CN106115533B - 一种矿井提升机专用音圈电机传动的盘形制动器装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及矿用提升机领域，具体为一种矿井提升机专用音圈电机传动的盘形制动器装置，解决现有矿井提升机上盘形制动器存在诸多缺陷的问题，包括制动器壳体及盘形制动闸，制动器壳体内部一端装配有筒体，筒体与盘形制动闸固定，筒体内贯穿设置连接轴，连接轴上装有蝶形弹簧；制动器壳体另一端装配有音圈直线电机及电气控制装置，音圈直线电机与连接轴连接，电气控制装置是由可编程控制器、伺服控制器、PWM放大器及光栅传感器构成。控制容易，精度提高，成本降低，尤其是将液压站及其管路装置去掉，减少了设备占用空间，减少了安装工作量，极大地提高生产效率，便于数字化、自动化、网络化、智能化控制，具有很好的经济价值及使用价值。

Description

一种矿井提升机专用音圈电机传动的盘形制动器装置

技术领域

本发明涉及矿用提升机领域，具体为一种矿井提升机专用音圈电机传动的盘形制动器装置。

背景技术

盘形制动器是矿井提升机设备系统工作及安全的重要关键部件，它的构成与作用是：

1、构成：

盘形制动器和液压站、管路系统、液压站电控柜、测速装置配套组成一套完整的制动系统。适用于矿井提升机、矿用提升绞车及其它提升设备，作工作制动和安全制动之用。现有矿井提升机用盘形制动器是靠碟形弹簧产生制动力，用油压解除制动，制动器的制动力是沿轴向作用的。盘闸制动器的制动力矩是闸瓦沿轴向压制动盘时产生的摩擦力矩，为了使制动盘不产生附加变形，主轴不承受附加轴向力，盘闸都成对使用，每一对叫做一副制动闸。

2、盘形制动器的作用：

1) 、在提升机正常操作中，参与提升机的速度控制，在提升终了时可靠地闸住提升机，即通常所说的工作制动；

2) 、当发生紧急事故时，能迅速地按要求减速，制动提升机，以防止事故的扩大，即安全制动；

3) 、在减速阶段参与提升机的速度控制；

4) 、对于双卷筒提升机，在调节绳长、更换水平及换钢丝绳时，应能分别闸住提升机活卷筒及死卷筒，以便主轴带动死卷筒一起旋转时活卷筒闸住不动(或锁住不动)；

3、矿井提升机对盘形制动器装置的要求：

一是制动器必须给出一个恰当的制动力矩以满足矿井提升机减速度及停车的要求；

二是安全制动必须能自动、迅速和可靠地实现。安全制动根据配置液压站的不同又可分为恒力矩二级制动及恒减速制动两种实现方式。

恰当的制动力矩包括三方面含义：

1) 、制动力矩应足够大。例如，对于竖井和倾角30度以上的斜井，工作制动和安全制动的制动力矩不得小于提升系统最大静负荷力矩的三倍。

2) 、双卷筒提升机打开离合器调绳时，制动装置在各卷筒上产生的制动力矩不得小于该卷筒所悬挂提升容器和钢丝绳重力造成的静力矩的1.2倍。

3) 、制动力矩的数值必须保证安全制动减速度在一定范围内，过大的减速度会对提升设备产生较大动负荷，对设备及运载人员健康不利，过小的减速度则不能及时制止事故的发生或扩大。

由以上可知，盘形制动器是矿井提升机安全运行中不可缺少且非常重要的关键部件。我国矿井提升机现应用的制动器有块式闸和盘形闸两大类，块式闸由于其调节性能差及安全性极低原因已被国家强制淘汰《见国家安全监管总局国家煤矿安监局关于发布禁止井工煤矿使用的设备及工艺目录（第三批）的通知》，现在正常使用的都是机械盘形闸。其制动力的大小变化可以通过调节制动系统配套液压站的油压高低来实现，液压站上的电液调压装置控制油压的变化，而电液调压装置在手动操作方式时用操作台上的制动手把控制，在全自动化提升时受电气控制系统的闭环控制。当提升机在提升过程中因突发事件需要紧急制动时，制动系统油压值很快降到预先设定的某一值，延时预定的时间后，油压迅速降至零，即Ｐ＝０，此时制动器在制动盘上作用有最大的正压力Ｎ，闸瓦与制动盘之间的摩擦力是提升系统的最大制动力，提升机处于安全制动状态。为保证制动器正常工作，在盘形制动器上设有闸瓦磨损保护指示器和碟簧疲劳指示器。在使用过程中，一旦发生闸瓦磨损量超过规定值或碟簧疲劳断裂时，故障讯号会立即反馈到电控保护回路，在完成本次提升后，如不调节闸瓦间隙或更换碟簧，则提升机电控会闭锁下次运行。

