矿井提升机plc操纵系统设计正文

矿井提升机plc操纵系统设计
摘要
矿井提升机制动系统，是矿井提升系统的平安保障环节，对矿井提升生产效率和工作性能都有着重要意义。

矿井提升机制动系统由液压站和制动器两部份组成，其制动性能直接阻碍到提升系统的稳固性与平安性。

矿井提升机制动系统的靠得住性和准确性是矿井提升和平安运行的重要保证。

目前，提升机制动系统多采纳盘式制动器，盘式制动器的制动力由液压泵站提供。

本文对提升机制动系统中液压站和制动器的结构组成及工作原理进行了简单的介绍，同时对相关参数进行计算，总结了提升机制动系统制动性能的评判要求，和阻碍制动性能的要紧因素。

为了保证液压泵站的平安运行，便于操作人员把握工作状况，本文设计了提升机制动操纵系统。

关键词：盘式制动器；液压站；平安
目录
1.引言
研究背景及意义
在煤矿企业生产进程中矿井提升机是十分关键及重要的设备之一，其要紧功能是提升矿物和起落人员，担负着采矿生产活动正常运行的重要任务，占有极为重要的地位。

提升机在运行时的平安性及靠得住性是由其制动性能的好坏决定的。

在工作运行进程中矿井提升设备碰到故障，而没有采取有效地紧急制动方法，这种情形将致使的后果不仅是提升机设备自身损坏，而且极大的可能会造成人员伤亡的严峻事故。

依照以往提升机显现故障事故的不完全统计结果分析，60%以上的提升故障都是由于制动系统显现问题而造成的。

国内煤矿到目前为止因为提升机制动系统故障而造成严峻事件的例子有相城煤矿中的主斜井提升机确实是由于制动系统在紧急制动进程中产生的制动力矩过大，断绳事件多次显现；而石台煤矿主井的提升机上由于没有及时保养清理，其制动盘显现过量的油污，致使在紧急制动进程中产生的制动力矩过小，在工作运行中致使重载箕斗坠入井底，致使了生产不能正常进行及庞大的经济损失。

此刻矿井提升机完成制动作用，主若是靠液压站及制动器两部份一起作用完成的。

液压站与制动器的完美配合，及时有效地完成提升机制动系统正常的工作制动、紧急制动和调绳的功能。

提升机制动系统制动性能的好坏直接阻碍提升机运行时的稳固性和靠得住性。

在紧急制动进程中，假设盘式制动器产生的制动力矩超标，紧急时的减速度超过规定的自然减速度，提升系统中的钢丝绳将会发生松绳现象，这种情形会引发冲击断绳及跑车的严峻事故；相反使制动力矩过小，在限定的距离中不能使提升系统停止运行，如此会致使提升机的过卷过放的严峻事故。

阻碍矿井提升机制动性能的因素有很多，如制动盘的碟形弹簧刚度，闸瓦间隙，油压，温度转变，工作腔残压，闸瓦摩擦系数，制动盘偏摆度等，在紧急制动进程中制动引发的抖动一样是需要解决的制动振动和噪声中的一个问题，若是处置不行将会致使重大的质量问题。

因此，为保证提升设备能够平安靠得住地运行工作，除在对现场实际工作运行状态的动态监测外，最重要的是在于优化设计时使其制动系统能够进行及时精密有效地操纵，当碰到紧急情形时候，能够依托于优秀的制动性能进行减速停车，使事故发生的情形减少，更好的情形确实是幸免发生事故，以保证煤矿生产的平安性。

依照有关研究得出，与提升机制动性能相关的因素很多而且复杂，而且有可能在不同的工况下产生必然的转变，因此在深切明白得并分析提升机制动系统工作原理的基础上，对阻碍制动性能的重要参数进行分析，成立制动系统的数学模型并利用软件完成动力学仿真分析，为完善制动系统制动性能提供优化方式与依据。

