導(dǎo)讀
介紹了礦井提升機(jī)用不同類型制動器的結(jié)構(gòu)、工作原理以及使用中出現(xiàn)的問題，結(jié)合制動器改造的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)和《煤礦安全規(guī)程》的要求，給出了改造思路，闡述了幾種典型的制動器改造方法以及改造中的注意事項(xiàng)，以期為提升機(jī)老產(chǎn)品的改造提供借鑒。
礦井提升機(jī)是礦山的重要“咽喉”設(shè)備，承擔(dān)著礦物的提升、人員的上下、材料和設(shè)備的運(yùn)送任務(wù)。隨著我國礦山事業(yè)的迅速發(fā)展，對礦井提升機(jī)的安全、平穩(wěn)、可靠運(yùn)行提出了新的更高的要求。制動器作為礦井提升機(jī)制動系統(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，影響礦山的安全生產(chǎn)。制動器一旦發(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。
從 1958 年我國自主生產(chǎn)第一臺礦井提升機(jī)以來，在不同年代生產(chǎn)了諸多系列的礦井提升機(jī)，其技術(shù)水平也相差甚遠(yuǎn)。隨著礦井提升機(jī)技術(shù)水平的不斷提高和發(fā)展，許多服役年限較長的提升機(jī)，尤其是提升機(jī)制動器，其技術(shù)水平越來越顯得落后，存在液壓缸漏油、制動力矩不足、制動器松閘失效等不安全因素，給生產(chǎn)帶來了隱患，嚴(yán)重威脅生產(chǎn)安全。
筆者從制動器的工作原理和機(jī)構(gòu)分析入手，結(jié)合工作中制動器改造的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，闡述了制動器技術(shù)改造的典型方法，以期為提升機(jī)老產(chǎn)品的改造提供借鑒。
根據(jù)工作方式不同，制動器主要有盤形制動器和徑向塊閘制動器 2 種。
1.1.1 結(jié)構(gòu)
盤形制動器由碟形彈簧產(chǎn)生制動力，靠油壓松閘。制動力矩是靠閘瓦沿軸向從兩側(cè)壓向制動盤產(chǎn)生的，為了使制動盤不產(chǎn)生附加變形，主軸不承受附加軸向力，制動器均成對使用。盤形制動器按結(jié)構(gòu)分為液壓缸前置式盤形制動器和液壓缸后置式盤形制動器。
(1) 前置式盤形制動器 液壓缸用螺栓固定在整體鑄鋼支架上，經(jīng)過墊板，用地腳螺栓固定在基礎(chǔ)上。液壓缸內(nèi)裝活塞、柱塞、調(diào)整螺母、蝶形彈簧等，筒體可在支座內(nèi)往復(fù)移動，閘瓦固定在襯板上。
(2) 后置式盤形制動器 液壓缸由閘瓦、帶筒體的襯板、蝶形彈簧、液壓組件、連接螺栓、后蓋、密封圈、制動器體組成。液壓組件由擋圈、骨架式橡膠油封、Yx 形密封圈、液壓缸、調(diào)整螺母、活塞、液壓缸蓋組成。液壓組件可單獨(dú)整體拆下并更換。
1.1.2 改造必要性
《煤礦安全規(guī)程》(以下簡稱《規(guī)程》)規(guī)定：計(jì)算制動力矩時(shí)，閘輪和閘瓦的摩擦因數(shù)一般采用 0.30～0.35；制動裝置產(chǎn)生的制動力矩與實(shí)際提升最大載荷旋轉(zhuǎn)力矩之比 K 值不得小于 3。
(1) 前置式盤形制動器 液壓油所在的液壓腔靠近制動器的前端，一旦漏油，容易污染制動盤，降低閘瓦與制動盤之間的摩擦因數(shù)，無法滿足《規(guī)程》要求。
(2) 后置式盤形制動器 其體積小，質(zhì)量輕，慣量小，動作快，可調(diào)性能好、可靠性高，是目前提升機(jī)采用較多的制動器類型。但使用年限較長的后置式制動器往往出現(xiàn)以下問題：①碟形彈簧在反復(fù)拉伸和壓縮后，出現(xiàn)疲勞或斷裂，造成碟簧剛度不足；② 活塞密封圈老化、液壓油污染等造成活塞運(yùn)動阻力增大；③油質(zhì)污染或油路堵塞造成制動系統(tǒng)殘壓過大。上述問題都會造成制動器輸出的正壓力不足，使其產(chǎn)生的制動力矩?zé)o法滿足《規(guī)程》要求。
