CN109230935B - 一种基于磁流变效应的智能化立井制动缓冲系统及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于磁流变效应的智能化立井制动缓冲系统及其应用，包括缓速器、缓冲器、转速传感器、压力传感器、光电开关和控制器；缓速器传动连接在提升电机和提升机滚筒之间，缓冲器安装在立井内箱梁上并连接托罐装置，转速传感器安装在提升机滚筒上，压力传感器安装在罐笼的底部，光电开关安装在立井侧壁上；缓速器、缓冲器、转速传感器、压力传感器、光电开关分别与控制器连接。本发明制动缓冲系统智能化程度高，能够根据罐笼的速度、重量和位置信息，及时调整缓速器和缓冲器的阻尼力，使缓冲器起到承接罐笼柔性缓冲作用，防止人员或物资由于冲击受到损害，同时可避免人员操作失误导致的过卷、过放和超速事故。

Description

一种基于磁流变效应的智能化立井制动缓冲系统及其应用

技术领域

本发明涉及一种基于磁流变效应的智能化立井制动缓冲系统及其应用，属于矿山设备技术领域。

背景技术

矿井提升机在煤矿生产运输系统中是主要的设备之一，在实际生产中矿井提升机的正常工作关系到整个矿井安全生产。近年来，立井提升逐渐成为我国矿山生产中广泛采用的一种提升运输方式。据不完全统计，我国已有立井三万七千多个。

针对当前立井提升系统在矿山的使用现状，提升容器、单次提升量以及提升速度均在不断地刷新极限，立井提升安全保护技术的问题愈加突显。目前在提升机的控制、制动等环节设置有多道电器控制及机械制动保护装置，其技术也日臻完善，但由于操作失误，制动环节机械故障及电器、电路等方面的原因，过卷事故的发生还是屡见不鲜，甚至造成蹾罐、坠罐之类的重大事故，造成了极大的经济损失和人员伤亡，严重影响了矿山生产的正常运行。

根据《煤矿安全规程》第396条规定，“在提升速度大于3m/s的提升系统内必须设置防撞梁和托罐装置。”“防撞梁必须能够挡住过卷后上升的容器或平衡锤；托罐装置必须能够将撞击防撞梁后再下落的容器或配重托住，并保证下落距离不超过0.5m。”第397条规定，“在过卷高度或过放距离内，应安设性能可靠的缓冲装置，缓冲装置应能将全速过卷的容器平稳地停住。”

然而仅靠防撞梁和传统的托罐装置并不能完全解决提升机超速运行发生过卷事故时冲击能量对提升系统的损害。

因此，为了避免矿山提升系统在重载高速运行过程中发生过卷事故，许多科研人员和工程师提出了多种解决方案。

中国专利文献CN107512644A公开了一种箕斗过卷缓冲托罐装置，装置主要由上下固定架、吸能器和弓形顶板等部分组成。其中吸能器采用30～50cm厚的橡胶板。装置工作时先由罐笼撞击弓形顶板使其发生形变形成第一级缓冲，当弓形顶板形变完成后，再由橡胶板制成的吸能器发生形变形成第二级缓冲。但采用此种缓冲思路，橡胶板和弓形顶板的吸能能力有限，只能对罐的运行速度和载重在小范围内时有一定的缓冲效果。当罐笼速度和载重超过设定范围时，此装置无法将冲击能量全部吸收耗散，而当罐笼速度和载重低于设定值但仍大于安全范围时，又无法对提升系统进行有效的缓冲。

中国专利文献CN106395542A公开了一种基于ABS的摩擦提升机防过卷及报警系统，系统主要在原有立井提升绞车的刹车装置外加装了一套测速装置和电子控制装置，通过测速装置判断提升机是否运行在规定速度内，若提升机超速运行，则电子控制装置控制制动器对提升机绞车盘进行“点刹”制动。这样设计的好处在于可以使制动盘始终处于紧闸状态而又不会发生抱死制动急停的情况，防止罐笼在高速重载的情况下突然停止发生断绳坠井的事故。这种设计思路虽然可以防止绞车突然制动对提升系统的冲击，但是液压系统不断对制动器充放液会造成液压系统过热影响其可靠性，另一方面当提升系统载荷变化时，该系统无法调整制动力来适应提升系统载荷的变化，造成制动加速动过大或制动距离过长。

