河南工業(yè)和信息化職業(yè)學院 河南焦作 454000

礦 井提升機在煤礦生產(chǎn)中起著至關(guān)重要的作用，是煤礦生產(chǎn)的“咽喉要道”，它能否可靠運行直接關(guān)系到礦井的生產(chǎn)安全和礦工的生命安全[1]。盤式制動器是礦井提升機液壓制動系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分，在提升過程中起到重要作用[2]。制動正壓力是制動力矩產(chǎn)生的根本，利用碟簧座傳感器測量盤式制動器碟簧力是一種非常有效的監(jiān)測制動正壓力的方法[3-4]。提升機盤形閘由碟簧產(chǎn)生正壓力制動，靠油壓松閘[5-6]，碟簧在長期受壓和循環(huán)往復(fù)抱閘松閘時交變應(yīng)力的作用下必將產(chǎn)生不同程度的疲勞，剛度下降，造成制動正壓力不足，制動力矩減少[7]，給提升機的有效制動埋下安全隱患。提升機制動閘由多對盤形閘組成，每個閘的工作阻力等諸多因素的不同，造成碟簧疲勞程度也各不相同，因此對每個盤形閘的碟簧疲勞程度進行實時檢測診斷，可快速找出制動正壓力不足的故障閘，消除安全隱患，保證提升機安全運行。

1 常用檢測方法和存在問題

碟簧的疲勞程度是由碟簧的剛度表現(xiàn)出來的，碟簧發(fā)生了疲勞其剛度必然降低，最終表現(xiàn)為制動正壓力減小，松閘油壓相對降低。因此，常用實時檢測方法是在液壓油路中設(shè)置壓力表，用來間接判斷碟簧正壓力的變化，如圖 1 所示。

圖1 碟簧正壓力常用檢測法示意Fig.1 Sketch of common inspection methods for positive pressure of disc spring

該方法存在以下問題：

(1)不能真正判斷出碟簧的疲勞狀態(tài)，其原因是：壓力表顯示的是液壓站的設(shè)定壓力，松閘時，盤形閘工作液壓缸的推力Ft與碟簧的剛度K、碟簧的壓縮量Δ和運行阻力Fz存在如下關(guān)系，F(xiàn)t=ΔK+Fz；若碟簧發(fā)生疲勞，其剛度K減小，而油壓產(chǎn)生的推力Ft和運行阻力Fz不變，則碟簧的壓縮量Δ增加。因此，碟簧的疲勞通過壓力表是不能直接檢測的。

(2)當某個盤形閘碟簧疲勞時，不能診斷出該閘，其原因是：壓力表設(shè)置在總供油管路上，當某盤形閘碟簧疲勞時，液壓油迫使該閘首先動作，當?shù)杀粔嚎s到一定程度后，其余盤形閘才開始動作，最后所有盤形閘穩(wěn)定在全松閘狀態(tài)；這時壓力表顯示的為油路總油壓，該值并不隨碟簧剛度的變化而變化，更顯示不出該疲勞閘的松閘油壓。因此，不能對疲勞閘做出診斷。

2 系統(tǒng)組成及工作原理

2.1 系統(tǒng)組成

提升機盤形閘碟簧疲勞診斷系統(tǒng)主要由高靈敏度碟簧正壓力傳感器 CFBH、制動閘間隙傳感器、信號調(diào)理模塊 A11B11E、數(shù)據(jù)采集模塊 PCI8622、抗電磁干擾模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、工業(yè)控制計算機、測控組態(tài)軟件和直流電源等組成。

碟簧正壓力傳感器是根據(jù)盤形閘的規(guī)格而專門設(shè)計制作，并設(shè)置在每個盤形閘碟簧的端部，直接檢測碟簧的正壓力，傳感器的引線由盤形閘的排氣孔引出，傳感器的測量范圍為 0～ 10 T，輸入 10 VDC，信號輸出為 0～ 10 mV。

制動閘間隙傳感器采用的是高精度非接觸式電磁傳感器，用來監(jiān)測制動閘瓦每次制動前后的位移量，即制動前后碟簧的伸縮量。

信號調(diào)理模塊為 A11B11E，供電 +24 VDC，輸入 0～ 10 mV，輸出 0～ 10 V，其作用是將傳感器輸出的電壓信號放大，便于遠距離傳輸。

抗電磁干擾模塊是根據(jù)提升機供電環(huán)境而專門設(shè)計的，由于提升機的電動機采用 6 kV 高壓供電，而且多數(shù)還采用變頻調(diào)速，因此在提升機的周圍存在強大的電磁，嚴重干擾采集數(shù)據(jù)的真實性。

