石志勇

(大同煤礦集團(tuán)公司 同家梁礦, 山西 大同 037025)

基于故障樹的提升機(jī)盤形制動(dòng)器故障分析

石志勇

(大同煤礦集團(tuán)公司 同家梁礦, 山西 大同 037025)

盤形制動(dòng)器是礦井提升機(jī)制動(dòng)系統(tǒng)中的關(guān)鍵設(shè)備之一，一旦發(fā)生故障會帶來嚴(yán)重后果。通過分析礦井提升機(jī)盤形制動(dòng)器的工作原理和常見故障類型，建立了由4個(gè)邏輯或門和8個(gè)底事件構(gòu)成的盤形制動(dòng)器失效的故障樹，并進(jìn)行了定性和定量分析。通過分析可知，8個(gè)底事件只要任一個(gè)發(fā)生，都必然引起頂事件發(fā)生；頂事件發(fā)生的概率為23.8%，系統(tǒng)可靠性較低，應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)日常的維護(hù)與檢修。針對分析結(jié)果，主要從避免正壓力不足和避免摩擦系數(shù)降低影響制動(dòng)力矩兩個(gè)方面提出預(yù)防與改進(jìn)建議，具有一定的實(shí)踐指導(dǎo)意義。

故障樹；提升機(jī)；盤形制動(dòng)器

0 引言

在煤炭生產(chǎn)過程中，礦井提升機(jī)是非常重要的大型設(shè)備之一，能夠完成提升煤炭、升降人員或者運(yùn)送材料工具等任務(wù)，是聯(lián)系地面與井下的主要運(yùn)輸工具。近年來，隨著我國煤炭企業(yè)的飛速發(fā)展，煤礦自動(dòng)化程度也越來越高。深井提升、重載提升、高速提升以及自動(dòng)化遠(yuǎn)程控制等技術(shù)都提高了提升機(jī)的自動(dòng)化水平，但是也帶來了新的安全問題。尤其是礦井提升機(jī)的制動(dòng)系統(tǒng)，必須在自動(dòng)化控制中具備最大負(fù)載可靠停止、緊急情況安全停止、斷電時(shí)制動(dòng)器及時(shí)運(yùn)行有效停止等功能[1]。礦井提升機(jī)的安全性和可靠性直接關(guān)系到煤礦的經(jīng)濟(jì)效益和安全生產(chǎn)，被稱為“礦山咽喉”。在常見的煤礦機(jī)電設(shè)備事故中，礦井提升機(jī)的事故率也比較高，甚至發(fā)生過惡性事故[2]。因此，如何確保礦井提升機(jī)的安全運(yùn)行，提高提升機(jī)制動(dòng)系統(tǒng)的可靠性是非常重要的一個(gè)研究內(nèi)容。

故障樹分析法是針對某種具體故障，通過逐層向下建立可能導(dǎo)致故障的各種因素的邏輯關(guān)系進(jìn)行分析的一種方法。本文利用故障樹分析法對煤礦帶式輸送機(jī)輸送帶故障進(jìn)行分析，希望通過分析，尋找導(dǎo)致輸送帶故障的各種原因或者多種原因的組合，并以此為基礎(chǔ)提出具有針對性的改進(jìn)措施。通過分析，實(shí)現(xiàn)直觀展現(xiàn)故障原因、方便查詢故障類型、加強(qiáng)日常檢查力度、加快故障維修效率等實(shí)際目標(biāo)，作為實(shí)踐工作的指導(dǎo)。

1 提升機(jī)盤形制動(dòng)器工作原理

目前，很多提升機(jī)采用的是盤形制動(dòng)器。相比于過去的輪式制動(dòng)器，盤形制動(dòng)器具有結(jié)構(gòu)更加緊湊、動(dòng)作更加靈敏、重量輕便、散熱迅速等特點(diǎn)。

盤形制動(dòng)器的制動(dòng)力是通過盤形彈簧產(chǎn)生的。而且，為了確保制動(dòng)盤沒有附加變形，,主軸沒有軸向附加力，所以閘盤都是成對使用，其工作原理圖如圖1所示。圖中，F(xiàn)1是油壓力，F(xiàn)2是彈簧壓縮力。那么，當(dāng)注入壓力油時(shí)，F(xiàn)1>F2，活塞后移壓縮彈簧，閘瓦與制動(dòng)盤之間的間隙△>0，制動(dòng)器保持松閘狀態(tài)；反之，F(xiàn)1

圖1 盤形制動(dòng)器工作原理示意圖

2 盤形制動(dòng)器常見故障分析

盤形制動(dòng)器的故障是指由于制動(dòng)器的設(shè)計(jì)沒有達(dá)到規(guī)定的要求，導(dǎo)致無法完成制動(dòng)任務(wù)或者完成情況無法滿足規(guī)定要求。通常來講，盤形制動(dòng)器的故障可以分為兩大類，第一類是制動(dòng)力矩不足造成制動(dòng)失效；第二類是制動(dòng)器松閘失效[3]。