因此本发明是为了解决现有矿井提升机液压传动盘形制动器制动闸配套必须配置液压站及通油管路、油污染不环保、噪声高、故障率高、维修不方便、精度低、难以精确自动化控制、难以通讯及远程监控等智能控制、油缸等加工工件占用机床时间过长、生产效率低、成本高等液压传动共性问题，

但现有盘形闸由于是液压传动必须配套液压站使用，而液压站由于存在占地面积大、管路多、噪音高、漏油频繁、维修不易、控制繁琐、故障率高、精度低、难以精确自动化控制、难以通讯及远程监控等智能控制、油缸等加工工件占用机床时间过长、生产效率低、成本高等液压传动共性问题，属于非绿色环保性能较低的技术，而技术性能较高的恒减速盘形闸制动系统主要使用的是瑞典ABB，德国西玛格等品牌，它们价格昂贵，且也有液压传动非绿色环保带来的一些缺点，并且只用于大型提升机上。因此开发一种既满足原盘形制动闸机械动作原理，又将控制盘形闸的液压传动改为更加绿色智能控制，更加先进，便于控制及保护调试且较经济的多重优点的电气传动的通用盘形制动闸很有必要。目前，电气传动的盘形闸在非矿井提升机领域已经有电磁制动器和磁粉制动器等几种装置在应用，但是在实际使用中分别存在一些缺陷，比如电磁制动器不能连续调节制动力，磁粉制动器不能直线位移运动，且两者体积太大，均不能满足盘形制动闸体积小、重量轻、连续调节制动力、响应时间快及响应精度高的要求。

发明内容

本发明为了解决现有矿井提升机上盘形制动器存在上述缺陷的问题，提供一种矿井提升机专用音圈电机传动的盘形制动器装置。

本发明是采用如下技术方案实现的：一种矿井提升机专用音圈电机传动的盘形制动器装置，包括制动器壳体及盘形制动闸，制动器壳体内部一端装配有筒体，筒体外端面与盘形制动闸固定，筒体内贯穿设置连接轴，连接轴上装有蝶形弹簧；制动器壳体另一端装配有至少一台音圈直线电机及其电气控制装置，音圈直线电机的动力输出端与连接轴连接。

上述结构中，本发明将矿井提升机盘形制动器与音圈直线电机有机结合在一起，利用音圈直线电机传动的盘形制动闸执行蝶形弹簧施闸，音圈直线电机驱动松闸的工作原理，盘形制动闸的最大制动力取决于蝶形弹簧的制动力，音圈直线电机的最大工作力取决于音圈直线电机动子管状线圈通电电流的大小，二者在工作过程中互为负载，互为工作力，若二者力一致，则系统维持在一个固定平衡状态。由于音圈直线电机具有零磁滞、零磁槽效应，高响应，高精度，高加速，高速度，力特性好，控制方便，体积小和分辨率无限小等优点，特别适合用于短行程的闭环伺服应用，并且它体积小，也特别适合用在一些狭小的空间；它响应速度快（毫秒级），本身重量小，因而可以达到很高的加速度，可以做高速振荡往复运动（可达几十赫兹）；控制简单可靠，无需换向装置，免维护，长寿命，可以长期连续工作。本发明盘形制动闸的工作行程要求就是5mm左右，最大设计行程不超过20mm，且制动闸的安装空间有限，一般的电气传动装置不能满足以上两个要求，而音圈直线电机由于它具备了以上描述的特性正好满足了电气传动盘形制动闸的需求。

