徐桂云 張曉光

（中國礦業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)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(guī)程》[1]第425條規(guī)定“安全制動(dòng)必須有并聯(lián)冗余的回油通道”，目前使用的滿足該條規(guī)定的提升機(jī)“并聯(lián)冗余”恒力矩液壓站存在下列問題：（1）還有安全制動(dòng)通道上僅設(shè)置一個(gè)電磁換向閥不冗余；（2）錯(cuò)誤采用并聯(lián)，不僅不能實(shí)現(xiàn)冗余，而且存在安全制動(dòng)失效概率增加一倍的隱患。

“并聯(lián)”不等于“冗余”，“并聯(lián)”和“冗余”是兩個(gè)不同的概念，“冗余”是實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)，“并聯(lián)”只是實(shí)現(xiàn)冗余的一種方法，還沒有文獻(xiàn)對(duì)“并聯(lián)冗余”進(jìn)行解釋，突破“并聯(lián)冗余”的誤區(qū)，探索實(shí)現(xiàn)冗余方法，研制安全制動(dòng)通道全冗余的提升機(jī)恒力矩制動(dòng)液壓站。

2 采用“并聯(lián)”改造的恒力矩液壓站存在的問題

《煤礦安全規(guī)程》[1]427條規(guī)定：各類提升機(jī)的制動(dòng)裝置發(fā)生作用時(shí)，提升系統(tǒng)的安全制動(dòng)減速度，必須符合表1要求。

表1 提升系統(tǒng)安全制動(dòng)減速度規(guī)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(yùn)行阻力系數(shù)，取0.010～0.015。

文獻(xiàn)[2]中規(guī)定：恒力矩液壓站應(yīng)具有可調(diào)整的二級(jí)制動(dòng)性能，即一級(jí)制動(dòng)油壓p1和一級(jí)制動(dòng)油壓作用時(shí)間t1均可根據(jù)需要調(diào)整，二級(jí)制動(dòng)中一級(jí)制動(dòng)油壓沖擊值Δp2不得大于0.3 MPa，一級(jí)制動(dòng)油壓p1在作用時(shí)問t1內(nèi)，下降值Δp1不得大于pmax的5%，見圖1。

圖1 二級(jí)制動(dòng)油壓變化曲線

說明：

p—油壓，MPa；

t—時(shí)間，s；

p1—二級(jí)制動(dòng)中一級(jí)制動(dòng)油壓，MPa；

Δp1—二級(jí)制動(dòng)中一級(jí)制動(dòng)油壓下降值，MPa；

Δp2—二級(jí)制動(dòng)中一級(jí)制動(dòng)油壓沖擊值，MPa；

t0—二級(jí)制動(dòng)中油壓從pmax下降到一級(jí)制動(dòng)油壓的時(shí)間，s；

t1—二級(jí)制動(dòng)中一級(jí)制動(dòng)油壓延時(shí)的時(shí)間，s。

文獻(xiàn)[3]中的 B157、TE131、TY1-D/S 等提升機(jī)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(tài)見表1，這是2016《煤礦安全規(guī)程》施行之前國內(nèi)煤礦廣泛使用的液壓站，下面敘述實(shí)現(xiàn)安全制動(dòng)的功能，假設(shè)工作油壓pmax=5 MPa，第一級(jí)制動(dòng)油壓p1=3 MPa，減壓閥調(diào)定油壓為2.8 MPa，當(dāng)提升機(jī)系統(tǒng)發(fā)生故障需實(shí)現(xiàn)安全制動(dòng)，電機(jī)斷電油泵1 的停止供油，比例溢流閥2斷電，A管制動(dòng)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(dòng)器8 快速制動(dòng)。根據(jù)提升容器所處位置實(shí)施井中、井口安全制動(dòng)，1）當(dāng)提升容器位于井中，滾筒全速轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)井中二級(jí)安全制動(dòng)，類似汽車ABS防抱死制動(dòng)，B管制動(dòng)器7的壓力油經(jīng)過電磁換向閥G4 斷電換到左位與溢流閥3 和蓄能器6 導(dǎo)通，由溢流閥3 溢流回油箱，使B 管制動(dòng)器7成為閉合回路并維持第一級(jí)制動(dòng)油壓3 MPa，延時(shí)時(shí)間t1小于等于10 s，在延時(shí)過程中，蓄能器6起穩(wěn)壓作用，第一級(jí)制動(dòng)油壓3 MPa基本不變，施加第一級(jí)力矩制動(dòng)，實(shí)現(xiàn)井中第一級(jí)安全制動(dòng)；延時(shí)時(shí)間結(jié)束，B 管制動(dòng)器8 的壓力油經(jīng)過兩個(gè)并聯(lián)冗余的電磁換向閥G5、G6同時(shí)斷電換到左位回油箱，使油壓迅速降到零，施加總力矩制動(dòng)，實(shí)現(xiàn)井中第二級(jí)安全制動(dòng)；2）當(dāng)提升容器位于井口，滾筒已減速，為避免過卷解除二級(jí)制動(dòng)，B管制動(dòng)器7的壓力油，一路經(jīng)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(dòng)，實(shí)現(xiàn)井口一級(jí)安全制動(dòng)。

