徐桂云 张晓光

（中国矿业大学机电工程学院 江苏徐州 221116）

1 问题的提出

2016 年10 月1 日施行的《煤矿安全规程》[1]第425条规定“安全制动必须有并联冗余的回油通道”，目前使用的满足该条规定的提升机“并联冗余”恒力矩液压站存在下列问题：（1）还有安全制动通道上仅设置一个电磁换向阀不冗余；（2）错误采用并联，不仅不能实现冗余，而且存在安全制动失效概率增加一倍的隐患。

“并联”不等于“冗余”，“并联”和“冗余”是两个不同的概念，“冗余”是实现的目标，“并联”只是实现冗余的一种方法，还没有文献对“并联冗余”进行解释，突破“并联冗余”的误区，探索实现冗余方法，研制安全制动通道全冗余的提升机恒力矩制动液压站。

2 采用“并联”改造的恒力矩液压站存在的问题

《煤矿安全规程》[1]427条规定：各类提升机的制动装置发生作用时，提升系统的安全制动减速度，必须符合表1要求。

表1 提升系统安全制动减速度规定值

注：Ac=g( )sinθ+fcosθ

式中：Ac—自然减速度，m·s-2；

g—重力加速度，m·s-2；

θ—井巷倾角，°；

f—绳端载荷的运行阻力系数，取0.010～0.015。

文献[2]中规定：恒力矩液压站应具有可调整的二级制动性能，即一级制动油压p1和一级制动油压作用时间t1均可根据需要调整，二级制动中一级制动油压冲击值Δp2不得大于0.3 MPa，一级制动油压p1在作用时问t1内，下降值Δp1不得大于pmax的5%，见图1。

图1 二级制动油压变化曲线

说明：

p—油压，MPa；

t—时间，s；

p1—二级制动中一级制动油压，MPa；

Δp1—二级制动中一级制动油压下降值，MPa；

Δp2—二级制动中一级制动油压冲击值，MPa；

t0—二级制动中油压从pmax下降到一级制动油压的时间，s；

t1—二级制动中一级制动油压延时的时间，s。

文献[3]中的 B157、TE131、TY1-D/S 等提升机恒力矩液压站的工作原理图如图1 所示，液压元件工作状态见表1，这是2016《煤矿安全规程》施行之前国内煤矿广泛使用的液压站，下面叙述实现安全制动的功能，假设工作油压pmax=5 MPa，第一级制动油压p1=3 MPa，减压阀调定油压为2.8 MPa，当提升机系统发生故障需实现安全制动，电机断电油泵1 的停止供油，比例溢流阀2断电，A管制动器8中的压力油从电磁换向阀G3 断电换到左位回油箱，A 管制动器8 快速制动。根据提升容器所处位置实施井中、井口安全制动，1）当提升容器位于井中，滚筒全速转动，实现井中二级安全制动，类似汽车ABS防抱死制动，B管制动器7的压力油经过电磁换向阀G4 断电换到左位与溢流阀3 和蓄能器6 导通，由溢流阀3 溢流回油箱，使B 管制动器7成为闭合回路并维持第一级制动油压3 MPa，延时时间t1小于等于10 s，在延时过程中，蓄能器6起稳压作用，第一级制动油压3 MPa基本不变，施加第一级力矩制动，实现井中第一级安全制动；延时时间结束，B 管制动器8 的压力油经过两个并联冗余的电磁换向阀G5、G6同时断电换到左位回油箱，使油压迅速降到零，施加总力矩制动，实现井中第二级安全制动；2）当提升容器位于井口，滚筒已减速，为避免过卷解除二级制动，B管制动器7的压力油，一路经过电磁换向阀G4断电换到左位和电磁换向阀G6断电换到左位流回油箱，另一路电磁换向阀G5断电换到左位流回油箱，施加总力矩迅速制动，实现井口一级安全制动。

