礦用無極繩絞車電液控制系統(tǒng)設(shè)計及性能優(yōu)化

孔翠波

（山西焦煤西山煤電集團鎮(zhèn)城底礦， 山西 古交 030203）

引言

無極繩絞車是煤礦開采中的常見設(shè)備，其結(jié)構(gòu)包括動力裝置、梭車、尾輪、張緊裝置、輪組、主壓繩輪等，主要用于井下巷道的物品運輸，使用鋼絲牽引往復(fù)運行，可以實現(xiàn)長距離軌道連續(xù)運輸，解決了煤礦運輸線路坡道多、傾角大、運輸距離長以及彎道和坡道運輸不安全等重大問題，具有節(jié)省人力、安全性高、連續(xù)性好、運行成本低的優(yōu)點，但長期以來無極繩絞車的基本結(jié)構(gòu)并沒有得到本質(zhì)性的改善和發(fā)展，如果能夠與現(xiàn)代化的控制設(shè)備和控制方法相結(jié)合，一定可以進一步提高其操作的安全性、使用效率及使用壽命，提高其自動化控制程度是改善其工作性能的有效方法，本文將使用控制性更好的液壓元件代替?zhèn)鹘y(tǒng)的電力驅(qū)動，使用PLC、傳感器、控制手柄等控制元件來解決無極繩絞車存在的不足，使其性能進一步提升，操作也會更加安全，使用壽命也會更長。

1 無極繩絞車需要改善的問題

1.1 進一步優(yōu)化動力源

目前，無極繩絞車使用電機作為動力源，而電機的初始啟動速度較高，所以在啟動和停止時不平穩(wěn)，對鋼絲繩產(chǎn)生一定的沖擊，在鋼絲長期反復(fù)負(fù)重沖擊的工作條件下就很容易出現(xiàn)斷絲、拉長等安全隱患，甚至出現(xiàn)鋼絲被拉斷，導(dǎo)致嚴(yán)重后果，所以改善動力源的工作方式對改善無極繩絞車的工作狀態(tài)起到很大作用[1]。

1.2 改善梭車速度控制方式

礦井中的工作環(huán)境非常復(fù)雜，梭車以及連接的礦車、平板車、材料車會經(jīng)常往復(fù)于彎道、上坡、下坡等工作環(huán)境，這對鋼絲的使用壽命影響極大，這些地方往往也是事故的多發(fā)地帶，雖然梭車在機械結(jié)構(gòu)上已經(jīng)經(jīng)過多次改進來預(yù)防此類事件的發(fā)生，但不能從根本上解決問題，還是經(jīng)常會出現(xiàn)斷絲的現(xiàn)象，即使梭車的機械結(jié)構(gòu)可以在斷絲后制動預(yù)防安全事故的發(fā)生，但如果斷絲頻率過高必然會影響生產(chǎn)進度和生產(chǎn)成本。假設(shè)梭車在進入彎道、坡道之前先通過傳感技術(shù)能夠檢測到梭車的位置，在進入危險環(huán)境之前將通過反饋信號將位置信息傳給控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)做出減速控制，梭車按照控制指令逐漸無級減速，然后在駛出危險段之后無級加速，恢復(fù)正常速度，這就會從根本上解決彎道、坡道帶來的危險性。

1.3 更換變速系統(tǒng)

傳統(tǒng)的無極繩絞車采用換擋變速模式控制梭車的速度變化，這種變速方式如果在梭車運行中換擋，必然會給鋼絲帶來很大的沖擊力，這也是鋼絲損壞的一個重要原因，若停車換擋，必然會影響工作效率，增大操作者的勞動強度，也會給整個流程帶來諸多不便。若能使用一套可以無級調(diào)速并動力強勁的變速系統(tǒng)來代替擋位調(diào)速結(jié)構(gòu)，必然會減輕變速過程中梭車對鋼絲的沖擊，減少操作步驟，提高工作效率[2]。

2 優(yōu)化方案

2.1 動力源的更換

采用液壓柱塞式變量泵和定量液壓馬達作為絞車的動力輸出元件，先由外部動力系統(tǒng)給柱塞泵提供動力，動力軸帶動泵內(nèi)的傾盤旋轉(zhuǎn)。柱塞式變量泵是依靠改變傾盤的角度來實現(xiàn)變量輸出的。當(dāng)傾盤角度為零時，傾盤旋轉(zhuǎn)時與之相連的柱塞之間不會產(chǎn)生差動，柱塞泵就不會產(chǎn)生排量輸出，若傾盤發(fā)生角度變化，與傾盤相連的柱塞在轉(zhuǎn)動過程中產(chǎn)生差動，柱塞泵就會產(chǎn)生排量，而且傾角越大排量就會越大，產(chǎn)生排量后將動力傳給液壓馬達，液壓馬達轉(zhuǎn)速就會隨變量泵排量增大而增大，馬達連接減速機，減速連接絞車，絞車就會產(chǎn)生動力。傾盤是從零位逐漸加大傾角的，所以泵的排量也是從零逐漸加大的，相應(yīng)的馬達、減速機、絞車的速度也是從零逐漸啟動的，所以這樣就實現(xiàn)了絞車的零速度無級加速功能，反之在停止時也可以實現(xiàn)無級降速，直到速度為零，所以在啟動和停止過程中就大大減小了梭車對鋼絲的沖擊力，并加強了系統(tǒng)的安全性，而且液壓系統(tǒng)相對電力系統(tǒng)還有輸出強勁穩(wěn)定、噪音小等優(yōu)點。