2.1 制動(dòng)力矩不足造成制動(dòng)失效

制動(dòng)力矩的產(chǎn)生是靠閘瓦沿軸向從兩側(cè)壓向制動(dòng)盤的，其計(jì)算公式如(式1)所示。根據(jù)(式1)可以看出，導(dǎo)致制動(dòng)力矩不足的主要原因有兩個(gè)，一個(gè)是摩擦系數(shù)的降低，另一個(gè)是正壓力的不足[4]。

M=2NμRn

(1)

式中：M代表制動(dòng)力矩；N代表正壓力；R代表制動(dòng)盤平均摩擦半徑；n代表閘瓦個(gè)數(shù)；μ代表閘瓦與制動(dòng)盤之間的摩擦系數(shù)。

制動(dòng)力矩不足是由于閘瓦與制動(dòng)盤之間的摩擦系數(shù)降低造成的。根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)可知，摩擦系數(shù)降低的主要原因是閘盤表面被油污污染或者接觸面發(fā)生變形。被油污污染的閘盤表面，其摩擦系數(shù)可以降低40%左右。導(dǎo)致油污污染的主要原因有油缸漏油、油管開焊或接頭松動(dòng)導(dǎo)致漏油、液壓缸內(nèi)活塞密封圈老化未及時(shí)更換等；導(dǎo)致接觸面變形的主要原因則是工作溫度過高造成閘瓦過熱而燒流或者變焦。另外，動(dòng)摩擦系數(shù)的大小與物體運(yùn)動(dòng)速度有關(guān)，當(dāng)提升機(jī)高速運(yùn)行時(shí)，摩擦系數(shù)降低會更多，一旦出現(xiàn)緊急情況，可能會產(chǎn)生嚴(yán)重的后果，甚至造成重大事故。

正壓力不足主要是由于四個(gè)因素造成的。(1)彈簧剛度不足，彈簧在反復(fù)使用的過程中，機(jī)械彈性會下降，導(dǎo)致彈簧剛度下降甚至斷裂。(2)閘瓦間隙變大，制動(dòng)器在使用過程中，閘瓦會產(chǎn)生磨損造成間隙增大，間隙增大以后彈簧的預(yù)壓量就會變小，正壓力也隨之變小。(3)綜合阻力增大，由于制動(dòng)器在使用過程中密封圈老化，壓力油被污染等導(dǎo)致阻力變大。(4)工作腔殘壓增大，由于油質(zhì)被污染或者油路堵塞，油液不能完全回到郵箱增大了工作腔內(nèi)的壓力，制動(dòng)力矩就會下降。

2.2 制動(dòng)器松閘失效

導(dǎo)致制動(dòng)器松閘失效的原因主要有：回油緩慢；液壓缸配合過緊；運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)卡死。

3 基于故障樹的盤形制動(dòng)器故障分析

3.1 故障樹的建立

根據(jù)前面對盤形制動(dòng)器故障類型和故障原因的分析，建立了盤形制動(dòng)器失效的故障樹。頂事件即盤形制動(dòng)器故障，導(dǎo)致該故障的原因就是前面介紹的制動(dòng)失效和松閘失效。因?yàn)橹苿?dòng)失效是主要故障，而且造成事故危害很大，因此對其著重分析。導(dǎo)致制動(dòng)失效的主要原因是摩擦系數(shù)降低和正壓力不足，繼續(xù)向下分析導(dǎo)致摩擦系數(shù)降低和正壓力不足的原因，最終建立了具有4個(gè)邏輯或門、8個(gè)底事件的盤形制動(dòng)器失效的故障樹，見圖2。

3.2 故障樹定性分析

對圖2所示盤形制動(dòng)器失效的故障樹進(jìn)行定性分析，求該故障樹的最小割集，通過最小割集判斷相關(guān)底事件的重要程度。求解過程如下：

T=M1+x1

=M2+M3+x1

(2)

=x1+x2+x3+x4+x5+x6+x7+x8

通過式2可知，在該故障樹中，導(dǎo)致頂事件發(fā)生的數(shù)目最少而又必要的底事件一共有8個(gè)，分別為{x1}, {x2}…… {x8}。在這8個(gè)集合中，只要任一個(gè)發(fā)生，都必然引起頂事件發(fā)生。

