提升機恒減速制動系統(tǒng)設(shè)計及試驗研究

趙 巖

（白洞礦業(yè)有限責任公司， 山西 大同 037003）

引言

提升機作為綜采工作面僅次于刮板輸送機、帶式輸送機的關(guān)鍵運輸設(shè)備，其主要承擔著作業(yè)人員、物料以及設(shè)備的運輸任務。提升機運行的安全性在很大程度上受制于其制動性能，包括有正常制動和安全制動。目前，可采用的制動方式包括有基于恒力矩的制動系統(tǒng)和基于恒減速的制動控制系統(tǒng)[1]。其中，基于恒力矩制動控制系統(tǒng)存在對井筒機械沖擊力大、打滑嚴重的問題。因此，恒減速制動控制系統(tǒng)的制動性能較為優(yōu)越，但是其成本較高。故，本文提出在恒力矩制動控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上進行改造使其具備恒減速控制系統(tǒng)的功能。具體闡述如下：

1 恒減速制動控制系統(tǒng)的技術(shù)要求

為解決恒力矩制動控制系統(tǒng)機械沖擊力大、打滑現(xiàn)象嚴重的問題，同時兼顧當前單純的恒減速制動控制系統(tǒng)成本較高的問題，本文在恒力矩制動控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上為其增設(shè)一套裝置，使得改造后的制動系統(tǒng)同時兼?zhèn)浜銣p速和恒力矩制動控制系統(tǒng)的功能。

所謂恒減速制動控制系統(tǒng)指的是系統(tǒng)在制動過程中的減速度恒定不變。恒減速制動控制系統(tǒng)能夠很好解決傳統(tǒng)恒力矩制動控制系統(tǒng)中存在的制動過程不穩(wěn)定、制動打滑等問題。恒減速制動控制系統(tǒng)最基本的功能為能夠在正常制動和安全制動下完成對系統(tǒng)的停車制動[2]。

恒減速制動控制系統(tǒng)的原理為：當系統(tǒng)對實時制動減速度與設(shè)定值進行比對，發(fā)現(xiàn)存在偏差時在閉環(huán)控制的作用下將設(shè)定值與實時值的偏差縮小，從而保證制動減速度不變。根據(jù)《提升機絞車的安全檢驗規(guī)范》和《礦井提升機和礦用絞車液壓站》的相關(guān)標準要求，要求恒減速制動控制系統(tǒng)滿足如下技術(shù)要求：

1）當提升機系統(tǒng)遇到緊急情況需安全制動時且實時減速度與設(shè)定值存在偏差，要求恒減速制動控制系統(tǒng)能夠在0.8 s 內(nèi)完成對減速度的恢復控制；

2）當系統(tǒng)進行安全制動時，要求制動系統(tǒng)的空程時間不得大于0.3 s；

3）當提升機經(jīng)恒減速安全制動停車后，要求液壓系統(tǒng)的殘壓小于0.5 MPa。

2 恒減速制動轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的設(shè)計

2.1 恒減速轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的設(shè)計原則

恒減速轉(zhuǎn)換系統(tǒng)為在恒力矩制動控制系統(tǒng)下實現(xiàn)恒減速功能的核心，為保證改造后所得恒減速控制系統(tǒng)能夠滿足上述技術(shù)要求，要求恒減速轉(zhuǎn)速系統(tǒng)設(shè)計時遵循如下原則：

1）恒減速轉(zhuǎn)換系統(tǒng)不能影響原恒力矩制動控制系統(tǒng)的正常制動要求，并且能夠根據(jù)工況要求對制動方式進行自動、實時切換；

2）為保證制動系統(tǒng)在實際操作中具備足夠的油壓和能力，為改造后的恒減速控制系統(tǒng)配置專門的蓄能器；

3）為保證恒減速制動控制系統(tǒng)在電源故障后仍可保證設(shè)備安全停車，為其配置UPS 后備電源；

4）為保證恒減速制動控制系統(tǒng)對應的動態(tài)特性，采用以電液比例溢流閥為核心的液壓控制系統(tǒng)；

5）要求恒減速制動控制系統(tǒng)相對應的電氣控制系統(tǒng)可實現(xiàn)對系統(tǒng)的故障檢測[3]。

2.2 恒減速轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的總體設(shè)計

結(jié)合“1”中恒減速制動控制系統(tǒng)的技術(shù)要求和“2.1”中所述的恒減速轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的設(shè)計原則，設(shè)計如下頁圖1 所示的恒減速轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的總體液壓原理圖。