以上设计均未能解决立井运输提升在不同速度、不同载重时的制动缓冲阻尼力可调和可靠性的问题。因此，针对以上设计思路存在的问题，本发明提出的一种基于磁流变效应的立井制动缓冲系统就着重解决立井提升系统在不同速度、载重情况下运行时的制动和发生过卷事故时的缓冲问题。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种基于磁流变效应的智能化立井制动缓冲系统。

本发明还提供上述一种基于磁流变效应的智能化立井制动缓冲系统的工作方法。

本发明的技术方案如下：

一种基于磁流变效应的智能化立井制动缓冲系统，包括缓速器、缓冲器、转速传感器、压力传感器、光电开关和控制器；

缓速器传动连接在提升电机和提升机滚筒之间，缓冲器安装在立井内箱梁上并连接托罐装置，转速传感器安装在提升机滚筒上，压力传感器安装在罐笼的底部，光电开关安装在立井侧壁上；

缓速器、缓冲器、转速传感器、压力传感器、光电开关分别与控制器连接。

优选的，缓速器包括动圈、定子、防爆外壳、传动轴；动圈、定子、防爆外壳由内到外依次套装并通过小端盖、大端盖对两端进行封装，定子外周缠绕有电磁线圈，动圈与定子之间填充有磁流变液，传动轴贯穿两端的小端盖、大端盖并通过筋板与动圈连接，传动轴的两端分别与提升电机的输出轴、提升机滚筒的转轴刚性连接。

优选的，所述托罐装置选用一方形钢板。此设计的好处是，方形钢板能起到把罐笼的冲击力分散到四个缓冲器上的作用。

优选的，筋板呈倾斜设置，倾斜角度为15～25°。此设计的好处是，在保证连接和传动可靠的前提下，带倾角的筋板可随传动轴转动而旋转，起到风机的作用为缓速器降温，防止缓速器长时间运行导致过热影响制动效率。

优选的，缓冲器包括防爆外壳和缸筒，防爆外壳内设置有阻尼通道并通过上下两端的阻尼通道端盖装配，阻尼通道的外周缠绕有电磁线圈，阻尼通道和上下两端阻尼通道端盖开设有同轴阻尼孔，防爆外壳的上下两端分别连接所述的缸筒，上端缸筒设置有活柱并通过缓冲器端盖封装，下端缸筒设置有复位弹簧、活柱并通过缓冲器端盖封装，活柱与阻尼通道之间填充有磁流变液。

优选的，在箱梁与托罐装置之间设置有四个缓冲器，四个缓冲器呈正方形布置。

优选的，光电开关安装在距立井井底和顶部10m的位置处。

优选的，控制器选用计算机。

一种基于磁流变效应的智能化立井制动缓冲系统的工作方法，包括以下步骤：

运行状态一：罐笼正常运行时，即提升机滚筒的运行速度在规定范围内

压力传感器测得罐笼的载重M并传输给控制器，提升电机启动后转速传感器测得提升机滚筒运行速度S并传输给控制器，控制器将测得速度与规定值S_g对比，当S<S_g时判断其运行正常，缓速器不工作；

当罐笼运行到接近井底或顶部停车区时，触发安装在立井井壁上的光电开关，控制器控制缓速器通电并根据测得的罐笼重量M和实时速度S调整供电电流Ⅰ_h，从而控制缓速器阻尼力F_h让罐笼速度平稳下降配合提升机制动器抱闸将罐笼停止在规定位置；与此同时，当光电开关被触发时，控制器控制缓冲器通电工作并根据M和S相应调整对缓冲器输出的电流Ⅰ_d，从而调节缓冲器的缓冲阻尼力F_d；