圖2 恒力矩液壓站的工作原理圖

表2 液壓元件工作狀態(tài)

圖2 所示恒力矩液壓站能完成安全制動(dòng)功能，只是還有安全制動(dòng)通道上僅設(shè)置一個(gè)電磁換向閥不冗余，安全制動(dòng)時(shí)電磁換向閥是瞬間換位，出現(xiàn)換位故障的可能性很大，導(dǎo)致安全制動(dòng)失效的概率也很大，根據(jù)《煤礦安全規(guī)程》第425 條“安全制動(dòng)必須有并聯(lián)冗余的回油通道”的規(guī)定進(jìn)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(dòng)通道上僅設(shè)置一個(gè)閥不冗余實(shí)現(xiàn)了安全制動(dòng)并聯(lián)回油箱的通道冗余

文獻(xiàn)[4-6]在圖2中通往B管制動(dòng)器7和A管制動(dòng)器8的管路上并聯(lián)電磁換向閥如圖3 所示，怎樣才能稱為并聯(lián)冗余？在一條通道上并聯(lián)的兩個(gè)閥在任一個(gè)出現(xiàn)故障的情況下，仍能完成本次安全制動(dòng)，稱為通道的并聯(lián)冗余。以圖3所示井中二級(jí)制動(dòng)的第一級(jí)安全制動(dòng)狀態(tài)為例說明，并聯(lián)的兩個(gè)電磁換向閥G3、G7任一個(gè)出現(xiàn)故障，假設(shè)在電磁換向閥G3 出現(xiàn)故障情況下，A管制動(dòng)器8 的壓力油，雖經(jīng)電磁換向閥G3 不導(dǎo)通，但經(jīng)過電磁換向閥G7斷電換到左位回油箱，完成快速制動(dòng)功能，稱為A 管制動(dòng)器8 和油箱的通道實(shí)現(xiàn)了并聯(lián)冗余；B管制動(dòng)器7與比例溢流閥2、溢流閥3的通道僅設(shè)置一個(gè)電磁換向閥G4 不冗余，B 管制動(dòng)器7 的壓力油經(jīng)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(dòng)器7錯(cuò)誤地進(jìn)行了快速制動(dòng)，施加全力矩快速制動(dòng)，井中全速轉(zhuǎn)動(dòng)的滾筒閘盤突然快速抱死，可能導(dǎo)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(jí)制動(dòng)油壓p1，正確的是等于3 MPa 并維持一段時(shí)間施加第一級(jí)制動(dòng)力矩制動(dòng)，但錯(cuò)誤地變?yōu)榱怂查g等于零施加全力矩快速制動(dòng)，沒有完成井中二級(jí)制動(dòng)的第一級(jí)安全制動(dòng)的功能，導(dǎo)致井中二級(jí)安全制動(dòng)失效。