图2 恒力矩液压站的工作原理图

表2 液压元件工作状态

图2 所示恒力矩液压站能完成安全制动功能，只是还有安全制动通道上仅设置一个电磁换向阀不冗余，安全制动时电磁换向阀是瞬间换位，出现换位故障的可能性很大，导致安全制动失效的概率也很大，根据《煤矿安全规程》第425 条“安全制动必须有并联冗余的回油通道”的规定进行改造，主要有下列两种改造方式，都还存在通道不冗余的安全隐患。

2.1 安全制动通道上仅设置一个阀不冗余实现了安全制动并联回油箱的通道冗余

文献[4-6]在图2中通往B管制动器7和A管制动器8的管路上并联电磁换向阀如图3 所示，怎样才能称为并联冗余？在一条通道上并联的两个阀在任一个出现故障的情况下，仍能完成本次安全制动，称为通道的并联冗余。以图3所示井中二级制动的第一级安全制动状态为例说明，并联的两个电磁换向阀G3、G7任一个出现故障，假设在电磁换向阀G3 出现故障情况下，A管制动器8 的压力油，虽经电磁换向阀G3 不导通，但经过电磁换向阀G7断电换到左位回油箱，完成快速制动功能，称为A 管制动器8 和油箱的通道实现了并联冗余；B管制动器7与比例溢流阀2、溢流阀3的通道仅设置一个电磁换向阀G4 不冗余，B 管制动器7 的压力油经过故障的电磁换向阀G4 右位和断电的比例溢流阀回油箱，B管制动器7错误地进行了快速制动，施加全力矩快速制动，井中全速转动的滚筒闸盘突然快速抱死，可能导致多绳摩擦式滑绳或单绳缠绕式断绳事故，原因是井中第一级制动油压p1，正确的是等于3 MPa 并维持一段时间施加第一级制动力矩制动，但错误地变为了瞬间等于零施加全力矩快速制动，没有完成井中二级制动的第一级安全制动的功能，导致井中二级安全制动失效。

图3 安全制动通道上仅设置一个阀不冗余

2.2 错误采用并联存在安全制动失效概率增加一倍的隐患

文献[7]在图2 的基础上采用“并联”方法设计了如图4所示的液压站，并授权了实用新型专利，下面分析它存在的安全隐患，图4 所示状态是井中第一级安全制动，两个电磁换向阀G4和G8并联，不仅不能实现冗余，而且井中第一级安全制动失效的概率增加一倍。并联的两个电磁换向阀G4、G8任一个出现故障，假设在电磁换向阀G8 出现故障情况下，B 管制动器7 的压力油经过故障的电磁换向阀G8 右位和断电的比例溢流阀回油箱油压为零，施加全力矩快速制动，没有完成井中第一级安全制动的功能，导致井中安全制动失灵。电磁换向阀G4换位正确，若仅设置一个电磁换向阀G4，不会导致井中安全制动失灵，因为是多并联的电磁换向阀G8 出现故障，导致井中安全制动失灵，所以错误地并联了电磁换向阀G8，存在井中安全制动失效概率增加一倍的隐患。

图4 错误采用并联存在安全制动失效概率增加一倍的隐患

图4所示的液压站是现在国内煤矿广泛使用的液压站，《煤矿安全规程》第425条规定“安全制动必须有并联冗余的回油通道”，一部分是根据该条规定对图2所示的原有液压站改造设计[8-9]，另一部分是根据该条规定新设计制造[7]，两个电磁换向阀G4 和G8 并联，不仅没有实现冗余，而且井中第一级安全制动失效的概率，比图3所示仅有一个电磁换向阀G4的失效的概率增加一倍。但是图3 所示液压站并不是安全可靠，存在安全制动通道上仅设置一个阀不冗余的隐患。

安全制动通道冗余的概念理解为，一个通道上设置同时动作的两个电磁换向阀，任一个电磁换向阀出现故障，仍能完成本次安全制动的功能，迫切需要研制安全制动通道全冗余的恒力矩液压站。