优选地，音圈直线电机结构包含电机套筒，电机套筒内一端固定有纵截面呈E型的强磁性圆柱，强磁性圆柱内壁周圈固定有永磁磁铁，电机套筒内另一端设有与强磁性圆柱相互配合的线圈组外壳，线圈组外壳外部周圈设有管状线圈，管状线圈与永磁磁铁位置相互对应，上述结构中，强磁性圆柱和永磁磁铁构成音圈电机定子，线圈组外壳和管状线圈构成音圈电机动子。永磁磁铁建立一个固定的磁场，当带有线圈的动子元件处在固定磁场中，就会受力，产生力的大小与线圈通电电流成正比，动子元件可以根据工艺要求以任何满足工艺要求的结构制造，也可以连接上需要的装置来满足工艺需求。

优选地，音圈直线电机的动力输出端通过制动推杆及滑套与连接轴连接，其中音圈电机动子的线圈组外壳外端部中心位置开设螺纹孔，制动推杆一端与螺纹孔螺纹连接，另一端与连接轴连接，滑套装配于制动推杆上。音圈电机动子在其外端部加工一个螺纹孔，以方便与外部制动推杆相连，制动推杆再与被控对象相连，以实现传动要求。制动推杆通过滑套及音圈直线电机动子起着连接蝶形弹簧及音圈电机动力装置的作用。

优选地，制动器壳体一端内部活动装配有压座，音圈直线电机的电机套筒端面与压座外侧端面的中心凸台固定，压座内侧端面设有与蝶形弹簧配合的弹簧定位垫圈；压座外侧端面周圈与制动器壳体内壁之间设有调整螺母，调整螺母与制动器壳体螺纹配合连接。调整螺母作为调整预压力用，它与制动器壳体为螺纹连接，用专用大扭矩扳手工具可旋转它，顺时针旋转它，它会将作用力传给弹簧定位垫圈，当作用力大于弹簧力后，蝶形弹簧压缩，使压座朝制动盘方向位移，音圈直线电机也随之一起移动。根据胡克定律，蝶形弹簧压缩的越多，则蝶形弹簧对制动盘的正压力就越大，蝶形弹簧压缩的越少，则蝶形弹簧对制动盘的正压力就越小，根据不同的矿井提升机可以预置不同的起始正压力及贴闸正压力。

优选地，音圈直线电机配置有隔磁装置。

优选地，制动推杆中间外部设有六方螺母状凸台，六方螺母状凸台方便用扳手对制动推杆进行紧固及旋松工作，从而方便调整滑套、压座的位置以及音圈直线电机动子的起始位置。

优选地，音圈直线电机自带有RS485通讯接口。可以将音圈电机的实时运行信号上传到上一级服务器，实现了盘形制动器制动电流及制动闸行程远程监控的功能。

优选地，音圈直线电机配备有不间断电源UPS。以满足矿山停电状态下盘形制动闸制动的要求，为了防止断电后，由于电机不输出力矩而造成弹簧力一次全压加在制动器上，造成减速度过大，对提升机主机及提升机钢丝绳冲击过大，影响设备寿命及安全隐患，需要对音圈直线电机供电延时断电，延时时间最少保证10秒。

优选地，音圈直线电机的电气控制装置是由可编程控制器、伺服控制器、PWM放大器及光栅传感器构成，可编程控制器的控制端与伺服控制器的输入端连接，伺服控制器的输出端与PWM放大器的信号输入端连接，PWM放大器的信号输出端与音圈直线电机的控制输入端连接，光栅传感器的信号采集端与音圈直线电机的信号输出端连接，光栅传感器的信号输出端与伺服控制器的输入端连接。可编程控制器控制音圈电机的伺服控制器再经PWM放大器将信号送到音圈电机的信号输入端，使音圈直线电机按照制动闸的控制要求来进行工作，为了精度更高，采用光栅传感器对其工作情况进行反馈处理，以保证制动闸的工作精度。它们是矿井提升机专用音圈直线电机传动的盘形制动器装置工作的核心控制部分。