因此，开展对提升机制动系统动态特性仿真分析及实验研究，可及时检查出机构设计的合理性，并进行完善，防患于未然。

国内外研究现状
矿井提升机的盘式制动器在国外取得了良好的进展，液压盘式制动器的泄漏情形改善很多，同时改良了制作闸瓦的材料，取得更好的摩擦系数和在高温情形下的耐磨性能高，因此在矿井提升机中通常都是利用液压盘式制动器，在紧急制动操纵方式上，对其进行平安制动时通常采纳分级制动，一样利用二级制动，为了抵达更好的制动性能，乃至采纳三级制动的方式，如此提高了矿井提升机制动性能，达到了提升货物和起落员工的利用要求。

同时，国外的提升机制造公司在新的提升机设计制造中不断更新采纳各类高新技术来提高提升机的整机性能和平安性能。

运用的新技术有：采纳电动机拖动与操纵的技术准确性更高，加倍有效，提高的提升设备的自动化水平，乃至不需要安排专门的值班员工在司机职位；采纳的液压盘式制动器性能更好并更新应用了恒压减速制动的液压系统操纵方式，提升机运行的平稳性和停车的精准性得以提高；运用功能齐全的矿井提升机运行工况在线监测系统，通过在线监测提升机运行参数，不仅能够在超量时及时地进行报警，而且还能够进行自动调剂排除故障等。

矿井提升机生产企业在研制一种新提升机或优化现存的提升机时，老是第一考虑提升机运行的平安性和保证制动系统的靠得住性要高。

提升机制动系统的制动性能是采矿企业平安及稳固生产的关键保证，要紧体此刻一下两点：一是制动性能本身靠得住性要高，发生故障机遇超级低；二是当提升机制动系统发生错误后应该能够依据错误的性质及时采取必然方法进行相应的爱惜，而且能够将故障的详细内容进行保留并在运算机上显示出来，方便用户迅速准确地排除故障恢复生产。

因此为确保其平安靠得住地运行，除在对实际运行状态的动态监测外，关键在于设计与计算时合理地选择运行状态参数，和在结构、材质等系统设计上应有较高的靠得住性。

矿井提升机的制动系统制动性能的研究，直接关系到提升机的平安运行。

国内关于这种研究相对较少，近几年才有一些科研人员运用虚拟样机技术和动力学仿真技术对提升机制动系统进行了研究。

关于矿井提升机，尽管进行了机械和液压系统的联合仿真，可是仅仅分析制动油压、闸瓦间隙和制动力之间的关系，分析的因素比较局限；将液压系统与机械系统进行耦合仿真，分析了制动油压、闸瓦摩擦系数对制动性能的阻碍，阻碍制动性能因素的分析比较单一；对制动盘温度仿真分析，得出温度散布规律和温度随时刻的转变关系，未深切分析阻碍温度散布的因素。

综上所述，阻碍矿井提升机制动性能的因数有很多，如制动盘的碟形弹簧刚度、闸瓦间隙、利用环境温度转变、工作腔残压、闸瓦摩擦系数、制动盘偏摆度等。

在紧急制动进程中显现的制动引发的抖动一样是阻碍制动性能的因素，若是不减小抖动问题会致使制动性能不能知足要求。

关于阻碍提升机制动性能各因素的分析，国内外的研究多数是针对某一个参数进行比较单一的仿真分析，没有系统而全面的整体分析，专门是针对不同的工况下参数对制动性能阻碍的分析更是少。

为了解决矿井提升机在工作进程中显现的问题，专门是液压系统的参数对矿井提升机制动系统的阻碍，这需要对制动进程中阻碍制动性能的各参数进行分析，并成立相关数学模型并进行动力学仿真。

2.矿井提升机制动系统
在矿井提升机制动系统中，由液压站和制动器两部份组成，由液压系统产生压力操纵盘式制动器，完成提升机的制动进程，因此液压站和制动器的靠得住性能都对制动系统的平安性具有决定性作用。