因此，對于前置式盤形制動器，以及使用年限較長、制動性能不好的后置式盤形制動器必須進(jìn)行制動系統(tǒng)改造。
1.2.1 結(jié)構(gòu)
徑向塊閘制動器按結(jié)構(gòu)主要分為角移式和平移式塊閘制動器。
(1) 角移式塊閘制動器 焊接結(jié)構(gòu)的前制動梁和后制動梁經(jīng)三角杠桿彼此連接，閘瓦固定在制動梁上。制動時(shí)，三角杠桿的右端按逆時(shí)針方向轉(zhuǎn)動，帶動前制動梁；同時(shí)，經(jīng)拉桿帶動后制動梁各自繞其軸承轉(zhuǎn)動一個(gè)不大的角度，使 2 個(gè)閘瓦壓向制動輪產(chǎn)生制動力。
該制動器圍抱角較小 (φ=60°～70°)，所產(chǎn)生的制動力矩較小。由于閘瓦表面的壓力分布不均，閘瓦上下磨損也不均勻。經(jīng)年累月的使用，操縱系統(tǒng)及角移式制動器本身的各種銷軸、銷孔逐漸磨損，間隙增加，使得傳遞運(yùn)動的時(shí)間延長，動作靈敏性變差。
(2) 平移式塊閘制動器 當(dāng)工作制動缸充氣或安全制動氣缸放氣時(shí)，都可使立桿向上運(yùn)動，通過三角杠桿、拉桿等驅(qū)使前后制動梁上的閘瓦壓向制動輪產(chǎn)生制動作用。反之，若放氣或充氣，都使立桿向下運(yùn)動，實(shí)現(xiàn)松閘。該制動器前后制動梁是近似平移的，與角移式制動器相比，其圍抱角比較大，產(chǎn)生的制動力矩較大，閘瓦壓力及磨損較均勻，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜。
1.2.2 改造必要性
《規(guī)程》規(guī)定：制動閘空動時(shí)間，盤式制動裝置不得超過 0.3 s，徑向制動裝置不得超過 0.5 s。制動系統(tǒng)慣性大，安全制動時(shí)不能滿足提升系統(tǒng)的安全制動減速度要求 (提升減速度≤5 m/s2、下放減速度≥1.5 m/s2)。
徑向塊閘制動器制動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，安全制動時(shí)間長，不能滿足規(guī)程要求。這對安全指標(biāo)要求很高的礦井提升機(jī)設(shè)備來講，是一個(gè)嚴(yán)重的技術(shù)問題，必須通過改造加以解決。
(1) 在滿足技術(shù)要求的前提下，盡量采用新技術(shù)、新成果、新結(jié)構(gòu)，以提高設(shè)備的精度，節(jié)約能源，降低消耗和成本，改善設(shè)備的安全性、可靠性和維修性，達(dá)到提高設(shè)備技術(shù)水平的目的。
(2) 提升機(jī)制動系統(tǒng)技術(shù)改造后，要滿足：制動力矩應(yīng)滿足 3 倍靜力矩要求；動防滑安全系數(shù)≥1.25；靜防滑安全系數(shù)≥1.75。
(3) 盡量縮短設(shè)備的停產(chǎn)時(shí)間，減少對礦井生產(chǎn)的影響。①盡量考慮利用原基礎(chǔ)，不動或少動基礎(chǔ)；② 在設(shè)計(jì)時(shí)從結(jié)構(gòu)上采取措施，盡量減少現(xiàn)場安裝工作量；③設(shè)計(jì)中加強(qiáng)與現(xiàn)場的協(xié)調(diào)，避免因原設(shè)備圖紙與實(shí)物不符而造成安裝時(shí)的麻煩；④ 安裝時(shí)加強(qiáng)現(xiàn)場服務(wù)，即時(shí)協(xié)助用戶解決和商討處理臨時(shí)出現(xiàn)的技術(shù)問題。