本发明是利用音圈直线电机传动原理、可编程控制器技术及最新网络通讯技术而设计发明的一种全新原理及全新传动结构的全新型矿井提升机盘形制动器装置，它通过将提升机盘形制动器的实际工艺路线及控制要求集成到可编程控制器的程序中去，可编程控制器控制音圈电机的伺服控制器再PWM放大器将信号送到音圈直线电机的控制输入信号，使音圈直线电机按照制动闸的控制要求来进行工作，为了精度更高，采用光栅对其工作情况进行反馈处理，以保证制动闸的工作精度。本发明保留了原液压传动盘形制动闸弹簧机械制动执行器件工作可靠等的优点，同时将盘形制动器繁琐的液压传动驱动装置变更为更加灵巧、更加智能的电气传动装置，其控制容易，精度提高，成本降低，尤其是将液压站及其管路装置去掉，减少了设备占用空间，减少了安装工作量，且由于新装置是电气装置故制作时间大大减少，现场改造及安装时间也大大减少，提高了设备的生产效率，并且音圈直线电机便于实现智能控制，可以通过音圈直线电机的通信接口将盘形制动器实时运行情况远程监控，这样就能实现用智能传动改造传统机械传动的目的。

总之，本发是由可编程控制器控制、音圈直线电机传动、具备网络通讯的全新智能电气传动结构的一种音圈直线电机传动的最新一代盘形制动器装置，它能极大地提高生产效率，便于数字化、自动化、网络化、智能化控制，是一款新型绿色产品，省掉了液压站、油缸等机械装置，具有很好的经济价值及使用价值。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为图1中音圈直线电机的结构示意图；

图3为本发明所述制动推杆的结构示意图；

图4为图3的侧视图；

图5为本发明所述音圈直线电机的电气控制原理图；

图中：1-制动器壳体；2-盘形制动闸；3-筒体；4-连接轴；5-蝶形弹簧；6-音圈直线电机；7-音圈电机定子；8-音圈电机动子；9-制动推杆；10-滑套；11-螺纹孔；12-压座；13-弹簧定位垫圈；14-调整螺母；15-六方螺母状凸台；16-可编程控制器；17-伺服控制器；18-PWM放大器；19-光栅传感器；20-电缆；21-压板；

6.1-电机套筒；6.2-强磁性圆柱，6.3-永磁磁铁，6.4-线圈组外壳，6.5-管状线圈，6.6-固定工作间隙。

具体实施方式

一种矿井提升机专用音圈电机传动的盘形制动器装置，如图1所示，包括制动器壳体1及盘形制动闸2，制动器壳体内部一端装配有筒体3，筒体外端面通过压板21、螺栓与盘形制动闸固定，筒体内贯穿设置连接轴4，连接轴上装有蝶形弹簧5；制动器壳体另一端装配有至少一台音圈直线电机6及其电气控制装置，音圈直线电机的动力输出端与连接轴4连接。

如图1、2所示，音圈直线电机6结构包含电机套筒6.1，电机套筒内一端固定有纵截面呈E型的强磁性圆柱6.2，强磁性圆柱内壁周圈固定有永磁磁铁6.3，电机套筒内另一端设有与强磁性圆柱相互配合的线圈组外壳6.4，线圈组外壳外部周圈设有管状线圈6.5，管状线圈与永磁磁铁位置相互对应，上述结构中，强磁性圆柱和永磁磁铁构成音圈电机定子7，线圈组外壳和管状线圈构成音圈电机动子8。

如图1、3、4所示，音圈直线电机的动力输出端通过制动推杆9及滑套10与连接轴4连接，滑套初始位置与电机套筒端面之间有5mm间隙，其中音圈电机动子的线圈组外壳6.4外端部中心位置开设螺纹孔11，制动推杆一端与螺纹孔螺纹连接，另一端与连接轴连接，滑套10装配于制动推杆上，制动推杆9中间外部设有六方螺母状凸台15。

制动器壳体1一端内部活动装配有压座12，音圈直线电机的电机套筒6.1端面与压座外侧端面的中心凸台固定，压座内侧端面设有与蝶形弹簧5配合的弹簧定位垫圈13；压座外侧端面周圈与制动器壳体内壁之间设有调整螺母14，调整螺母与制动器壳体螺纹配合连接。