3 提升机安全制动通道全冗余的恒力矩液压站的研制

研制的提升机安全制动通道全冗余的恒力矩液压站已授权发明专利[10]，工作原理如图5所示，液压元件工作状态见表3。对图4 所示电磁换向阀G4 所在通道进行分析，电磁换向阀G4 是二位三通，正常工作开闸通电时处于右位实现B 管制动器7 与泵、比例溢流阀导通，安全制动时断电处于左位实现B管制动器7与溢流阀3、蓄能器4导通，同时B管制动器7与断电的泵1、比例溢流阀2阻断，使B管制动器7成为闭合回路并维持第一级制动油压。按照安全制动的通道冗余要求设计如图5所示液压站，创新设计思想是：一条通道要导通采用两个并联的电磁换向阀连接实现并联冗余导通，一条通道要阻断采用串联的两个电磁换向阀连接实现串联冗余阻断，B 管制动器7 与溢流阀3、蓄能器4的通道上采用两个电磁换向阀G4、G8并联冗余导通，B管制动器7与断电的泵1、比例溢流阀2的通道上采用两个电磁换向阀G4、G9串联冗余阻断。

图5 提升机安全制动通道全冗余的恒力矩液压站

下面叙述安全制动通道全冗余情况，电磁换向阀均有阀位监测功能，监测到换位故障能报警或闭锁下次开车。A管制动器8实现安全制动冗余，A管制动器8通过并联的两个G3、G7电磁换向阀与油箱实现并联冗余导通，两个电磁换向阀G3、G7 任一个出现故障，假设断电的电磁换向阀G3 出现未换到右位的故障如图5 所示，由断电的电磁换向阀G7 换到右位仍导通，完成A 管制动器8 快速制动的功能。B 管制动器7 根据提升容器所处位置实施井中、井口安全制动，（1）实现井中第一级安全制动冗余，B管制动器7通过串联的两个电磁换向阀G4、G9 使B 管制动器与断电的泵1、比例溢流阀2 实现串联冗余阻断，两个电磁换向阀G4、G9任一个出现故障，假设断电的电磁换向阀G9出现未换到右位的故障如图5 所示，由断电的电磁换向阀G4换到右位仍阻断，使B管制动器7成为闭合回路保压，同时B 管制动器通过并联的两个电磁换向阀G4、G8 与溢流阀3、蓄能器6 实现并联冗余导通，两个电磁换向阀G4、G9任一个出现故障，假设断电的电磁换向阀G8出现未换到右位的故障如图5所示，由断电的电磁换向阀G4 换到右位仍导通，B 管制动器7 的压力油由溢流阀3溢流回油箱，由蓄能器6维持第一级制动油压3 MPa 基本不变，延时时间t1小于等于10 s，全部制动器施加第一级力矩制动，完成井中第一级安全制动的功能。（2）实现井中第二级安全制动冗余，延时时间结束后，B 管制动器通过并联的两个电磁换向阀G5、G6 与油箱实现并联冗余导通，两个电磁换向阀G5、G6任一个出现故障，假设断电的电磁换向阀G5出现未换到左位的故障，由断电的电磁换向阀G6换到左位仍导通，施加总力矩制动，完成井中第二级安全制动的功能。（3）实现井口一级安全制动冗余，B 管制动器通过并联的两个5电磁换向阀G5、G6与油箱实现并联冗余导通，两个电磁换向阀G5、G6 任一个出现故障，假设断电的电磁换向阀G5出现未换到左位的故障，由断电的电磁换向阀G6 换到左位仍导通，同时G4、G9电磁换向阀通电使B 管制动器与比例溢流阀导通回油，施加总力矩制动，完成井口一级安全制动的功能。

4 结论

本文分析了目前广泛使用的采用“并联”方法改造和设计的一种提升机恒力矩液压站，错误采用并联，不仅不能实现冗余，存在安全制动失效概率增加一倍的隐患。本文应用的创新设计思想是：一条通道要导通采用两个并联的电磁换向阀连接实现并联冗余导通，一条通道要阻断采用串联的两个电磁换向阀连接实现串联冗余阻断，研制了提升机安全制动通道全冗余的恒力矩液压站，即使在每条通道都有一个电磁换向阀出现故障的情况下，仍能完成本次安全制动的功能，同时监测到电磁换向阀的换位故障报警或闭锁下次开车，大大提高了提升机安全制动的可靠性，在煤矿已广泛推广应用。