán)形制動(dòng)器的制動(dòng)力矩是靠閘瓦沿軸向從兩側壓向制動(dòng)盤(pán)而產(chǎn)生的，其計算公式為
式中：μ 為摩擦因數；R 為制動(dòng)半徑，m；n 為閘瓦個(gè)數。
2 盤(pán)形制動(dòng)器的常見(jiàn)故障類(lèi)型及其制動(dòng)失效原因
盤(pán)形制動(dòng)器的大部分故障都是不能按照規定完成制動(dòng)任務(wù)，或者制動(dòng)效果達不到規定要求。通常盤(pán)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(lèi)。
2.1 盤(pán)形制動(dòng)器制動(dòng)失效
盤(pán)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 由于碟形彈簧反復拉伸和壓縮出現疲勞或斷裂，造成碟簧剛度 K 不足，導致正壓力 FN不足；②制動(dòng)盤(pán)偏擺過(guò)大或閘瓦過(guò)度磨損，造成閘瓦與制動(dòng)盤(pán)之間的間隙 Δ 過(guò)大，全制動(dòng)時(shí)碟簧預壓縮量Δ0減小，導致輸出的正壓力 FN不足；③ 活塞密封圈老化、液壓油污染等造成活塞運動(dòng)阻力 C 增大，導致正壓力FN不足；④ 油質(zhì)污染或油路堵塞造成制動(dòng)系統殘壓p0過(guò)大，導致制動(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松動(dòng)，使得碟簧預壓縮量Δ0減小，導致產(chǎn)生的正壓力 FN不足。
(2) 閘瓦與制動(dòng)盤(pán)之間的摩擦因數 μ 降低根據相關(guān)文獻資料及現場(chǎng)試驗數據可知，造成摩擦因數 μ 降低的主要因素有：① 制動(dòng)盤(pán)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(kāi)焊、接頭松動(dòng)漏油以及液壓缸內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(guò)高導致閘瓦過(guò)熱而燒流或變焦，從而影響摩擦因數μ；③ 摩擦因數的大小與物體的運動(dòng)速度有關(guān)，當提升機高速運行時(shí)，會(huì )導致摩擦因數 μ 降低。
2.2 盤(pán)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' 和活塞運動(dòng)阻力 C；
(2) 液壓缸配合過(guò)緊或卡缸造成活塞運動(dòng)阻力 C劇烈增大，使制動(dòng)器油壓力 F1無(wú)法克服運動(dòng)阻力 C而敞不開(kāi)閘。
3 預防對策
對設備進(jìn)行維護保養，就是要通過(guò)設備運行過(guò)程中出現的蛛絲馬跡，在故障未出現前通過(guò)科學(xué)合理的維護，將故障消除在萌芽狀態(tài)。通過(guò)分析盤(pán)形制動(dòng)器常見(jiàn)故障類(lèi)型及原因，筆者提出日常維護過(guò)程中預防盤(pán)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程》的規定，定期檢測工作制動(dòng)和安全制動(dòng)的工作性能，驗算其制動(dòng)力矩，并測定安全制動(dòng)的速度。
(2) 盤(pán)形制動(dòng)器的制動(dòng)盤(pán)兩側不應有油污，每班至少檢查一次，發(fā)現油污應及時(shí)停車(chē)處理，以免影響閘瓦和制動(dòng)盤(pán)之間的摩擦因數。
(3) 在提升機正常運轉時(shí)，若出現制動(dòng)器液壓缸漏油的情況，應及時(shí)更換密封圈。
(4) 在下放重物的過(guò)程中應投入動(dòng)力制動(dòng)，不能單單依靠制動(dòng)盤(pán)制動(dòng)，否則會(huì )使閘瓦發(fā)熱，易造成閘瓦熱變形，降低閘瓦摩擦因數而影響制動(dòng)力。
(5) 閘間隙保持在 1 mm 左右且應不大于 2 mm。對于未裝設閘間隙保護裝置的老設備應及時(shí)配置，當閘間隙超過(guò)規定值時(shí)，應能自動(dòng)報警或自動(dòng)斷電。閘間隙調整完畢后必須將定位螺栓鎖緊。
(6) 每半年過(guò)濾一次液壓油，保證油質(zhì)清潔；每年應對液壓站進(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)間不應超出國家標準的規定，一般動(dòng)作次數超過(guò) 50 萬(wàn)次應予以更換。
(8) 裝設制動(dòng)盤(pán)偏擺自動(dòng)檢測裝置，在檢測到制動(dòng)盤(pán)偏擺量大于 1 mm 時(shí)，應采用火焰法或車(chē)削法重新校正制動(dòng)盤(pán)，使其偏擺量≤1 mm，滿(mǎn)足規程的相關(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(jiàn)，應每半年檢測一次。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)現異常立即更換。