《規(guī)程》2016 版于 2016 年 10 月 1 日起施行，對煤礦安全提出了新的要求。《礦井提升機(jī)回收評估規(guī)范》于 2017 年 7 月 12 日發(fā)布，規(guī)定了提升機(jī)回收改造的總體原則、回收改造評估技術(shù)要求，為提升機(jī)老產(chǎn)品改造提供了技術(shù)依據(jù)。基于此，結(jié)合工作中制動器改造實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，闡述了幾種典型制動器技術(shù)改造方法。
3.1.1 改為后置式盤形制動器
(1) 利用原盤形制動器基礎(chǔ)螺栓位置，重新設(shè)計(jì)新的制動器支架，支架螺栓孔一般設(shè)計(jì)為 U 形孔，甚至是貫通孔，以方便現(xiàn)場安裝調(diào)整；
(2) 保證中心高不變；
(3) 制動器數(shù)量根據(jù)載荷計(jì)算確定，不受原設(shè)備影響；
(4) 根據(jù)需要，制動器可以采用非對稱結(jié)構(gòu)；
(5) 新制動器安裝后，必須保證與原設(shè)備無干涉現(xiàn)象，并留有合理的檢修拆卸空間；
(6) 制動器裝置應(yīng)能順利安裝或拆除；
(7) 閘瓦應(yīng)完全包容在老設(shè)備閘盤工作面內(nèi)。
改造后，制動器制動單元型號有 TP1-25、TP1-40、TP1-63、TP1-80、TP1-100、TP1-125、TP1-150；配套液壓站有中低壓液壓站 (6.3 MPa)、中高壓液壓站 (14 MPa)、恒減速液壓站 (14 MPa)，可以滿足不同型號提升機(jī)配套需求；制動器制動性能好、安全可靠性高，并且性價(jià)比高。改造后盤形制動器裝置如圖 1 所示。
1.液壓缸后置式盤形制動器 2.U 形孔 3.支架
圖1 改造后的盤形制動器
若配套液壓站為恒減速液壓站，需要增加測速機(jī)安裝接口，對提升機(jī)速度及位置狀態(tài)信息進(jìn)行采集，以實(shí)現(xiàn)恒減速調(diào)速的功能。根據(jù)現(xiàn)場情況，測速機(jī)安裝接口有 2 種改造方法：壓輪式測速機(jī)連接裝置和軸端齒輪箱。
(1) 壓輪式測速機(jī)連接裝置 通過彈簧張緊使橡膠輪緊靠在制動盤的內(nèi)環(huán)面上，橡膠輪與制動盤內(nèi)環(huán)面之間產(chǎn)生正壓力，從而產(chǎn)生一定的摩擦力。在摩擦輪傳動時(shí)，驅(qū)動橡膠輪以一定的轉(zhuǎn)速比轉(zhuǎn)動，從而帶動測速機(jī)轉(zhuǎn)動，并將速度信號反饋至電控柜中，實(shí)現(xiàn)恒減速制動。結(jié)構(gòu)如圖 2 所示。該裝置通過膨脹螺栓安裝于機(jī)房地面上，安裝位置在靠近一側(cè)制動盤內(nèi)環(huán)面處。使用該方法的前提是制動盤內(nèi)環(huán)面為加工面，且具有較好的圓度，安裝方式如圖 3 所示。
1.橡膠輪 2.支架 3.彈簧 4.測速機(jī)
圖2 壓輪式測速機(jī)連接裝置結(jié)構(gòu)示意
1.制動盤 2.制動盤內(nèi)環(huán)面 3.壓輪式測速機(jī)連接裝置
圖3 壓輪式測速機(jī)連接裝置安裝示意
(2) 軸端齒輪箱 對于制動盤內(nèi)環(huán)面為非加工面，或者內(nèi)環(huán)面圓度不好的制動器改造，建議采用軸端齒輪箱結(jié)構(gòu)加裝測速機(jī)，如圖 4 所示。該裝置安裝在主軸裝置非傳動側(cè)端蓋上，利用擋板用螺栓固定在主軸端部，緊壓在軸承內(nèi)圈上。擋板帶動一根撥銷，通過關(guān)節(jié)軸承組件，撥動一套雙聯(lián)齒輪，通過大小齒輪傳動實(shí)現(xiàn)測速機(jī)的增速。該裝置可保留原有編碼器的安裝位置。
1.主軸 2.擋板 3.雙聯(lián)齒輪 4.端蓋 5.測速機(jī) 6.編碼器 7.關(guān)節(jié)軸承組件
圖4 軸端齒輪箱結(jié)構(gòu)
3.1.2 改為新型閘控系統(tǒng)
新型智能閘控是中信重工研發(fā)的替代進(jìn)口產(chǎn)品的高端制動系統(tǒng)，目前已大量應(yīng)用在老舊提升機(jī)制動器的改造中。它的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)為：