或运行状态二：罐笼超速运行时，即提升机滚筒的运行速度大于规定速度

压力传感器测得罐笼的重量M并传输给控制器，提升电机启动后转速传感器测得提升机滚筒运行速度S并传输给控制器，控制器将测得速度与规定值S_g对比，当S>S_g时判断其运行在超速状态，控制器控制缓速器线圈通电并根据提升机滚筒运行速度调整阻尼力F_h，使提升机滚筒减速至规定速度；

或运行状态三：罐笼在到达停车位置时由于某些原因未能及时制动停车，发生过卷、过放事故

当罐笼接近井底或顶部时安装在井壁上的光电开关被触发，此时，转速传感器将实时监测提升机滚筒的运行速度S传输至控制器，控制器结合罐笼重量M和提升机滚筒的运行速度S相应调整对缓冲器线圈电流Ⅰ_d和缓速器线圈电流Ⅰ_h，使缓冲器和缓速器产生相应阻尼力F_d和F_h，保证提升系统在发生过卷事故时，罐笼能以一个可控的速度撞击托罐装置，使缓冲器能根据罐笼的载重和撞击速度做到柔性缓冲；

当提升系统过卷事故处理完成后，操作人员手动控制制动缓冲系统断电，此时，缓冲器内的磁流变液失去磁场作用变为牛顿流体状态，在复位弹簧的作用下经阻尼孔返回缓冲器上腔，完成系统复位。

本发明的有益效果在于：

1)本发明在立井提升机与电机之间加装缓速器，当转速传感器检测到提升机超速运行时，缓速器启动，使提升机制动减速至规定速度范围内。这样一方面确保了立井运输的安全可靠，另一方面延长了提升机制动器和其液压系统的寿命。

2)在距立井井底和顶部10m处安装光电开关。当罐笼运行至该位置时光电开关被触发，缓速器通电运行，使罐笼运行速度降低，一方面配合提升机制动器制动刹车，可以延长提升机制动器寿命；另一方面可以保证即使提升机发生过卷事故，罐笼也能以一个可控的速度撞击缓冲装置。

3)缓速器动圈与传动轴之间采用带倾斜角的筋板连接，在保证连接和传动可靠的前提下，带倾角的筋板可随传动轴转动而旋转，起到风机的作用为缓速器降温，防止缓速器长时间运行导致过热影响制动效率。

4)在井底和顶部安装缓冲器，当由于人员操作失误或机电系统故障引发过卷、坠罐事故时，控制器根据罐笼载重和速度调整缓冲器缓冲阻力，使缓冲器起到承接罐笼柔性缓冲作用，防止人员或物资由于冲击受到损害。

5)缓冲器和缓速器均基于磁流变效应设计，可根据提升机运行速度和罐笼重量调节缓冲阻尼力，做到柔性缓冲，使缓冲过程更加平稳可控，制动性能更可靠。

6)整套立井制动缓冲系统采用闭环控制，由转速传感器、压力传感器和光电开关分别检测罐笼运行的速度、载重和位置信息，控制器通过控制缓冲器和缓速器的磁流变线圈电流自动调节缓冲阻尼。避免了人员操作失误导致的过卷、过放和超速事故。

附图说明

图1为制动缓冲系统缓冲器部分布置示意图；

图2为为制动缓冲系统缓冲器部分布置俯视图；

图3为制动缓冲系统缓速器部分布置示意图；

图4为缓速器的结构示意图；

图5为缓速器的结构侧视图；

图6为缓冲器的结构示意图；

图7为缓冲器的结构剖面图；

图8为制动缓冲系统控制电路图；

其中：1-提升机滚筒；2-缓冲器；3-托罐装置；4-箱梁；5-罐笼；6-压力传感器；7-光电开关；8-提升电机；9-传动轴；10-定子；11-防爆外壳；12-电磁线圈；13-转速传感器；14-磁流变液；15-动圈；16-大端盖；17-小端盖；18-筋板；20-活柱；21-缓冲器端盖；22-缸筒；23-阻尼通道端盖；24-防爆外壳；25-阻尼通道；26-磁流变液；27-电磁线圈；28-阻尼孔；29-复位弹簧。