圖2 盤形制動(dòng)器失效的故障樹

3.3 故障樹定量分析

故障樹的定量分析的目的是求頂事件發(fā)生的概率，以此判斷系統(tǒng)穩(wěn)定性情況，圖2事故樹中各底事件發(fā)生的概率見表1。

表1 盤形制動(dòng)器故障因素的發(fā)生概率

由于故障樹中各個(gè)底事件為獨(dú)立事件，根據(jù)獨(dú)立事件頂事件概率的求法(式3)，最終可以求得盤形制動(dòng)器發(fā)生故障的概率為23.8%。

P(T)=1-∏(1-qi)

(3)

3.4 分析結(jié)果與改進(jìn)措施

根據(jù)對故障樹結(jié)果的定量與定性分析可以看出， 盤形制動(dòng)器故障概率23.8%，可靠性較差，其原因是八個(gè)底事件任意一個(gè)發(fā)生都會導(dǎo)致盤形制動(dòng)器故障。由故障樹結(jié)構(gòu)可以看出，中間事件M1包含了主要的故障事件，因此，在日常的檢修與保養(yǎng)中，應(yīng)當(dāng)針對抱閘失效做好預(yù)防和改進(jìn)工作，尤其是針對正壓力不足和摩擦系數(shù)降低兩個(gè)原因。

(1)為了避免正壓力不足影響制動(dòng)力矩，應(yīng)當(dāng)做好閘瓦間隙、殘壓值、油壓值的檢查工作。調(diào)整閘瓦間隙的時(shí)候，還要注意對彈簧進(jìn)行調(diào)整[5]。

(2)為了避免摩擦系數(shù)降低影響制動(dòng)力矩，應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)日常的檢查工作。對于磨損或者損壞的閘瓦和液壓元件要及時(shí)進(jìn)行更換。液壓系統(tǒng)必須做好定期檢查，及時(shí)排查管路堵塞、漏油等現(xiàn)象，及時(shí)清除污染。油缸也要定期檢查，及時(shí)處理殘留污物，確?；钊恼＿\(yùn)行。

(3)要加強(qiáng)閘瓦貼閘能力的檢查，確保其保持在最佳狀態(tài)。

(4)可以通過自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測制動(dòng)器工作狀態(tài)，以便及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障，避免事故的發(fā)生。

4 結(jié)束語

(1)分析了礦井提升機(jī)盤形制動(dòng)器的工作原理和常見故障類型。確定了由4個(gè)邏輯或門和8個(gè)底事件構(gòu)成的盤形制動(dòng)器失效的故障樹。

(2)對故障樹進(jìn)行了定性分析和定量分析。通過分析可知，8個(gè)底事件只要任一個(gè)發(fā)生，都必然引起頂事件發(fā)生；頂事件發(fā)生的概率為23.8%，系統(tǒng)可靠性較低，應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)日常的維護(hù)與檢修。

(3)針對分析結(jié)果，提出了相關(guān)的預(yù)防措施。特別從避免正壓力不足和避免摩擦系數(shù)降低影響制動(dòng)力矩兩個(gè)方面提出建議，具有一定的實(shí)踐指導(dǎo)意義。

[1] 張步斌,杜波.礦井提升機(jī)制動(dòng)技術(shù)的發(fā)展[J].礦山機(jī)械,2001(5):38-42.

[2] 董建斌.淺談盤形制動(dòng)器的結(jié)構(gòu)原理及應(yīng)用分析[J].工業(yè)技術(shù),2011(20):88-89.

[3] 葛云燕.礦井提升機(jī)制動(dòng)系統(tǒng)存在的問題與改進(jìn)[J].煤礦機(jī)電,2007(3):66-67.

[4] 封士彩,朱松青.礦井提升機(jī)盤形制閘制動(dòng)失效分析[J].煤礦機(jī)電,2002(2):28-34.

[5] 楊孝虎.淺談盤形制動(dòng)器失效的原因及預(yù)防措施[J].礦山安全,2003(1):40-43.

(責(zé)任編輯：尹曉琦)

Study on the Failure Reason of Hoist Disc Brake Based on Fault Tree

SHI Zhi-yong

(Datong Coal Mine Group Tongjialiang, Datong Shanxi 037025, China)

Disc brake is one of the key equipments in mine hoist brake system, and in case of failure it would have serious consequences. By analyzing the working principle and common type of faults of mine hoist brake, the fault tree was established which composed by four logic OR gates and eight events, and the qualitative and quantitative analysis were carried out. Through analysis, each of eight basic events would inevitably lead to the top of the event. The probability of top event was 23.8% and system reliability was relatively low. It should strengthen routine maintenance and repair. According to the analysis, the detailed proposals from two aspects were presented with some guidance and practical significance.

fault tree; hoist; disc brake

2015-03-25

石志勇(1986-)，男，河北邢臺人，助理工程師，主要從事煤炭機(jī)電技術(shù)研究。

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1009-7961(2015)03-0035-03