圖3 安全制動(dòng)通道上僅設(shè)置一個(gè)閥不冗余

2.2 錯(cuò)誤采用并聯(lián)存在安全制動(dòng)失效概率增加一倍的隱患

文獻(xiàn)[7]在圖2 的基礎(chǔ)上采用“并聯(lián)”方法設(shè)計(jì)了如圖4所示的液壓站，并授權(quán)了實(shí)用新型專利，下面分析它存在的安全隱患，圖4 所示狀態(tài)是井中第一級(jí)安全制動(dòng)，兩個(gè)電磁換向閥G4和G8并聯(lián)，不僅不能實(shí)現(xiàn)冗余，而且井中第一級(jí)安全制動(dòng)失效的概率增加一倍。并聯(lián)的兩個(gè)電磁換向閥G4、G8任一個(gè)出現(xiàn)故障，假設(shè)在電磁換向閥G8 出現(xiàn)故障情況下，B 管制動(dòng)器7 的壓力油經(jīng)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(dòng)，沒有完成井中第一級(jí)安全制動(dòng)的功能，導(dǎo)致井中安全制動(dòng)失靈。電磁換向閥G4換位正確，若僅設(shè)置一個(gè)電磁換向閥G4，不會(huì)導(dǎo)致井中安全制動(dòng)失靈，因?yàn)槭嵌嗖⒙?lián)的電磁換向閥G8 出現(xiàn)故障，導(dǎo)致井中安全制動(dòng)失靈，所以錯(cuò)誤地并聯(lián)了電磁換向閥G8，存在井中安全制動(dòng)失效概率增加一倍的隱患。

圖4 錯(cuò)誤采用并聯(lián)存在安全制動(dòng)失效概率增加一倍的隱患

圖4所示的液壓站是現(xiàn)在國內(nèi)煤礦廣泛使用的液壓站，《煤礦安全規(guī)程》第425條規(guī)定“安全制動(dòng)必須有并聯(lián)冗余的回油通道”，一部分是根據(jù)該條規(guī)定對(duì)圖2所示的原有液壓站改造設(shè)計(jì)[8-9]，另一部分是根據(jù)該條規(guī)定新設(shè)計(jì)制造[7]，兩個(gè)電磁換向閥G4 和G8 并聯(lián)，不僅沒有實(shí)現(xiàn)冗余，而且井中第一級(jí)安全制動(dòng)失效的概率，比圖3所示僅有一個(gè)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(dòng)通道上僅設(shè)置一個(gè)閥不冗余的隱患。

安全制動(dòng)通道冗余的概念理解為，一個(gè)通道上設(shè)置同時(shí)動(dòng)作的兩個(gè)電磁換向閥，任一個(gè)電磁換向閥出現(xiàn)故障，仍能完成本次安全制動(dòng)的功能，迫切需要研制安全制動(dòng)通道全冗余的恒力矩液壓站。

3 提升機(jī)安全制動(dòng)通道全冗余的恒力矩液壓站的研制

研制的提升機(jī)安全制動(dòng)通道全冗余的恒力矩液壓站已授權(quán)發(fā)明專利[10]，工作原理如圖5所示，液壓元件工作狀態(tài)見表3。對(duì)圖4 所示電磁換向閥G4 所在通道進(jìn)行分析，電磁換向閥G4 是二位三通，正常工作開閘通電時(shí)處于右位實(shí)現(xiàn)B 管制動(dòng)器7 與泵、比例溢流閥導(dǎo)通，安全制動(dòng)時(shí)斷電處于左位實(shí)現(xiàn)B管制動(dòng)器7與溢流閥3、蓄能器4導(dǎo)通，同時(shí)B管制動(dòng)器7與斷電的泵1、比例溢流閥2阻斷，使B管制動(dòng)器7成為閉合回路并維持第一級(jí)制動(dòng)油壓。按照安全制動(dòng)的通道冗余要求設(shè)計(jì)如圖5所示液壓站，創(chuàng)新設(shè)計(jì)思想是：一條通道要導(dǎo)通采用兩個(gè)并聯(lián)的電磁換向閥連接實(shí)現(xiàn)并聯(lián)冗余導(dǎo)通，一條通道要阻斷采用串聯(lián)的兩個(gè)電磁換向閥連接實(shí)現(xiàn)串聯(lián)冗余阻斷，B 管制動(dòng)器7 與溢流閥3、蓄能器4的通道上采用兩個(gè)電磁換向閥G4、G8并聯(lián)冗余導(dǎo)通，B管制動(dòng)器7與斷電的泵1、比例溢流閥2的通道上采用兩個(gè)電磁換向閥G4、G9串聯(lián)冗余阻斷。

