提升機安全制動通道全冗余的恒力矩液壓站的研制

徐桂云 張曉光

（中國礦業大學機電工程學院 江蘇徐州 221116）

1 問題的提出

2016 年10 月1 日施行的《煤礦安全規程》[1]第425條規定“安全制動必須有并聯冗余的回油通道”，目前使用的滿足該條規定的提升機“并聯冗余”恒力矩液壓站存在下列問題：（1）還有安全制動通道上僅設置一個電磁換向閥不冗余；（2）錯誤采用并聯，不僅不能實現冗余，而且存在安全制動失效概率增加一倍的隱患。

“并聯”不等于“冗余”，“并聯”和“冗余”是兩個不同的概念，“冗余”是實現的目標，“并聯”只是實現冗余的一種方法，還沒有文獻對“并聯冗余”進行解釋，突破“并聯冗余”的誤區，探索實現冗余方法，研制安全制動通道全冗余的提升機恒力矩制動液壓站。

2 采用“并聯”改造的恒力矩液壓站存在的問題

《煤礦安全規程》[1]427條規定：各類提升機的制動裝置發生作用時，提升系統的安全制動減速度，必須符合表1要求。

表1 提升系統安全制動減速度規定值

注：Ac=g( )sinθ+fcosθ

式中：Ac—自然減速度，m·s-2；

g—重力加速度，m·s-2；

θ—井巷傾角，°；

f—繩端載荷的運行阻力系數，取0.010～0.015。

文獻[2]中規定：恒力矩液壓站應具有可調整的二級制動性能，即一級制動油壓p1和一級制動油壓作用時間t1均可根據需要調整，二級制動中一級制動油壓沖擊值Δp2不得大于0.3 MPa，一級制動油壓p1在作用時問t1內，下降值Δp1不得大于pmax的5%，見圖1。

圖1 二級制動油壓變化曲線

說明：

p—油壓，MPa；

t—時間，s；

p1—二級制動中一級制動油壓，MPa；

Δp1—二級制動中一級制動油壓下降值，MPa；

Δp2—二級制動中一級制動油壓沖擊值，MPa；

t0—二級制動中油壓從pmax下降到一級制動油壓的時間，s；

t1—二級制動中一級制動油壓延時的時間，s。

文獻[3]中的 B157、TE131、TY1-D/S 等提升機恒力矩液壓站的工作原理圖如圖1 所示，液壓元件工作狀態見表1，這是2016《煤礦安全規程》施行之前國內煤礦廣泛使用的液壓站，下面敘述實現安全制動的功能，假設工作油壓pmax=5 MPa，第一級制動油壓p1=3 MPa，減壓閥調定油壓為2.8 MPa，當提升機系統發生故障需實現安全制動，電機斷電油泵1 的停止供油，比例溢流閥2斷電，A管制動器8中的壓力油從電磁換向閥G3 斷電換到左位回油箱，A 管制動器8 快速制動。根據提升容器所處位置實施井中、井口安全制動，1）當提升容器位于井中，滾筒全速轉動，實現井中二級安全制動，類似汽車ABS防抱死制動，B管制動器7的壓力油經過電磁換向閥G4 斷電換到左位與溢流閥3 和蓄能器6 導通，由溢流閥3 溢流回油箱，使B 管制動器7成為閉合回路并維持第一級制動油壓3 MPa，延時時間t1小于等于10 s，在延時過程中，蓄能器6起穩壓作用，第一級制動油壓3 MPa基本不變，施加第一級力矩制動，實現井中第一級安全制動；延時時間結束，B 管制動器8 的壓力油經過兩個并聯冗余的電磁換向閥G5、G6同時斷電換到左位回油箱，使油壓迅速降到零，施加總力矩制動，實現井中第二級安全制動；2）當提升容器位于井口，滾筒已減速，為避免過卷解除二級制動，B管制動器7的壓力油，一路經過電磁換向閥G4斷電換到左位和電磁換向閥G6斷電換到左位流回油箱，另一路電磁換向閥G5斷電換到左位流回油箱，施加總力矩迅速制動，實現井口一級安全制動。

