基于故障树的提升机盘形制动器故障分析

赵蜜云

(大同煤矿集团公司 煤峪口矿，山西　大同　037041)



基于故障树的提升机盘形制动器故障分析

赵蜜云

(大同煤矿集团公司 煤峪口矿，山西大同037041)

摘要通过分析矿井提升机盘形制动器的工作原理和常见故障类型，建立了由4个逻辑或门和8个底事件构成的盘形制动器失效的故障树，并进行了定性和定量分析。可以看出，8个底事件中任意一个发生，都必然引起顶事件发生；顶事件发生的概率为23.8%，系统可靠性较低，应当加强日常的维护与检修。针对分析结果，提出应主要从避免正压力不足和摩擦系数降低影响制动力矩两个方面预防和改进，具有一定的指导意义。

关键词提升机；盘形制动器；故障树；预防

矿用提升机是煤矿生产中必不可少的大型机械设备之一，其主要任务是完成煤炭的提升、人员的升降，是地面与井下联系的主要提升运输设备。近年来，随着科技的飞速发展，我国煤炭企业的自动化水平也有了较大程度的提高。深井提升、重载提升、高速提升以及自动化远程控制等技术都提高了提升机的自动化水平，但是也带来了新的安全问题。尤其是矿井提升机的制动系统，必须在自动化控制中具备最大负载可靠停止、紧急情况安全停止、断电时制动器及时运行有效停止等功能。矿井提升机的安全性和可靠性会对煤矿的效益和安全产生直接的影响，更是被形象的比喻为“矿山咽喉”。矿井提升机造成的事故在常见的煤矿机电设备事故占有较高的比例。因此，研究如何确保矿井提升机的安全稳定运行，提高其工作可靠性很有必要。

故障树分析法是针对某种具体故障，通过逐层向下建立可能导致故障的各种因素的逻辑关系进行分析的一种方法。本文利用故障树分析法对矿井提升机盘形制动器常见故障进行了分析，通过分析，寻找导致输送带故障的原因提出改进措施。同时，实现直观展现故障原因、方便查询故障类型、加强日常检查力度、加快故障维修效率等实际目标，作为实践工作的指导。

1矿井提升机盘形制动器

现在大多数新型矿井提升机的制动系统中都使用了盘形制动器，与轮式制动器相比，盘形制动器具有结构紧凑、动作灵敏、重量轻便、散热迅速等特点。

盘形制动器通过盘形弹簧的压缩变形产生制动力。同时，由于主轴没有附加力，保证了除弹簧压缩变形外没有其他附加变形。盘形制动器工作原理示意图见图1.

图1中，F1是油压力，F2是弹簧压缩力。当注入压力油的时候，油压力F1>弹簧压缩力F2，活塞向后移动压缩弹簧，闸瓦与制动盘之间的间隙△>0，制动器处于松闸状态；反之，油压力F1<弹簧压缩力F2，闸瓦与制动盘之间的间隙△=0，闸瓦与制动盘接触，制动器保持制动状态。

2常见的盘形制动器故障类型

盘形制动器的大部分故障都是不能按照规定完成制动任务，或者制动效果达不到规定要求。通常把盘形制动器的故障分为制动失效和松闸失效两大类。

2.1盘形制动器制动失效故障分析

制动力矩的产生是靠闸瓦沿轴向从两侧压向制

图1　盘形制动器制动与松闸状态原理分析示意图

动盘的，其计算公式如下：

M=2μNRn

(1)

式中：

M—制动力矩，N·m；

N—正压力,N；

R—半径,m；

n—闸瓦个数；

μ—摩擦系数。

根据式(1)可以看出，导致制动力矩不足的主要原因有两个：一个是摩擦系数的降低，另一个是正压力的不足。

在导致制动力矩不足的两个原因中，摩擦系数降低是主要因素。根据相关文献资料以及现场试验数据可知，摩擦系数降低主要是由于闸盘表面被油污污染或者接触面发生变形引起的。导致油污污染的主要原因有：油缸漏油、油管开焊或接头松动导致漏油、液压缸内活塞密封圈老化未及时更换等；导致接触面变形的主要原因是工作温度过高造成闸瓦过热而烧流或者变焦。另外，摩擦系数的大小与物体运动速度有关，当提升机高速运行时，摩擦系数会降低，一旦出现紧急情况，可能会产生严重的后果，甚至造成重大事故。