如图5所示，音圈直线电机的电气控制装置是由可编程控制器16、伺服控制器17、PWM放大器18及光栅传感器19构成，可编程控制器的控制端与伺服控制器的输入端连接，伺服控制器的输出端与PWM放大器的信号输入端连接，PWM放大器的信号输出端与音圈直线电机的控制输入端连接，光栅传感器的信号采集端与音圈直线电机的信号输出端连接，光栅传感器的信号输出端与伺服控制器的输入端连接。音圈直线电机自带有RS485通讯接口；音圈直线电机配置有隔磁装置；音圈直线电机配备有不间断电源UPS。

音圈直线电机传动的盘形制动器装置的工作原理：

音圈直线电机传动的盘形闸执行蝶形弹簧施闸，音圈直线电机驱动松闸的工作原理。盘形制动闸的最大制动力取决于蝶形弹簧的制动力，音圈直线电机的最大工作力取决于音圈直线电机动子管状线圈通电电流的大小。二者在工作过程中互为负载，互为工作力，若二者力一致，则系统维持在一个固定平衡状态。

当给音圈直线电机的管状线圈通电后，线圈组外壳即动子元件有电流流过，在永磁磁场的作用下，就会使音圈直线电机动子受力，向右运动，与其连接的制动推杆也同时向右运动，制动推杆将力传递到滑套与连接轴上，调整螺母由于和制动器壳体固定在一起，不会运动，连接轴则将力传递到筒体上，驱动筒体一起向右运动，使筒体里碟形弹簧受力，由胡克定律可知碟形弹簧就会变形运动，碟形弹簧受到压缩，便带动盘形制动闸离开制动盘，盘形制动闸与制动盘间就有了间隙Δ，制动器处于松闸状态。当音圈直线电机动子的管状线圈的电流缓慢降低时，在碟形弹簧弹簧力的反作用下，制动推杆、滑套、连接轴及筒体整体向左运动，使得盘形制动闸逐渐向制动盘移动，当Δ＝０（即闸瓦贴紧制动盘，此时的电流值我们称为“贴闸皮”电流值）后，若音圈直线电机动子的电流继续降低，弹簧力便开始逐渐作用于制动盘上，产生正压力Ｎ，当系统的音圈直线电机动子的电流降低到系统的最低值时，作用在制动盘上的正压力Ｎ达到最大值，盘形制动闸与制动盘间产生的摩擦力即是提升机工作制动力，提升机将处于正常工作制动状态。

当矿井提升机在提升过程中因突发事件需要紧急制动时，盘形制动器音圈直线电机电流值很快降到预先设定的某一值，制动器盘形制动闸在制动盘上作用有部分的制动力，使提升机按照一定的减速度减速，延时预定的时间后，电流迅速降至零，音圈直线电机对盘形制动闸的驱动力为最小，此时碟形弹簧将预先调整好的制动力全部加在制动盘上，制动器盘形制动闸在制动盘上作用有最大的正压力Ｎ，盘形制动闸与制动盘之间的摩擦力是提升系统的最大制动力，提升机停车并处于安全制动状态。这种安全制动方式就是恒力矩二级制动方式，恒力矩二级制动方式还可以另外一种方法实现，即当矿井提升机在提升过程中因突发事件需要紧急制动时，盘形制动器的部分音圈直线电机电流值迅速降至零，制动器在制动盘上作用有部分的制动力，使提升机按照一定的减速度减速，延时预定的时间后，盘形制动器的剩余音圈直线电机电流值迅速全部降至零，此时制动器在制动盘上作用有最大的正压力Ｎ，盘形制动闸与制动盘之间的摩擦力是提升系统的最大制动力，提升机停车并处于安全制动状态。由于采用的是电气传动系统，无论哪种方法都非常方便控制及变换。即使转换到恒减速制动系统，也只要更换一下电气控制软件即可，而不是像液压传动的盘形制动器装置要实现恒力矩制动或恒减速制动必须为各自独立的液压站装置。