进一步了解制动系统中液压系统和盘式制动器的工作原理有助于深切了解分析阻碍制动系统制动性能的因素。

提升机液压系统的组成与工作原理
液压系统的组成
（1）油源部份：液压系统中的两套独立工作的油源均是由粗、精过滤器、
叶片泵、电机、调压装置及管件等组成，调压装置由电液比例溢流阀8和溢流阀7组成。

为系统提供P=~，Q=14L·min-1的可调压力油源，一用一备。

（2）集油路装置：集油路装置由两个相同的二位三通型电磁换向阀10、
11，两个相同的二位二通型电磁换向阀8、9，弹簧蓄能器13和二级制动溢流阀11等组成，为制动系统的A、B管油路提供压力油，紧急电延时二级制动等功能。

即TH118C（2JK矿井提升机）型液压站。

该装置上加装一个油路块及二位三通电磁阀14、单向阀、截止阀，即可为系统提供调绳油缸的聚散功能，知足2JTP矿井提升绞车的调绳功能。

（3）出油过滤装置：该装置由精过滤器及管件等组成。

液压系统工作原理
（1）系统正常工作状态：依照电控系统原理图将相应的电线接好后，启动与油泵相连的电动机，从油泵输出的液压油通过直动型电磁比例溢流阀7流回油箱，当接通两个二位三通电磁换向阀，同时修改电磁比例阀7的输入电流信号时，系统中的油压值就会跟从电磁比例阀的信号输入的改变而转变，A、B管油压将在P=~间呈线性转变。

进而将盘式制动器产生正压力的改变，油压值越低，制动正压力越大。

在提升机正常工作的情形下，液压系统中除以上元件进行工作之外，其余的液压元件均可不能有动作。

（2）系统紧急制动状态：当在设备运行进程中需要实施紧急制动时，提升机的制动系统进入紧急制动进程。

液压系统中的电动机3、电磁换向阀10、11，直动型电磁比例溢流阀7均变成断电状态。

现在，与A管路相连的固定卷筒制动油缸中的油液通过阀11直接返回到油箱，与B管相连的游动卷筒制动器中的液压油那么通过阀10被接入二级制动操纵油路中，整个系统中的油压大小由溢流阀调剂。

二位二通电磁换向阀9在阀10、11断电的同时进入通电状态，使B 管路中的油压从最大工作油压下降到溢流阀15调定的压力值P2，通过延时几秒后（按实际工作条件计算出一个调定值），阀9进入通电状态的同时阀8
进入断电状态，而现在盘式制动器中的压力油返回油箱，油压从P2直接下降为0。

在弹簧蓄能器中保留的压力油及时地补充了各个阀件的泄漏损失，使B 管路中油压P2值在延时进程中维持不变。

完成整个紧急制动进程。

（3）手动紧急回油装置为提升机的平安爱惜装置，当提升机紧急制动失效后，扳动手动紧急制动中手动换向阀S（H-4WMM6E50）的手柄，使制动器油缸的油迅速泄油，以达到紧急制动。

液压系统重要参数
（1）最大松闸油压值的计算
依如实际的静张力差计算相对应的最大油压值。

1.竖井提升的最大油压值的计算：
Pmax≥PX+Pf
PX=A·n
Pf=
Pmax=A·n+Pf
式中：Fc——实际最大静张力差，N；
A——制动器活塞有效面积，mm2；
n——制动器总个数；
K——制动器力矩计算系数
K=⁄c
c=(Fc⁄∑m)×10-1=(Fc·g⁄∑G )×10-1
式中：∑G——整个提升系统的变位重量，kg
当0<c<1时，K=⁄c；
当1<c时，K =
2.斜井提升时最大油压值得计算：
Pmax≥⁄An +
式中：K1——斜井倾角阻碍系数
斜井倾角阻碍系数
Inclined angle of influence coefficient
斜井倾角30°25°20°<20°
K1 1
（2）二级制动油压值P2的确信
1.竖井重物下放时：
P2=2PX-∑G +⁄An
2.斜井重物提升时：
双钩提升时：
P2=(∑m1·a+⁄An
式中：∑m1——不包括提升侧的系统终端负荷变位质量，kg·s2⁄m。