圖2 恒力矩液壓站的工作原理圖

表2 液壓元件工作狀態

圖2 所示恒力矩液壓站能完成安全制動功能，只是還有安全制動通道上僅設置一個電磁換向閥不冗余，安全制動時電磁換向閥是瞬間換位，出現換位故障的可能性很大，導致安全制動失效的概率也很大，根據《煤礦安全規程》第425 條“安全制動必須有并聯冗余的回油通道”的規定進行改造，主要有下列兩種改造方式，都還存在通道不冗余的安全隱患。

2.1 安全制動通道上僅設置一個閥不冗余實現了安全制動并聯回油箱的通道冗余

文獻[4-6]在圖2中通往B管制動器7和A管制動器8的管路上并聯電磁換向閥如圖3 所示，怎樣才能稱為并聯冗余？在一條通道上并聯的兩個閥在任一個出現故障的情況下，仍能完成本次安全制動，稱為通道的并聯冗余。以圖3所示井中二級制動的第一級安全制動狀態為例說明，并聯的兩個電磁換向閥G3、G7任一個出現故障，假設在電磁換向閥G3 出現故障情況下，A管制動器8 的壓力油，雖經電磁換向閥G3 不導通，但經過電磁換向閥G7斷電換到左位回油箱，完成快速制動功能，稱為A 管制動器8 和油箱的通道實現了并聯冗余；B管制動器7與比例溢流閥2、溢流閥3的通道僅設置一個電磁換向閥G4 不冗余，B 管制動器7 的壓力油經過故障的電磁換向閥G4 右位和斷電的比例溢流閥回油箱，B管制動器7錯誤地進行了快速制動，施加全力矩快速制動，井中全速轉動的滾筒閘盤突然快速抱死，可能導致多繩摩擦式滑繩或單繩纏繞式斷繩事故，原因是井中第一級制動油壓p1，正確的是等于3 MPa 并維持一段時間施加第一級制動力矩制動，但錯誤地變為了瞬間等于零施加全力矩快速制動，沒有完成井中二級制動的第一級安全制動的功能，導致井中二級安全制動失效。

圖3 安全制動通道上僅設置一個閥不冗余

2.2 錯誤采用并聯存在安全制動失效概率增加一倍的隱患

文獻[7]在圖2 的基礎上采用“并聯”方法設計了如圖4所示的液壓站，并授權了實用新型專利，下面分析它存在的安全隱患，圖4 所示狀態是井中第一級安全制動，兩個電磁換向閥G4和G8并聯，不僅不能實現冗余，而且井中第一級安全制動失效的概率增加一倍。并聯的兩個電磁換向閥G4、G8任一個出現故障，假設在電磁換向閥G8 出現故障情況下，B 管制動器7 的壓力油經過故障的電磁換向閥G8 右位和斷電的比例溢流閥回油箱油壓為零，施加全力矩快速制動，沒有完成井中第一級安全制動的功能，導致井中安全制動失靈。電磁換向閥G4換位正確，若僅設置一個電磁換向閥G4，不會導致井中安全制動失靈，因為是多并聯的電磁換向閥G8 出現故障，導致井中安全制動失靈，所以錯誤地并聯了電磁換向閥G8，存在井中安全制動失效概率增加一倍的隱患。

圖4 錯誤采用并聯存在安全制動失效概率增加一倍的隱患

圖4所示的液壓站是現在國內煤礦廣泛使用的液壓站，《煤礦安全規程》第425條規定“安全制動必須有并聯冗余的回油通道”，一部分是根據該條規定對圖2所示的原有液壓站改造設計[8-9]，另一部分是根據該條規定新設計制造[7]，兩個電磁換向閥G4 和G8 并聯，不僅沒有實現冗余，而且井中第一級安全制動失效的概率，比圖3所示僅有一個電磁換向閥G4的失效的概率增加一倍。但是圖3 所示液壓站并不是安全可靠，存在安全制動通道上僅設置一個閥不冗余的隱患。

安全制動通道冗余的概念理解為，一個通道上設置同時動作的兩個電磁換向閥，任一個電磁換向閥出現故障，仍能完成本次安全制動的功能，迫切需要研制安全制動通道全冗余的恒力矩液壓站。