2.2 絞車的速度控制

對絞車的速度控制也就是對柱塞式變量泵的排量控制，這里采用手柄和PLC組成的系統(tǒng)完成絞車的速度控制功能，變量泵裝有兩個比例電磁鐵來觸動傾盤的角度發(fā)生變化，從而控制變量泵輸出排量的大小和方向，兩個比例電磁鐵分別控制變量泵兩個方向的輸出，也就控制了馬達的正反轉(zhuǎn)輸出，從而控制減速機和絞車的正反向轉(zhuǎn)動，PLC的兩個電流模擬量輸出端口分別連接這兩個比例電磁鐵。當(dāng)PLC有電流輸出給比例電磁鐵時，電磁鐵閥芯就會產(chǎn)生位移頂開傾盤，且電流越大位移也會越大，由此可見PLC給電磁鐵的輸出電流越大，絞車的轉(zhuǎn)速就會越高，同樣當(dāng)PLC給另一個電磁鐵輸出電流時傾盤向另一側(cè)開啟，絞車也就會反向轉(zhuǎn)動，并且電流越大速度也就越快[3]。根據(jù)以上原理，使用手柄完成絞車的正反轉(zhuǎn)和速度的控制，如圖1手柄控制連線圖所示。

圖1 手柄控制連線圖

手柄內(nèi)裝有電位器，手柄中位時，電位器滑動觸點也位于中間位置，PLC具有5 V電壓輸出端口，還有0～5 V模擬量接收端口，電位器兩端分別連接0位和5 V電壓輸出端口。當(dāng)電位器滑動觸點從0向5 V端滑動時，即可得到一個0～5 V的電壓模擬量，將此模擬量接入PLC的0～5 V接收端口，PLC會自動將此變量轉(zhuǎn)化為0～5 000的數(shù)值，賦值此數(shù)值為S。手柄的起始位在中位，所以將此數(shù)值分為0～2 500和2 500～5 000兩部分，分別控制兩個比例電磁鐵的電流。當(dāng)手柄從中位向零位推動時，S＜2 500則驅(qū)動比例電磁鐵2頂開變量泵的傾盤，且手柄推動角度越大比例電磁鐵2的接收電流就越大，變量泵的傾盤角度就越大，馬達速度就越大，絞車的轉(zhuǎn)速也就越大。當(dāng)手柄向5 V端推動時，S＞2 500則驅(qū)動比例電磁鐵1頂開變量泵的傾盤，使變量泵向另一方向輸出，且手柄推動角度越大，比例電磁鐵1的接收電流就越大，變量泵的傾盤角度就越大，馬達速度就越大，絞車的轉(zhuǎn)速也就越大，所以只要操作者推動手柄就可以完成對絞車的0轉(zhuǎn)速雙向無級啟動。

2.3 彎道、坡道的速度控制

在彎道和坡道前10 m的位置安裝接近開關(guān)，梭車一但靠近接近開關(guān)，接近開關(guān)的觸點就會閉合，并一直保持閉合狀態(tài)，同時將電信號傳導(dǎo)給PLC，PLC收到信號后就會逐漸降低電流變量系數(shù)k的數(shù)值，k值減小相當(dāng)于PLC給比例電磁鐵的輸出電流減小，絞車的速度就會隨之降低，梭車的速度也就會降低到可以順利通過彎道和破道的速度，這樣梭車就會安全地、無沖擊地經(jīng)過彎道和坡道，經(jīng)過后就會觸碰另一個接近開關(guān)，將前端接近開關(guān)的觸點解鎖，同時將解鎖信號傳導(dǎo)給PLC，PLC就會再次逐漸恢復(fù)系數(shù)k值，梭車再以正常速度繼續(xù)運行，這樣就可以完全保證梭車安全地通過彎道和坡道。

3 結(jié)語

由液壓柱塞變量泵、液壓馬達、PLC、手柄、接近開關(guān)組成的無極繩絞車控制系統(tǒng)改善了絞車啟動不穩(wěn)、梭車速度控制易發(fā)生危險、換擋變速控制復(fù)雜等一系列鋼絲沖擊問題和安全問題，使無極繩絞車系統(tǒng)運行更加穩(wěn)定，減少了維修次數(shù)，降低了維修費用，運行模式也更加安全、穩(wěn)定、可靠，而且還具有噪音低、動力強的特點，大大加強了無極繩絞車的使用性能。