Fd——为下放侧的静张力，N；
a——在倾角a上的自然减速度
a=3m/s2 a≫17°
g(sina+fcosa) a<17°,f=
单钩重物提升
P2=∑m2·a⁄An
式中：∑m2——所有转动部份的变位质量，kg·s2⁄m。

(3)二级制动延不时刻的计算
t=Vmax/a
式中：
a——制动减速度
竖井重物下放时：a= m/ s2
斜井重物提升时：
α=3m /s2 θ≥17°
a=g(sinθ+fcosθ)θ<17°
Vmax——提升机最大运行速度
提升机盘式制动器的结构与工作原理
盘式制动器的结构
制动器是矿井提升机制动系统的重要组成部份，它工作的正常与否，不但关系着提升机的正常运转，而且也关系着提升机的平安性与靠得住性。

此刻的提升机均采纳液压盘式制动器，它与老产品的提升机采纳的油压或气压传动的块式制动装置比较具有以下优势：由于提升机正常工作的时候都是多付盘式制动器一同产生正压力制动，假设其中有一付盘式制动器显现故障失灵，也只会失去部份正压力，因此盘式制动器的靠得住性比较高高；惯量小，动作较灵敏；通用性能好；结构紧凑，可调性好。

盘式制动器产生的制动力矩是依托双侧的制动闸瓦从制动盘的双侧挤压制动盘而作用的。

为了使制动盘不产生额外的变形，主轴不产生附加轴向力，在提
升机中盘式制动器采纳成对的利用方式确实是为了不让制动盘产生附加的变形，同时主轴也可不能受到额外的轴向力。

依照提升机设计要求所需要的制动力矩的大小，在每一台矿井提升机的制动盘上能够对称地布置多付制动器。

型提升机采纳的是四付盘式制动器
盘式制动器工作原理
盘式制动器是靠油缸内的碟形弹簧6 产生制动正压力的，而依托液压系统产生的压力油使制动器松闸的。

当液压油进入油缸7，推动活塞5 去紧缩碟形弹簧，同时带动调剂螺栓4、螺钉3、推杆12 向左运动，滑套9、钢板10 和闸瓦11 在回位弹簧和拉紧螺栓的一起作用下也都一路向左运动，使闸瓦离开制动盘，使盘式制动器呈现出松闸的状态。

当制动器中油缸内油压值减小时，油压产生的力小于碟形弹簧产生的弹簧力，碟形弹簧就会推动活塞向右运动，而且使调剂螺栓4，螺钉3、推杆12、滑套9 一路向右运动，推动闸瓦向制动盘移动并挤压制动盘产生制动力矩，达到制动的目的。

盘式制动器处于制动状态的时候，闸瓦向制动盘施加的正压力大小，是由油缸内油压值大小决定的，假设油缸中的油压值处于最小值的时候（由于有残压的存在，最小值一样可不能为零），碟形弹簧的产生的弹簧力几乎全数施加于活塞之上，那个时候制动盘上所受到的正压力为最大值，处于全制动状态。

相反，假设油缸内的工作油压值是液压系统所提供的最大油压值时，处于松闸状态。

制动性能及其阻碍因素
制动性能
制动系统作为提升机的重要组成部份，是矿井提升机平安爱惜的最后一个环节，其制动性能好坏是实现提升机紧急制动的大体保证，直接阻碍到提升机工作
靠得住性和平安生产。

机械行业标准、《煤矿平安规程》和TH118C液压站各项性能指标都对提升机制动性能有相应的要求。

1.响应时刻
《煤矿平安规程》中第431条规定：闸瓦在第一级通过爱惜回路断电时起至制动闸瓦接触到制动盘上的空动时刻（即平安制动空行程时刻），盘式制动器不得超过。

关于斜井提升时，为保障在上提时紧急制动进程中不发生松绳而必需采纳延时制动的方式时，上提时空动时刻没有此限。

对在工作运行中要求制动盘和盘式制动器之间的间隙不大于2mm。

闸瓦在进行制动的时候，推杆和闸瓦之间不能显现明显的弹性摆动。

2.制动力平稳《煤矿平安规程》中第432 条规定：提升机的制动系统在进行制动的时候，盘式制动器所施加的制动力矩与在现场工况中最大提升静荷重产生的旋转力矩之比值K要大于等于3。