3 提升機安全制動通道全冗余的恒力矩液壓站的研制

研制的提升機安全制動通道全冗余的恒力矩液壓站已授權發明專利[10]，工作原理如圖5所示，液壓元件工作狀態見表3。對圖4 所示電磁換向閥G4 所在通道進行分析，電磁換向閥G4 是二位三通，正常工作開閘通電時處于右位實現B 管制動器7 與泵、比例溢流閥導通，安全制動時斷電處于左位實現B管制動器7與溢流閥3、蓄能器4導通，同時B管制動器7與斷電的泵1、比例溢流閥2阻斷，使B管制動器7成為閉合回路并維持第一級制動油壓。按照安全制動的通道冗余要求設計如圖5所示液壓站，創新設計思想是：一條通道要導通采用兩個并聯的電磁換向閥連接實現并聯冗余導通，一條通道要阻斷采用串聯的兩個電磁換向閥連接實現串聯冗余阻斷，B 管制動器7 與溢流閥3、蓄能器4的通道上采用兩個電磁換向閥G4、G8并聯冗余導通，B管制動器7與斷電的泵1、比例溢流閥2的通道上采用兩個電磁換向閥G4、G9串聯冗余阻斷。

圖5 提升機安全制動通道全冗余的恒力矩液壓站

下面敘述安全制動通道全冗余情況，電磁換向閥均有閥位監測功能，監測到換位故障能報警或閉鎖下次開車。A管制動器8實現安全制動冗余，A管制動器8通過并聯的兩個G3、G7電磁換向閥與油箱實現并聯冗余導通，兩個電磁換向閥G3、G7 任一個出現故障，假設斷電的電磁換向閥G3 出現未換到右位的故障如圖5 所示，由斷電的電磁換向閥G7 換到右位仍導通，完成A 管制動器8 快速制動的功能。B 管制動器7 根據提升容器所處位置實施井中、井口安全制動，（1）實現井中第一級安全制動冗余，B管制動器7通過串聯的兩個電磁換向閥G4、G9 使B 管制動器與斷電的泵1、比例溢流閥2 實現串聯冗余阻斷，兩個電磁換向閥G4、G9任一個出現故障，假設斷電的電磁換向閥G9出現未換到右位的故障如圖5 所示，由斷電的電磁換向閥G4換到右位仍阻斷，使B管制動器7成為閉合回路保壓，同時B 管制動器通過并聯的兩個電磁換向閥G4、G8 與溢流閥3、蓄能器6 實現并聯冗余導通，兩個電磁換向閥G4、G9任一個出現故障，假設斷電的電磁換向閥G8出現未換到右位的故障如圖5所示，由斷電的電磁換向閥G4 換到右位仍導通，B 管制動器7 的壓力油由溢流閥3溢流回油箱，由蓄能器6維持第一級制動油壓3 MPa 基本不變，延時時間t1小于等于10 s，全部制動器施加第一級力矩制動，完成井中第一級安全制動的功能。（2）實現井中第二級安全制動冗余，延時時間結束后，B 管制動器通過并聯的兩個電磁換向閥G5、G6 與油箱實現并聯冗余導通，兩個電磁換向閥G5、G6任一個出現故障，假設斷電的電磁換向閥G5出現未換到左位的故障，由斷電的電磁換向閥G6換到左位仍導通，施加總力矩制動，完成井中第二級安全制動的功能。（3）實現井口一級安全制動冗余，B 管制動器通過并聯的兩個5電磁換向閥G5、G6與油箱實現并聯冗余導通，兩個電磁換向閥G5、G6 任一個出現故障，假設斷電的電磁換向閥G5出現未換到左位的故障，由斷電的電磁換向閥G6 換到左位仍導通，同時G4、G9電磁換向閥通電使B 管制動器與比例溢流閥導通回油，施加總力矩制動，完成井口一級安全制動的功能。

4 結論

本文分析了目前廣泛使用的采用“并聯”方法改造和設計的一種提升機恒力矩液壓站，錯誤采用并聯，不僅不能實現冗余，存在安全制動失效概率增加一倍的隱患。本文應用的創新設計思想是：一條通道要導通采用兩個并聯的電磁換向閥連接實現并聯冗余導通，一條通道要阻斷采用串聯的兩個電磁換向閥連接實現串聯冗余阻斷，研制了提升機安全制動通道全冗余的恒力矩液壓站，即使在每條通道都有一個電磁換向閥出現故障的情況下，仍能完成本次安全制動的功能，同時監測到電磁換向閥的換位故障報警或閉鎖下次開車，大大提高了提升機安全制動的可靠性，在煤礦已廣泛推廣應用。