(1) 制動器采用進(jìn)口密封件和進(jìn)口碟形彈簧；
(2) 配套智能閘檢測系統(tǒng)；
(3) 設(shè)置閘盤偏擺無接觸監(jiān)測元件；
(4) 所有管路采用進(jìn)口卡套式管接頭及精密油管；
(5) 制動器體采用真空造型鑄造技術(shù)、數(shù)控加工技術(shù)、鏡面磨削技術(shù)等；
(6) 增加霍普納測速機(jī)接口，實(shí)現(xiàn)制動系統(tǒng)對實(shí)際提升速度的實(shí)時(shí)監(jiān)控。
對于多繩摩擦式提升機(jī)，用戶可根據(jù)需求，選配重力提升系統(tǒng) (見圖 5)。重力提升系統(tǒng)利用多繩摩擦式提升機(jī)的不平衡力移動罐籠。當(dāng)提升設(shè)備出現(xiàn)故障、制動器抱閘停機(jī)時(shí)，制動閘依靠油泵 (電池供電)來松閘。由于系統(tǒng)沒有施加外力，當(dāng) F1＞F2 時(shí)，通過不平衡力來實(shí)現(xiàn)重力提升功能，較輕的容器上升，而較重的容器下降。閘控桿用來操作松閘，提升速度由測速機(jī)來檢測，并將速度限制在 1 m/s。由于整個(gè)重力提升系統(tǒng)由電池供電，因此可在全礦斷電的情況下運(yùn)行。
1.測速電動機(jī) 2.主軸裝置 3.盤形制動器 4.油管 5.液壓站 6.重力提升泵 7.控制系統(tǒng) 8.傳輸電纜 9,10.罐籠或箕斗
圖5 重力下放系統(tǒng)的原理
重力提升系統(tǒng)包括重力下放液壓站、重力下放控制系統(tǒng) (配電池) 和測速機(jī)，與液壓站共用一套油管。改造后的新型智能閘控系統(tǒng)閘盤偏擺檢測精確度高，制動器密封性能和制動性能好，現(xiàn)場安裝時(shí)間短，大大降低了用戶的停產(chǎn)損失，技術(shù)性能與進(jìn)口同類產(chǎn)品等同。改造后整個(gè)閘控系統(tǒng)如圖 6 所示。
1.制動器裝置 2.恒減速液壓站 3.重力下放液壓站 4.卡套式接頭及管路
圖6 新型智能閘控系統(tǒng)的布置
此改造方法適用于蘇制、仿蘇 KJ 型、仿蘇改進(jìn)JKA 型礦井提升機(jī)，它們的卷筒都帶制動輪。
3.2.1 改為盤形制動器
(1) 加裝制動盤 由于原設(shè)備結(jié)構(gòu)中沒有制動盤，故改造的首要任務(wù)是在原設(shè)備上加裝制動盤，俗稱“戴草帽”。具體實(shí)施方式是：利用原設(shè)備的制動輪作為安裝制動盤的基面，制動盤焊接成特殊的 L 形結(jié)構(gòu)裝到原制動輪上，采用調(diào)整墊保證制動盤與主軸軸線垂直，然后將制動盤與卷筒進(jìn)行點(diǎn)焊；現(xiàn)場利用鉆床在制動盤與原制動輪配合處打螺栓孔，孔的數(shù)量由提升機(jī)的規(guī)格決定，一般為精制螺栓孔和普通螺栓孔各一半，精制螺栓孔還需要進(jìn)行配鉸。制動盤工作面粗糙度在廠內(nèi)加工到 12.5 μm，并留有一定的加工余量，現(xiàn)場安裝好后需要對制動盤進(jìn)行精車。盤形制動器的基礎(chǔ)可以重新制作，也可以利用原設(shè)備的地腳螺栓通過過渡支架連接。制動盤的安裝如圖 7 所示。
圖7 制動盤安裝示意
1.制動盤 2.連接螺栓 3.原設(shè)備制動輪
(2) 加裝底座 采用徑向塊閘制動器的提升機(jī)在進(jìn)行技術(shù)改造時(shí)，往往推薦使用單位改造全套提升設(shè)備。由于原制動器沒有合適的地腳螺栓可利用，機(jī)房又無法重新布置新螺栓。具體方案是設(shè)計(jì)一個(gè)整體大機(jī)架，將主軸裝置軸承座和盤形制動器支架通過 T 形頭螺栓安裝固定在整體大機(jī)架上，機(jī)架利用原主軸裝置軸承座基礎(chǔ)螺栓孔位置，并在固定制動器裝置處新增加螺栓進(jìn)行固定，如圖 8 所示。