(10) 根據提升機的工作量，定期檢查閘瓦剩余厚度，小于 6 mm 時(shí)應立即更換。
對于達到使用年限或長(cháng)期維護后仍然不能正常工作的盤(pán)形制動(dòng)器裝置，應及時(shí)對其進(jìn)行整體改造，更換全新的制動(dòng)系統以滿(mǎn)足規程的各方面要求，保障礦井提升機的安全運行。
4 典型案例分析
4.1 事故過(guò)程
2016 年 1 月，安徽某銅礦發(fā)生墜罐事故。事故現場(chǎng)的設備為 JKM-2.25X4PI 型多繩摩擦式提升機，設備提升的物料距離井口 5 m 時(shí)，提升容器發(fā)生下滑，司機發(fā)現后立即進(jìn)行緊急制動(dòng)，緊急制動(dòng)失效，重載側提升容器繼續下滑，墜落至井筒底部，最終導致鋼絲繩罐道、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，嚴重影響了礦方的生產(chǎn)進(jìn)度。
4.2 現場(chǎng)觀(guān)測
現場(chǎng)觀(guān)察到，在制動(dòng)盤(pán)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(pán)形制動(dòng)器后，發(fā)現所有閘瓦磨損嚴重，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)現制動(dòng)器內部聯(lián)接襯板筒體和活塞的大螺栓出現松動(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 現場(chǎng)被污染的制動(dòng)盤(pán)
圖3 現場(chǎng)斷裂的閘瓦
經(jīng)專(zhuān)業(yè)部門(mén)到事故現場(chǎng)進(jìn)行檢測，該提升機配置4 對 TP1-63 制動(dòng)器頭，輸出正壓力分別為 5、15、15、20 kN；現場(chǎng)檢測制動(dòng)盤(pán)偏擺量達到 3 mm，大大超出規程要求的 1 mm；液壓站最高油壓為 3.3 MPa；全制動(dòng)時(shí)液壓系統殘壓達到 1 MPa。
4.3 事故原因
根據現場(chǎng)觀(guān)測情況可知，造成該事故的主要原因是盤(pán)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)，使碟簧的預壓縮量 Δ0減小，致使彈簧預壓縮力 F2減??；液壓系統殘壓 p0過(guò)大，致使工作腔壓力 p0A 增大；密封圈老化破損，造成活塞運動(dòng)阻力 C 增大。所以由式 (2)、(3) 可知，全制動(dòng)狀態(tài)下盤(pán)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致制動(dòng)器頭漏油，油污污染了制動(dòng)盤(pán)，導致閘瓦與制動(dòng)盤(pán)之間的摩擦因數μ 降低。
(3) 制動(dòng)盤(pán)偏擺量過(guò)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(pán)貼合面積過(guò)小，導致閘瓦受力不均衡而出現斷裂，造成閘瓦與制動(dòng)盤(pán)之間的接觸面發(fā)生變形，進(jìn)一步導致兩者之間的摩擦因數 μ 減小。
由式 (7) 可知，上述各因素最終導致制動(dòng)力矩 M嚴重不足，緊急制動(dòng)無(wú)法使其停車(chē)，最終導致墜罐事故的發(fā)生。
4.4 解決方案
(1) 通過(guò)火焰法或車(chē)削法校正制動(dòng)盤(pán)，使其偏擺量 ≤1 mm，以滿(mǎn)足規程要求；
(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) 按照規定擰緊力矩擰緊制動(dòng)器內部聯(lián)接襯板筒體和活塞的大螺栓；
(4) 清洗制動(dòng)盤(pán)、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盤(pán)形制動(dòng)器后，仍然不能夠長(cháng)期穩定實(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，即對制動(dòng)系統進(jìn)行整體改造，同時(shí)在新更換的制動(dòng)系統上配置閘間隙檢測、閘盤(pán)偏擺檢測和油壓檢測等一系列檢測裝置，實(shí)現制動(dòng)系統實(shí)時(shí)在線(xiàn)監測，保證其安全可靠性。
5 結語(yǔ)
礦井提升機盤(pán)形制動(dòng)器的故障雖多種多樣，但只要合理使用，按照上述措施加強日常管理維護，就能及時(shí)了解盤(pán)形制動(dòng)器的使用狀況和它在使用中存在的問(wèn)題，做到心中有數，及時(shí)準確地排除隱患，從而保證礦井提升機安全可靠運行，防止事故的發(fā)生，確保礦山的安全生產(chǎn)。
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