可是针对证量模数较小的矿井提升机，当在上提重载货物的时候，盘式制动器作用产生的制动减速度若是大于所规定的限值时，能够把盘式制动器要求的那个比值K下降到合理的值，可是必需大于等于2。

在调剂双滚筒提升机的滚筒旋转相对位置的时候，盘式制动器在每一个滚筒制动盘上所施加的制动力矩，要求必需大于或等于该滚筒受静张力差所产生的旋转力矩的倍。

盘式制动器的液压油路显现堵塞现象，就会造成其制动时的回油受到附加阻力，进而使该制动器中油缸内油压减小速度小于对面的油缸内的油压减小速度，这种情形下这一付盘式制动器就会在轴向对制动盘产生一个额外的作使劲。

3.同步性
提升机的制动系统的同步性表现为两种情形，一种是提升机中一付盘式制动器中每一个闸瓦与制动盘之间的间距是不同。

在安装或在运行中制动盘的偏摆时，和在长时刻的而且频繁的制动工作中闸瓦就会产生磨损的现象，同时因为一付制动闸瓦的磨损量不同，致使一付盘式制动器中两个闸瓦间隙不一致的情形显现，最终造成闸瓦的空动时刻不同，显现制动时刻的不同，这确实是提升机盘式制动器同步性的表现。

还有一种情形确实是提升机中的每付盘式制动器之间的同步性。

4.跟从性
在紧急制动进程中，通过调剂二级制动油路中溢流阀压力值来操纵紧急油压，将溢流阀设到必然的压力值，可是在制动系统运行的中盘式制动器中的油压值低于溢流阀调定的压力值，这种情形下，被以为制动系统的跟从性差不知足要求。

制动系统施加的制动正压力是由液压系统中电磁比例溢流阀操纵的，通过调剂电磁比例溢流阀的输入电流来改变盘式制动器施加的制动力矩，电磁比例溢流阀在调剂系统油压进程中，它的油压—电流特性在P = ~P x之间应该近似为直线关系，而且油压滞后于电流改变的时刻应该小于等于，P x是闸瓦方才离开制动盘时的油压值。

电流转变的范围≤450m A，油压值转变范围≤。

阻碍制动性能的因素
矿井提升机在制动进程中，在碟形弹簧和液压系统的一起作用下通过推动闸瓦挤压提升机的制动盘产生制动力矩，使提升机进入减速并停车的进程，在制动进程中有多种不同的因素阻碍着制动系统的制动性能，尤其是液压系统中的相关因素。

1.弹簧蓄能器的弹簧刚度
在TH118C中低压电延时二级制动液压系统中，在紧急二级制动回油路上
设计安装了弹簧式蓄能器，在制动系统进行二级制动的时候，游动卷筒制动盘上的四个盘式制动器中的液压油进入电磁换向阀10、弹簧式蓄能器13及溢流阀15
成立起保压油压并进行保压进程，弹簧式蓄能器中的弹簧刚度的选择对液压系统的压力冲击、系统的快速稳固性和系统的跟从性有阻碍，关于系统所需的保压压力也一样有阻碍。

2.空气含量
关于液压系统中所利用的L-HM32抗磨矿物系液压油，一样情形下，液压油的弹性模量EY值转变很小，可是假设液压油中混入气体，液压油的紧缩性就会明显增加，弹性模量将会显著减小。

通常，假设液压油中没有混入空气，弹性模型可取EY= ~ ×109Pa。

假设液压油中混入的空气含量为1%时，弹性模量EY值将减小到50%左右。

3.液压管路
在矿井提升机制动系统中，液压站与盘式制动器是依托一段液压管路连接起来的，每一个制动器所连接的液压管路的长度有所不同，这就阻碍了每一个盘式制动器中液压油油压值转变的不同，从而阻碍了制动器的动作响应的不同。

