主斜井带式输送机盘式制动器液压控制装置的研究学术报告

作者与发表信息

本研究由郑浩强（福建龙净环保股份有限公司，福建龙岩）完成，发表于《科学技术创新》2025年第24期。

学术背景

本研究属于矿山机械与液压控制领域，针对煤矿主斜井带式输送机制动系统的核心问题展开。根据2016年《煤矿安全规程》第三百七十四条第五款的规定，倾斜井巷中使用的带式输送机需配备防逆转装置、制动装置或软制动装置，以确保安全运行。然而，传统的盘式制动器液压控制装置存在动态响应迟滞、多级制动协同性不足、人机交互薄弱等问题。因此，本研究旨在开发一种新型液压控制装置，以提高制动系统的响应速度、控制精度及可靠性，从而满足重载、大倾角工况下的安全需求。

研究流程与方法

1. 液压控制装置的结构与工作原理分析

本研究首先对主斜井带式输送机盘式制动器液压控制装置的结构进行了详细分析。该装置由四个主要单元组成：

• 液压动力单元：包括防爆电机、双向变量泵（bidirectional variable pump）、油箱及过滤冷却系统，负责提供稳定可调的液压油源。

• 阀控执行单元：集成比例溢流阀（proportional relief valve）、换向阀（directional control valve）、减压阀及蓄能器（accumulator），实现制动压力的精确调控与应急能量储备。

• 制动执行单元：由多组盘式制动油缸（disc brake cylinder）、制动盘（brake disc）及闸瓦（brake shoe）组成，负责将液压推力转换为制动力矩。

• 监测保护单元：内置压力传感器、速度检测器及PLC（可编程逻辑控制器），实时采集系统参数并触发保护逻辑。

装置的工作原理基于液压传动与电液控制（electro-hydraulic control）技术。启动时，液压动力单元驱动双向变量泵输出压力油液，经比例溢流阀调压后进入制动油缸，推动活塞回缩实现松闸（release braking）。在制动阶段，PLC根据负载信号动态调节比例溢流阀开度，使制动力矩渐进增强。紧急制动时，监测单元触发安全逻辑，快速释放蓄能器储能，实现瞬时制动。

2. 系统设计与功能模块开发

研究采用模块化设计（modular design）理念，构建了五大功能模块：

1. 制动与松闸控制模块

   • 通过比例换向阀（proportional directional valve）的位移控制实现制动与松闸状态的切换。

   • 采用PID（比例-积分-微分）闭环控制算法，抑制液压冲击引起的闸瓦抖动。

2. 工作制动压力调节模块

   • 基于比例溢流阀实现制动压力的动态调节。

   • 采用前馈-反馈复合控制（feedforward-feedback control），根据负载变化预补偿压力设定值，并通过压力传感器进行闭环修正。

3. 安全（紧急）制动控制模块

   • 在超速、打滑或人工急停时，PLC切断比例阀供电并释放蓄能器储能，实现快速制动。

   • 采用冗余控制逻辑（redundant control logic），确保主回路失效时备用电磁阀自动激活。

4. 超速、打滑等保护联动模块

   • 通过速度检测器监测输送带线速度与驱动辊转速差异，触发三级响应机制（初级降压制动、次级报警缓升制动、最终紧急制动）。

5. 人机交互界面模块

   • 采用防爆触摸屏（explosion-proof HMI）实现状态可视化监控与参数配置，支持双重确认逻辑防止误操作。

3. 关键液压元件选型与计算

研究根据系统需求对核心元件进行了选型与设计计算：

• 双向变量泵：基于最大制动油压与流量需求确定排量范围。

• 比例溢流阀：按压力调节精度与动态响应特性选定线性度等级。

• 蓄能器：根据紧急制动耗油量及压力保持时间计算容积。

• 制动油缸：通过制动力矩反推活塞面积与行程。

• 管路通径：依据峰值流量及允许压降设计。

主要研究结果

1. 系统响应速度与精度提升

   • 实验表明，新型液压控制装置的动态响应时间较传统系统缩短30%，制动压力调节精度达到±0.5 MPa。

2. 紧急制动性能优化

   • 在模拟超速工况下，系统能在0.5秒内触发紧急制动，制动距离缩短20%。

3. 故障保护联动效果

   • 三级响应机制有效降低了误报率，真实故障的识别准确率提升至98%。

4. 人机交互效率提高

   • 防爆触摸屏的引入使操作响应时间缩短50%，参数配置错误率降低至1%以下。

结论与价值

本研究成功开发了一套基于模块化设计的液压控制装置，显著提升了主斜井带式输送机制动系统的安全性、可靠性与智能化水平。其科学价值在于：

1. 提出了分层架构（hierarchical architecture）与闭环控制策略，为复杂工况下的制动系统设计提供了新思路。

2. 通过前馈-反馈复合控制算法，解决了传统液压系统动态响应迟滞的问题。

应用价值体现在：

• 为煤矿安全生产提供了高可靠性技术支撑，尤其适用于重载、大倾角输送场景。

• 模块化设计便于维护与升级，降低了设备全生命周期成本。

研究亮点

1. 创新性技术

   • 首次在盘式制动器液压控制中集成比例溢流阀与蓄能器快排阀，实现精准压力调节与紧急制动无缝切换。

2. 智能化功能

   • 引入PLC与传感器网络，构建了故障诊断与分级制动逻辑，提升了系统自动化水平。

3. 工程适用性

   • 所有元件均符合矿用防爆标准，适应高粉尘、潮湿及强电磁干扰环境。

其他有价值内容

研究还探讨了未来优化方向，如引入机器学习算法进一步提升故障预测能力，以及探索无线传感网络减少布线复杂度。这些方向为后续研究提供了参考。