具体实施方式

下面通过实施例并结合附图对本发明做进一步说明，但不限于此。

实施例1：

如图1至图8所示，本实施例提供一种基于磁流变效应的智能化立井制动缓冲系统，该制动缓冲系统主要包括缓速器、缓冲器2、转速传感器13、压力传感器6、光电开关7和控制器；

缓速器传动连接在提升电机8和提升机滚筒1之间，提升机滚筒1吊装立井内的罐笼5，缓冲器2安装在立井内箱梁4上并连接托罐装置3，本实施例中的托罐装置3为一方形钢板，在井底和顶部的箱梁4上分别安装有四个缓冲器2，且四个缓冲器2在方形钢板上呈正方形布置，可保证罐笼5撞击方形钢板时使力均匀地分散到四个缓冲器2上。转速传感器13安装在提升机滚筒1上，用来获知提升机的转速，压力传感器6安装在罐笼5的底部，用来获知罐笼的整体质量，光电开关7安装在立井侧壁上，在距离立井井底和顶部10m的位置处分别安装有一对光电开关。

缓速器、缓冲器2、转速传感器13、压力传感器6、光电开关7分别与控制器连接，采用闭环控制，本实施例中控制器选用计算机，后续计算机根据转速传感器13、压力传感器6、光电开关7获取的速度、重量、位置信息来调节缓速器、缓冲器2的线圈电流，从而起到智能控制缓速器、缓冲器的作用。

具体而言，缓速器包括动圈15、定子10、防爆外壳11、传动轴9；动圈15、定子10、防爆外壳11由内到外依次套装并通过小端盖17、大端盖16对两端进行封装，定子10外周缠绕有电磁线圈12，动圈15与定子10之间填充有磁流变液14，传动轴9贯穿两端的小端盖17、大端盖16并通过筋板18与动圈15连接，传动轴9的两端分别与提升电机8的输出轴、提升机滚筒1的转轴刚性连接。

其中，筋板18呈倾斜设置，本实施例中筋板18与传动轴9的轴线夹角为15°，传动轴9贯穿小端盖17、大端盖16的孔与动圈内径相同，能有较大的散热通道。在保证连接和传动可靠的前提下，带倾角的筋板可随传动轴转动而旋转，起到风机的作用为缓速器降温，防止缓速器长时间运行导致过热影响制动效率。

缓冲器2包括防爆外壳24和缸筒22，防爆外壳24内设置有阻尼通道25并通过上下两端的阻尼通道端盖23装配，阻尼通道25的外周缠绕有电磁线圈27，阻尼通道25和上下两端阻尼通道端盖23开设有同轴阻尼孔28，防爆外壳24的上下两端分别连接所述的缸筒22，上端缸筒设置有活柱20并通过缓冲器端盖21封装，下端缸筒设置有复位弹簧29、活柱20并通过缓冲器端盖21封装，活柱20与阻尼通道之间填充有磁流变液26。

整个制动缓冲系统的安装位置关系如图1所示，电路连接关系(控制关系)如图8所示，具体的走线布线施工按照常规技术实施即可。本实施例中，转速传感器、压力传感器、光电开关选用市售产品即可。缓速器、缓冲器依靠计算机来控制电磁线圈的电流，通过电磁线圈产生的磁场作用来改变磁流变液的状态，由于磁流变液可以实现实时控制，相应阻尼力的调节连续变化且变化可逆。缓冲器和缓速器正是利用磁流变液的这一特性来对阻尼力进行实时调节，确保制动缓冲系统在提升系统运行于不同载重和速度时均能起到柔性缓冲的作用，提高了制动可靠性，防止事故发生。