1.原基礎(chǔ)螺栓 2.整體機(jī)架 3.新增加基礎(chǔ)螺栓 4.盤形制動器裝置 5.主軸裝置
圖8 整體機(jī)架的安裝布置
改造后盤形制動器的具體形式詳見 3.1.1 節(jié)和3.1.2 節(jié)。
該改造方法將制動效率低的徑向抱閘改為目前成熟的盤形制動器，閘瓦表面壓力分布均勻，制動性能好。制動力矩可根據(jù)實(shí)際載荷計(jì)算確定，滿足《規(guī)程》要求。
3.2.2 改為液壓徑向推力平移式制動器
此種改造是利用原徑向角移式制動器閘輪的制動面配液壓徑向推力平移式制動器，這種制動器有盤形制動器的顯著優(yōu)點(diǎn)，實(shí)際上是盤型制動器的一種派生產(chǎn)品。制動副的運(yùn)動仍是直線運(yùn)動，但其形狀不是平面，而是弧面。
該裝置全部運(yùn)動構(gòu)件都集中在制動組件里，發(fā)生運(yùn)動的構(gòu)件行程較小，而碟形彈簧產(chǎn)生的彈簧力很大，動作時(shí)慣量小，靈敏度高，碟形彈簧受壓變形能夠?qū)崿F(xiàn)無級變化；而外部只有一個(gè)液壓油源，可以實(shí)現(xiàn)無級調(diào)壓，結(jié)構(gòu)緊湊，制動力矩具有良好的可調(diào)性能。液壓徑向平移式抱閘裝置由兩組相同結(jié)構(gòu)的制動組件共同置于同一基礎(chǔ)上，它們之間的間距由制動輪直徑所確定，通過制動組件上的安裝孔將一對平行設(shè)置的連接桿固定在其上，在各自的制動組件上配置有相同結(jié)構(gòu)的制動塊，制動塊上鑲嵌閘瓦，由此構(gòu)成一個(gè)帶有固定基座的框架結(jié)構(gòu)，并且兩組制動組件由并聯(lián)的輸出油管路經(jīng)液壓站統(tǒng)一控制。改造后的布置方式如圖 9 所示。
圖9 徑向推力平移式制動器
1.制動器裝置 2.閘瓦 3.拉桿 4.原設(shè)備制動 5.過渡支架
該改造方法不需要配套制動盤，仍利用原設(shè)備制動輪進(jìn)行制動，原設(shè)備基礎(chǔ)也可以不變，利用原地腳螺栓通過過渡支架與新制動器連接；布置較簡單，并且利用液壓站實(shí)現(xiàn)調(diào)壓、二級制動等功能。其缺點(diǎn)是制動器內(nèi)部結(jié)構(gòu)環(huán)節(jié)多，制動效率低，安裝調(diào)試工作量大。
3.2.3 改為塊式液壓彈簧閘
塊式彈簧閘與盤閘工作原理相同：油壓升高，彈簧壓縮，儲能，開閘；油壓下降，彈簧復(fù)位，釋放勢能，合閘。因制動力與卷筒直徑方向相同，稱為徑向受力液壓彈簧閘。
改造時(shí)，不需要改變卷筒和制動輪結(jié)構(gòu)，利用原制動器基礎(chǔ)，安裝上新的制動梁，懸掛液壓彈簧驅(qū)動器，擺放液壓站和司機(jī)臺，布置液壓油管后即可調(diào)試。改造后如圖 10 所示。
1.原制動輪 2.液壓彈簧閘 3.液壓站 4.操作臺 5.原地腳基礎(chǔ)
圖10 塊式液壓彈簧閘的布置
該改造方法安裝工程量小，工期較短；改善了原角移閘閘瓦磨損不均的狀況，延長閘瓦使用壽命；液壓元件遠(yuǎn)離制動輪，降低了液壓油污染閘面使閘失效的概率。
上述改造方法，中信重工已將其廣泛應(yīng)用在制動器的改造實(shí)踐中。改造后的提升設(shè)備都能在安全可靠、性能良好的狀態(tài)下運(yùn)行，并節(jié)約原材料，降低能耗，降低成本，減少停產(chǎn)時(shí)間，減少事故，給安全生產(chǎn)創(chuàng)造了良好條件。礦井提升機(jī)使用單位可根據(jù)需求選擇適合的方案對制動器進(jìn)行改造，以確保提升機(jī)安全、平穩(wěn)、可靠的運(yùn)行。
引文格式：
[1]趙光輝， 段秋華， 劉坤良.礦井提升機(jī)制動器技術(shù)改造綜述.[J].礦山機(jī)械,2020,48(5):32-37.精彩內(nèi)容，歡迎點(diǎn)擊
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