圖5 提升機(jī)安全制動(dòng)通道全冗余的恒力矩液壓站

下面敘述安全制動(dòng)通道全冗余情況，電磁換向閥均有閥位監(jiān)測功能，監(jiān)測到換位故障能報(bào)警或閉鎖下次開車。A管制動(dòng)器8實(shí)現(xiàn)安全制動(dòng)冗余，A管制動(dòng)器8通過并聯(lián)的兩個(gè)G3、G7電磁換向閥與油箱實(shí)現(xiàn)并聯(lián)冗余導(dǎo)通，兩個(gè)電磁換向閥G3、G7 任一個(gè)出現(xiàn)故障，假設(shè)斷電的電磁換向閥G3 出現(xiàn)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(dǎo)通，完成A 管制動(dòng)器8 快速制動(dòng)的功能。B 管制動(dòng)器7 根據(jù)提升容器所處位置實(shí)施井中、井口安全制動(dòng)，（1）實(shí)現(xiàn)井中第一級(jí)安全制動(dòng)冗余，B管制動(dòng)器7通過串聯(lián)的兩個(gè)電磁換向閥G4、G9 使B 管制動(dòng)器與斷電的泵1、比例溢流閥2 實(shí)現(xiàn)串聯(lián)冗余阻斷，兩個(gè)電磁換向閥G4、G9任一個(gè)出現(xiàn)故障，假設(shè)斷電的電磁換向閥G9出現(xiàn)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(dòng)器7成為閉合回路保壓，同時(shí)B 管制動(dòng)器通過并聯(lián)的兩個(gè)電磁換向閥G4、G8 與溢流閥3、蓄能器6 實(shí)現(xiàn)并聯(lián)冗余導(dǎo)通，兩個(gè)電磁換向閥G4、G9任一個(gè)出現(xiàn)故障，假設(shè)斷電的電磁換向閥G8出現(xiàn)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(dǎo)通，B 管制動(dòng)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(jí)制動(dòng)油壓3 MPa 基本不變，延時(shí)時(shí)間t1小于等于10 s，全部制動(dòng)器施加第一級(jí)力矩制動(dòng)，完成井中第一級(jí)安全制動(dòng)的功能。（2）實(shí)現(xiàn)井中第二級(jí)安全制動(dòng)冗余，延時(shí)時(shí)間結(jié)束后，B 管制動(dòng)器通過并聯(lián)的兩個(gè)電磁換向閥G5、G6 與油箱實(shí)現(xiàn)并聯(lián)冗余導(dǎo)通，兩個(gè)電磁換向閥G5、G6任一個(gè)出現(xiàn)故障，假設(shè)斷電的電磁換向閥G5出現(xiàn)未換到左位的故障，由斷電的電磁換向閥G6換到左位仍導(dǎo)通，施加總力矩制動(dòng)，完成井中第二級(jí)安全制動(dòng)的功能。（3）實(shí)現(xiàn)井口一級(jí)安全制動(dòng)冗余，B 管制動(dòng)器通過并聯(lián)的兩個(gè)5電磁換向閥G5、G6與油箱實(shí)現(xiàn)并聯(lián)冗余導(dǎo)通，兩個(gè)電磁換向閥G5、G6 任一個(gè)出現(xiàn)故障，假設(shè)斷電的電磁換向閥G5出現(xiàn)未換到左位的故障，由斷電的電磁換向閥G6 換到左位仍導(dǎo)通，同時(shí)G4、G9電磁換向閥通電使B 管制動(dòng)器與比例溢流閥導(dǎo)通回油，施加總力矩制動(dòng)，完成井口一級(jí)安全制動(dòng)的功能。

4 結(jié)論

本文分析了目前廣泛使用的采用“并聯(lián)”方法改造和設(shè)計(jì)的一種提升機(jī)恒力矩液壓站，錯(cuò)誤采用并聯(lián)，不僅不能實(shí)現(xiàn)冗余，存在安全制動(dòng)失效概率增加一倍的隱患。本文應(yīng)用的創(chuàng)新設(shè)計(jì)思想是：一條通道要導(dǎo)通采用兩個(gè)并聯(lián)的電磁換向閥連接實(shí)現(xiàn)并聯(lián)冗余導(dǎo)通，一條通道要阻斷采用串聯(lián)的兩個(gè)電磁換向閥連接實(shí)現(xiàn)串聯(lián)冗余阻斷，研制了提升機(jī)安全制動(dòng)通道全冗余的恒力矩液壓站，即使在每條通道都有一個(gè)電磁換向閥出現(xiàn)故障的情況下，仍能完成本次安全制動(dòng)的功能，同時(shí)監(jiān)測到電磁換向閥的換位故障報(bào)警或閉鎖下次開車，大大提高了提升機(jī)安全制動(dòng)的可靠性，在煤礦已廣泛推廣應(yīng)用。