实施例2：

一种基于磁流变效应的智能化立井制动缓冲系统，结构如实施例1所述，其不同之处在于：筋板18与传动轴9的轴线夹角为25°。

实施例3：

如实施例1所述的一种基于磁流变效应的智能化立井制动缓冲系统的工作方法，具体的运行过程如下：

运行状态一：罐笼正常运行时，即提升机滚筒的运行速度在规定范围内

压力传感器6测得罐笼5的载重M并传输给控制器，提升电机8启动后转速传感器13测得提升机滚筒1运行速度S并传输给控制器，控制器将测得速度与规定值S_g对比，当S<S_g时判断其运行正常，缓速器不工作；

当罐笼5运行到接近井底或顶部停车区时，触发安装在立井井壁上的光电开关7，控制器控制缓速器通电并根据测得的罐笼重量M和实时速度S调整供电电流Ⅰ_h，从而控制缓速器阻尼力F_h让罐笼速度平稳下降配合提升机制动器抱闸(这里的抱闸是原有提升机的刹车装置抱闸，缓速器在这一运行状态中只是起到辅助减速的目的)将罐笼5停止在规定位置；与此同时，当光电开关7被触发时，控制器控制缓冲器通电工作并根据M和S相应调整对缓冲器输出的电流Ⅰ_d，从而调节缓冲器的缓冲阻尼力F_d；

或运行状态二：罐笼超速运行时，即提升机滚筒的运行速度大于规定速度

压力传感器6测得罐笼的重量M并传输给控制器，提升电机8启动后转速传感器13测得提升机滚筒1运行速度S并传输给控制器，控制器将测得速度与规定值S_g对比，当S>S_g时判断其运行在超速状态，控制器控制缓速器线圈通电并根据提升机滚筒1运行速度调整阻尼力F_h，使提升机滚筒1减速至规定速度；

或运行状态三：罐笼在到达停车位置时由于某些原因未能及时制动停车，发生过卷、过放事故

当罐笼5接近井底或顶部时安装在井壁上的光电开关7被触发，此时，转速传感器13将实时监测提升机滚筒1的运行速度S传输至控制器，控制器结合罐笼重量M和提升机滚筒的运行速度S相应调整对缓冲器线圈电流Ⅰ_d和缓速器线圈电流Ⅰ_h，使缓冲器和缓速器产生相应阻尼力F_d和F_h，保证提升系统在发生过卷事故时，罐笼5能以一个可控的速度撞击托罐装置3，使缓冲器2能根据罐笼的载重和撞击速度做到柔性缓冲；

当提升系统过卷事故处理完成后，操作人员手动控制制动缓冲系统断电，此时，缓冲器2内的磁流变液失去磁场作用变为牛顿流体状态，在复位弹簧29的作用下经阻尼孔返回缓冲器上腔，完成系统复位。

Claims (8)

1.一种基于磁流变效应的智能化立井制动缓冲系统的工作方法，所述系统包括缓速器、缓冲器、转速传感器、压力传感器、光电开关和控制器；缓速器传动连接在提升电机和提升机滚筒之间，缓冲器安装在立井内箱梁上并连接托罐装置，转速传感器安装在提升机滚筒上，压力传感器安装在罐笼的底部，光电开关安装在立井侧壁上；缓速器、缓冲器、转速传感器、压力传感器、光电开关分别与控制器连接；

其特征在于，所述工作方法包括以下步骤：

运行状态一：罐笼正常运行时，即提升机滚筒的运行速度在规定范围内

压力传感器测得罐笼的载重M并传输给控制器，提升电机启动后转速传感器测得提升机滚筒运行速度S并传输给控制器，控制器将测得速度与规定值S_g对比，当S<S_g时判断其运行正常，缓速器不工作；