4.电磁换向阀阀口通流截面积
提升机采取紧急制动方式，在二级制动降压进程中，盘式制动器中油缸内的液压油和弹簧蓄能器内的液压油要通过电磁换向阀8流回到油箱，因此二级制动油路上的电磁换向阀阀口通流截面积对二级制动卸压进程有必然的阻碍，从而阻碍了制动系统的响应速度。

5.电磁换向阀固有频率
矿井提升机进行二级制动时，电磁换向阀将油路切换至二级制动油路，电磁
换向阀的固有频率阻碍了自身阀件的响应速度，在切换快慢阻碍了紧急制动中保压油压的成立，矿井提升机在进行一级制动时，在固定卷筒上的盘式制动器进行抱闸状态，同时在游动卷筒上的盘式制动器也要抱闸，电磁换向阀固有频率直接6.紧急制动油压值
液压系统提供的压力油操纵着制动力的转变，可对制动力矩进行有效合理的操纵，在碰到突发事件，进行紧急制动时，液压系统为游动卷筒上制动器所提供的油压值迅速减小至设定的紧急制动油压值，通过二级制动保压时刻，油缸内油压迅速减小至零，制动系统实施全制动，保证提升机正常运行，因此紧急制动油压值会对提升机的运行产生直接的阻碍。

7.其它阻碍因素
（1）制动盘偏摆矿井提升机的制动盘在运行前或运行中都会存在有偏摆的现象，主轴装置是许多个零部件装配起来的，因此造成制动盘偏摆超限的因素是多方面的，如加工时产生的误差、安装时的误差，和在运行中受力不均。

（2）制动盘端面跳动因为加工工艺的因素，会使制动盘的加工表面上产生划痕、沟壑等表面形状。

同时制动盘在寄存进程中，其摩擦表面会产生化学反映，造成制动盘的表面显现锈蚀现象。

（3）摩擦热提升机在制动进程中将系统的动能通过摩擦做功而转化为热能而耗散掉。

在制动进程中，盘式制动器产生的正压力使闸瓦挤压制动盘，从而产生的持续的摩擦热流使得它们接触表面温度迅速增大，而且制动时刻延长及频繁地制动会产生热衰退的现象，从而造成制动系统的制动性能会降低。

系统硬件部份
为了保障提升机紧急制动时快速、有效，知足制动性能要求，选择适合的传
感器相当重要。

闸间隙位移传感器
盘式制动器的闸瓦与制动盘之间的间隙应不大于2mm。

选用B－300型差动变压器式位移传感器测量闸间隙，测量范围为0－5mm，具有抗干扰能力强，传输距离远的特点，将4mA－20m A电流信号传输到操纵器。

压力传感器
采纳WP800B型压力传感器，测量范围为0－10MPa，输出范围为4mA －20mA，传感器采纳DC24V供电电源。

压力信号转化为电信号，传输到主控PLC，实现数字化显示与操纵爱惜。

液位传感器
采纳KYB19液位传感器检测油箱液位信号，测量范围为30mm－1500mm，输出范围为4m A－20m A，传感器采纳DC24V供电电源。

利用硅灵敏元件的压阻效应将液体静压转换为电阻信号，通过温度补偿和线性修正，将液位信号转换成电流信号传输到主控PLC。

操纵模块配置
作为该制动系统设计的重要部份，操纵系统模块选择西门子S7系列模块。

电源模块选择PS3072A；处置器模块选择S7－314；数字量输入模块选择SM321，16点输入；数字量输出模块选择SM322，16点输出；模拟量输入模块选择SM331，完成A/D信号转换。

声光报警装置
声光报警装置实现液压站油温高、油位太低等故障时的报警。

由报警蜂鸣器、指示灯、操纵继电器及相关操纵元件等组成，方便操作人员把握工作状况。

系统软件部份
主控程序设计。