正压力不足主要是由4个因素造成的：1) 弹簧刚度不足。弹簧由于反复的拉伸和压缩，其弹性会有所降低，造成刚度不足。2) 闸瓦间隙增大。随着制动器不断使用磨损，闸瓦间隙会变大，使得正压力变小。3) 综合阻力增大。由于制动器在使用过程中密封圈老化，压力油被污染等导致阻力变大。4) 工作腔残压增大。由于油质被污染或者油路堵塞，油液不能完全回到油箱，增大了工作腔内的压力，制动力矩就会下降。

2.2盘形制动器松闸失效故障分析

造成盘形制动器松闸失效故障的原因主要有：回油缓慢、液压缸配合过紧、运动机构卡死。

3基于故障树的盘形制动器故障分析

3.1故障树的建立

通过分析盘形制动器故障类型和故障原因，建立了故障树。顶事件就是盘形制动器故障。因为制动失效是主要故障，而且造成事故危害较大，因此，对其着重分析。导致制动失效的主要原因是摩擦系数降低和正压力不足。继续向下分析导致摩擦系数降低和正压力不足的原因，最终建立了具有4个逻辑或门、8个底事件的盘形制动器失效的故障树，见图2.

图2　盘形制动器失效的故障树图

3.2故障树定性分析

对图2所示盘形制动器失效的故障树进行定性分析，求该故障树的最小割集，通过最小割集判断相关底事件的重要程度。求解过程见式(2).

T=M1+x1= M2+M3+x1=

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

(2)

式中：

T—顶事件；

M—中间事件；

x—底事件。

通过式(2)可知，在该故障树中，导致顶事件必然发生的底事件有8个，分别为{x1}、{x2}、 {x3}、 {x4}、 {x5}、 {x6}、 {x7}、 {x8}.在这8个集合中，只要任一个发生，都必然引起顶事件发生。

3.3故障树定量分析

故障树的定量分析主要是通过计算求得顶事件发生的概率。通过查阅相关手册和文献资料，得到图2事故树中各底事件发生的概率，见表1.

表1　盘形制动器故障因素的发生概率表

由于故障树中各个底事件为独立事件，根据独立事件顶事件概率的求法见式(3)，最终可以求得盘形制动器发生故障的概率为：P(T)= 0.238≈23.8%.

P(T)=1-Π(1-qi)

(3)

式中：

P(T)—顶事件发生概率；

qi—底事件发生概率。

3.4预防及改进措施

通过故障树分析法，对盘形制动器故障进行了定性分析和定量分析，以分析结果为依据，在以后的日常检修与保养中，应当做好预防和改进工作：

1) 为了避免正压力不足影响制动力矩，要重点注意闸瓦间隙、残压值、油压值是否处于正常状态。

2) 为了避免摩擦系数降低影响制动力矩，要重点注意及时更换磨损或者损坏的闸瓦和液压元件。定期检查液压系统和管路，防止出现堵塞、漏油等现象。

3) 要加强闸瓦贴闸能力的检查，确保其保持在最佳状态。

4) 可以通过安装自动监控系统实时监测制动器工作状态，以便及时发现故障，避免事故的发生。

4总结

1) 分析了矿井提升机盘形制动器的工作原理和常见故障类型。确定了由4个逻辑或门和8个底事件构成的盘形制动器失效的故障树。

2) 对故障树进行了定性分析和定量分析。通过分析可知，8个底事件只要任一个发生，都必然引起顶事件发生；顶事件发生的概率为23.8%，系统可靠性较低，应当加强日常的维护与检修。

3) 针对分析结果，提出了预防措施，特别从避免正压力不足和摩擦系数降低影响制动力矩两个方面提出建议，具有一定的指导意义。

参考文献

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·问题探讨·

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Analysis on the Failure Reason of

Hoist Disc Brake Based on Fault Tree

ZHAO Miyun

AbstractBy analyzing the working principle and common type of faults of mine hoist disc brake, the fault tree is established which composes by four logic OR gates and eight basic events, and carries out the qualitative and quantitative analysis. It can be seen that the every of eight basic events will inevitably lead to the top of the event. The probability of top event is 23.8%, the system reliability is lower, should strengthen routine maintenance and repair. According to the analysis results, puts forward should prevent and improve from two aspects of which avoid the insufficient positive pressure and the friction coefficient decreased effect braking torque. It has some guidance significance.

Key wordsHoist; Disc brake; Fault tree; Prevention

中图分类号：TD534+.5

文献标识码：B

文章编号：1672-0652(2015)05-0050-03

作者简介：赵蜜云(1975—)，女，山西怀仁人，2011年毕业于太原科技大学，工程师，主要从事煤矿机电技术工作

收稿日期：2014-03-14