正常工作中，手动操作方式时用操作台上的制动手把控制，制动手把旋转时其所带编码器同步旋转，旋转角度转换成电气信号输入到可编程控制器中，可编程控制器再将计算数值送到音圈电机伺服控制器中，经过信号放大后，施加到音圈直线电机的控制端上，使音圈直线电机按照控制要求进行工作，在全自动化提升时受电气控制系统的电流与行程双闭环控制。

为保证制动器正常工作，在盘形制动器上依然设有闸瓦磨损指示器和碟簧疲劳指示器。在使用过程中，一旦发生闸瓦磨损量超过规定值或碟簧疲劳断裂时，故障讯号会立即反馈到电控保护回路，在完成本次提升后，如不调节闸瓦间隙或更换碟簧，则闭锁下次提升回路。

音圈直线电机的控制连接电缆20通过音圈直线电机外部端子专用孔与外部电气控制装置连接，受可编程控制器控制系统及伺服驱动放大系统控制。

随着矿井提升机制动力矩要求的增大，可以配置多台同功率的音圈直线电机并联同步工作。

Claims (7)

1.一种矿井提升机专用音圈电机传动的盘形制动器装置，其特征是包括制动器壳体（1）及盘形制动闸（2），制动器壳体内部一端装配有筒体（3），筒体外端面与盘形制动闸固定，筒体内贯穿设置连接轴（4），连接轴上装有蝶形弹簧（5）；制动器壳体另一端装配有至少一台音圈直线电机（6）及其电气控制装置，音圈直线电机的动力输出端与连接轴（4）连接；音圈直线电机（6）结构包含电机套筒（6.1），电机套筒内一端固定有纵截面呈E型的强磁性圆柱（6.2），强磁性圆柱内壁周圈固定有永磁磁铁（6.3），电机套筒内另一端设有与强磁性圆柱相互配合的线圈组外壳（6.4），线圈组外壳外部周圈设有管状线圈（6.5），管状线圈与永磁磁铁位置相互对应，上述结构中，强磁性圆柱和永磁磁铁构成音圈电机定子（7），线圈组外壳和管状线圈构成音圈电机动子（8）；制动器壳体（1）一端内部活动装配有压座（12），音圈直线电机的电机套筒（6.1）端面与压座外侧端面的中心凸台固定，压座内侧端面设有与蝶形弹簧（5）配合的弹簧定位垫圈（13）；压座外侧端面周圈与制动器壳体内壁之间设有调整螺母（14），调整螺母与制动器壳体螺纹配合连接。

2.根据权利要求1所述的一种矿井提升机专用音圈电机传动的盘形制动器装置，其特征是音圈直线电机的动力输出端通过制动推杆（9）及滑套（10）与连接轴（4）连接，其中音圈电机动子的线圈组外壳（6.4）外端部中心位置开设螺纹孔（11），制动推杆一端与螺纹孔螺纹连接，另一端与连接轴连接，滑套（10）装配于制动推杆上。

3.根据权利要求1或2所述的一种矿井提升机专用音圈电机传动的盘形制动器装置，其特征是音圈直线电机配置有隔磁装置。

4.根据权利要求3所述的一种矿井提升机专用音圈电机传动的盘形制动器装置，其特征是制动推杆（9）中间外部设有六方螺母状凸台（15）。

5.根据权利要求1或2所述的一种矿井提升机专用音圈电机传动的盘形制动器装置，其特征是音圈直线电机自带有RS485通讯接口。

6.根据权利要求1或2所述的一种矿井提升机专用音圈电机传动的盘形制动器装置，其特征是音圈直线电机配备有不间断电源UPS。

7.根据权利要求1或2所述的一种矿井提升机专用音圈电机传动的盘形制动器装置，其特征是音圈直线电机的电气控制装置是由可编程控制器（16）、伺服控制器（17）、PWM放大器（18）及光栅传感器（19）构成，可编程控制器的控制端与伺服控制器的输入端连接，伺服控制器的输出端与PWM放大器的信号输入端连接，PWM放大器的信号输出端与音圈直线电机的控制输入端连接，光栅传感器的信号采集端与音圈直线电机的信号输出端连接，光栅传感器的信号输出端与伺服控制器的输入端连接。