当罐笼运行到接近井底或顶部停车区时，触发安装在立井井壁上的光电开关，控制器控制缓速器通电并根据测得的罐笼重量M和实时速度S调整供电电流Ⅰ _h，从而控制缓速器阻尼力F _h让罐笼速度平稳下降配合提升机制动器抱闸将罐笼停止在规定位置；与此同时，当光电开关被触发时，控制器控制缓冲器通电工作并根据M和S相应调整对缓冲器输出的电流Ⅰ _d，从而调节缓冲器的缓冲阻尼力F _d；

或运行状态二：罐笼超速运行时，即提升机滚筒的运行速度大于规定速度

压力传感器测得罐笼的重量M并传输给控制器，提升电机启动后转速传感器测得提升机滚筒运行速度S并传输给控制器，控制器将测得速度与规定值S_g对比，当S>S_g时判断其运行在超速状态，控制器控制缓速器线圈通电并根据提升机滚筒运行速度调整阻尼力F _h，使提升机滚筒减速至规定速度；

或运行状态三：罐笼在到达停车位置时由于某些原因未能及时制动停车，发生过卷、过放事故

当罐笼接近井底或顶部时安装在井壁上的光电开关被触发，此时，转速传感器将实时监测提升机滚筒的运行速度S传输至控制器，控制器结合罐笼重量M和提升机滚筒的运行速度S相应调整对缓冲器线圈电流Ⅰ _d和缓速器线圈电流Ⅰ _h，使缓冲器和缓速器产生相应阻尼力F _d和F _h，保证提升系统在发生过卷事故时，罐笼能以一个可控的速度撞击托罐装置，使缓冲器能根据罐笼的载重和撞击速度做到柔性缓冲；

当提升系统过卷事故处理完成后，操作人员手动控制制动缓冲系统断电，此时，缓冲器内的磁流变液失去磁场作用变为牛顿流体状态，在复位弹簧的作用下经阻尼孔返回缓冲器上腔，完成系统复位。

2.如权利要求1所述的基于磁流变效应的智能化立井制动缓冲系统的工作方法，其特征在于，缓速器包括动圈、定子、防爆外壳、传动轴；动圈、定子、防爆外壳由内到外依次套装并通过小端盖、大端盖对两端进行封装，定子外周缠绕有电磁线圈，动圈与定子之间填充有磁流变液，传动轴贯穿两端的小端盖、大端盖并通过筋板与动圈连接，传动轴的两端分别与提升电机的输出轴、提升机滚筒的转轴刚性连接。

3.如权利要求1所述的基于磁流变效应的智能化立井制动缓冲系统的工作方法，其特征在于，所述托罐装置选用一方形钢板。

4.如权利要求2所述的基于磁流变效应的智能化立井制动缓冲系统的工作方法，其特征在于，筋板呈倾斜设置，倾斜角度为15～25°。

5.如权利要求1所述的基于磁流变效应的智能化立井制动缓冲系统的工作方法，其特征在于，缓冲器包括防爆外壳和缸筒，防爆外壳内设置有阻尼通道并通过上下两端的阻尼通道端盖装配，阻尼通道的外周缠绕有电磁线圈，阻尼通道和上下两端阻尼通道端盖开设有同轴阻尼孔，防爆外壳的上下两端分别连接所述的缸筒，上端缸筒设置有活柱并通过缓冲器端盖封装，下端缸筒设置有复位弹簧、活柱并通过缓冲器端盖封装，活柱与阻尼通道之间填充有磁流变液。

6.如权利要求1所述的基于磁流变效应的智能化立井制动缓冲系统的工作方法，其特征在于，在箱梁与托罐装置之间设置有四个缓冲器，四个缓冲器呈正方形布置。

7.如权利要求1所述的基于磁流变效应的智能化立井制动缓冲系统的工作方法，其特征在于，光电开关安装在距立井井底和顶部10m的位置处。

8.如权利要求1所述的基于磁流变效应的智能化立井制动缓冲系统的工作方法，其特征在于，控制器选用计算机。

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