數(shù)據(jù)采集模塊采用 PCI8622，輸入 0～ 10 V，采樣速率 1 Hz～ 250 kHz/ s。

2.2 工作原理

提升機盤形閘碟簧疲勞診斷系統(tǒng)的工作原理是，碟簧正壓力傳感器置于盤形閘內(nèi)，碟簧的一端直接作用在傳感器的端面上，另一端作用于制動閘瓦的活塞上。碟簧正壓力傳感器在碟簧力的作用下將發(fā)生微小變形，從而迫使傳感器內(nèi)部電橋的電阻發(fā)生變化，其輸出的電壓隨之改變；制動閘間隙傳感器置于制動閘瓦上，傳感器至制動盤間的距離隨閘瓦的移動而改變，使得傳感器的輸出電壓隨之改變。兩傳感器輸出的電壓信號經(jīng)信號調(diào)理模塊處理和抗電磁干擾模塊隔離后轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏餍盘?，再由?shù)據(jù)采集模塊采集，數(shù)據(jù)處理模塊運算處理后提供給工業(yè)控制計算機，由計算機輸出檢測數(shù)據(jù)，如圖 2 所示。

圖2 檢測數(shù)據(jù)輸出結(jié)果Fig.2 Output inspection data

2.3 采集數(shù)據(jù)的分析處理

提升機盤形閘有 2 種工作狀態(tài)，即松閘和抱閘狀態(tài)。松閘時，泵站提供的高壓油推動活塞壓縮碟簧，并通過碟簧傳遞給碟簧正壓力傳感器，這時診斷系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)實際是液壓油的作用力，即工作油壓與活塞端面積之積。因此，該數(shù)據(jù)不能反映出碟簧彈性強度是否發(fā)生變化，不能作為斷定碟簧彈性的有效參數(shù)。

抱閘時，泵站提供的高壓油被解除 (只有少量殘壓)，壓縮的碟簧開始恢復(fù)，推動活塞向反方向移動，從而帶動制動閘瓦壓向提升機滾筒的制動盤，實現(xiàn)制動抱閘，這時的制動正壓力完全由碟簧提供，其大小和變化規(guī)律直接反映了碟簧彈性強度的變化。因此，抱閘時采集的數(shù)據(jù)是判斷碟簧疲勞與否的有效參數(shù)。

該診斷系統(tǒng)實時采集松閘和抱閘狀態(tài)的數(shù)據(jù)，其流程如圖 3 所示，將采集的數(shù)據(jù)按松閘和抱閘 2 種狀態(tài)分類，以 《煤礦安全規(guī)程》 規(guī)定的最大閘間隙 2 mm 時對應(yīng)的制動力矩為標準，折算出碟簧的剛度，并以此剛度作為標準，對抱閘狀態(tài)的碟簧正壓力、碟簧伸縮量等數(shù)據(jù)進行分析計算和判斷，繪制出抱閘狀態(tài)的碟簧正壓力和碟簧剛度曲線，進而斷定碟簧的疲勞程度。

圖3 碟簧疲勞診斷系統(tǒng)流程Fig.3 Process flow of fatigue diagnosis system for disc spring

該系統(tǒng)按每千次抱閘時碟簧剛度減小的最大值ΔK為參數(shù)，將碟簧疲勞程度分為輕度疲勞、中度疲勞和重度疲勞 (或碟簧斷裂)3 類，ΔK的值根據(jù)不同碟簧的型號而標定。碟簧輕度疲勞時，系統(tǒng)不報警，只顯示數(shù)據(jù)和曲線；中度疲勞時，系統(tǒng)發(fā)出黃色報警，提示要對盤形閘碟簧進行檢查和必要的更換；重度疲勞 (或碟簧斷裂)時，系統(tǒng)發(fā)出紅色報警，提示必須更換碟簧。

3 碟簧疲勞診斷系統(tǒng)的功能

(1)實時檢測每個盤形閘碟簧的正壓力大小，并由計算機顯示；

(2)對各閘每次松閘和制動的碟簧正壓力值進行儲存，便于分析碟簧疲勞的程度和數(shù)據(jù)瀏覽；

(3)可繪制每個盤形閘碟簧疲勞程度曲線，便于判斷碟簧剛度的變化；

(4)對碟簧剛度減小的最大值ΔK小于或等于標定的下限值時進行報警和語音提示；

(5)具有網(wǎng)絡(luò)接口，可實現(xiàn)遠程瀏覽。

4 結(jié)語

該提升機盤形閘碟簧疲勞診斷系統(tǒng)具有在線實時檢測每個盤形閘碟簧疲勞程度的功能，傳感器設(shè)置于盤形閘內(nèi)部，直接檢測碟簧的正壓力，不改變盤形閘的任何結(jié)構(gòu)和工況；傳輸信號為電流信號，受提升機房周圍的強電磁波干擾小，檢測數(shù)據(jù)準確；檢測系統(tǒng)對碟簧正壓力小于或等于設(shè)定的下限值時進行報警和語音提示，及時告誡司機和維修人員對該閘進行維修，消除安全隱患，保證提升機安全運行。