如圖1 所示，當提升機處于正常運行狀態(tài)時，其對應的制動系統(tǒng)為恒力矩制動系統(tǒng)；當恒力矩制動系統(tǒng)在制動過程中性能不佳或者出現(xiàn)故障時，在后備UPS 電源的作用下對應的電磁換向閥得電執(zhí)行恒減速制動。并且，在恒減速制動系統(tǒng)工作時由編碼器對實時減速度進行監(jiān)測，若發(fā)現(xiàn)與設(shè)定值存在偏差時采用電液比例溢流閥對減速度進行調(diào)整，確保提升機的穩(wěn)定減速停機[4]。

圖1 恒減速轉(zhuǎn)換系統(tǒng)液壓原理圖

2.3 恒減速制動系統(tǒng)特性分析

恒減速制動系統(tǒng)屬于非線性系統(tǒng)，本節(jié)將基于AMESim 軟件對恒減速制動控制系統(tǒng)的特性進行仿真研究，著重對不同減速度的制動效果進行分析。目前，針對復雜且非線性系統(tǒng)常采用PID 方法進行控制。因此，本文也基于PID 控制策略對恒減速制動系統(tǒng)進行控制。結(jié)合如圖1 所示的恒減速制動控制系統(tǒng)的液壓原理圖，基于AMESim 軟件建立仿真模型，如圖2 所示。

圖2 恒減速制動控制系統(tǒng)仿真模型

根據(jù)提升機恒減速制動控制系統(tǒng)對應的相關(guān)液壓參數(shù)在AMESim 模型中進行設(shè)置。其中，設(shè)定仿真參數(shù)如下：系統(tǒng)的負載力矩為26 kN·m、系統(tǒng)制動時的運行速度為5.2 m/s，系統(tǒng)最大油壓為6.3 MPa 等。

對于PID 控制參數(shù)而言，綜合整個恒減速制動控制系統(tǒng)的響應時間、超調(diào)量以及精度等要求，在反復試驗的基礎(chǔ)上得出最佳PID 控制參數(shù)如下：比例環(huán)節(jié)系數(shù)為50；積分環(huán)節(jié)系數(shù)為0.4；微分環(huán)節(jié)系數(shù)為0.5。在此基礎(chǔ)上，分別對減速度為1.5 m/s2、3 m/s2、5 m/s2對應系統(tǒng)的制動特性進行仿真分析，具體仿真情景如下：當提升機速度穩(wěn)定在5.2 m/s 并穩(wěn)定運行至5 s 后緊急制動，對制動性能進行分析。具體仿真結(jié)果如表1 所示。

表1 不同制動減速度對應系統(tǒng)制動性能

分析表1 可知，隨著減速度的增加恒減速制動系統(tǒng)的啟動時間逐漸增加，對應的恒減速建立時間分別為 0.33 s、0.37 s、0.46 s，均小于相關(guān)標準規(guī)定的建立時間（要求0.8 s 內(nèi)）；對應的減速過程持續(xù)時間逐漸減少。通過仿真分析可知，在常規(guī)的減速度下所設(shè)計的恒減速制動控制系統(tǒng)的制動性能滿足《安全檢驗規(guī)范》的相關(guān)要求。

3 工業(yè)性試驗

“2”中著重從理論層面研究了提升機恒減速制動控制系統(tǒng)的制動性能，且經(jīng)仿真分析所設(shè)計的恒減速制動控制系統(tǒng)滿足《安全檢驗規(guī)范》的相關(guān)要求[5]。本節(jié)將從現(xiàn)場試驗的層面對制動性能進行試驗，為此根據(jù)圖1 所述的液壓系統(tǒng)原理圖搭建相應的試驗平臺，并對恒減速制動控制系統(tǒng)進行靜態(tài)試驗和動態(tài)試驗。

3.1 恒減速制動控制系統(tǒng)靜態(tài)試驗

所謂靜態(tài)試驗主要是對恒減速制動控制系統(tǒng)中涉及到的液壓元件的性能進行測試，其中著重對電磁換向閥的響應時間和整個制動系統(tǒng)的泄壓響應時間和貼閘響應時間進行測試，測試結(jié)果如表2 所示。

表2 系統(tǒng)靜態(tài)試驗結(jié)果分析

如表2 所示，系統(tǒng)在靜態(tài)狀態(tài)下安全制動時的空程時間僅為0.07 s，滿足《安全規(guī)范》中所規(guī)定的空程時間小于0.3 s 的要求；而且，要求在安全制動過程中滯后時間小于0.15 s，本系統(tǒng)在靜態(tài)狀態(tài)下的滯后時間僅為0.01 s，滿足要求。

3.2 恒減速制動控制系統(tǒng)的動態(tài)試驗

所謂動態(tài)試驗制動是給系統(tǒng)一個減速度對系統(tǒng)的響應時間進行試驗的過程，試驗結(jié)果如下頁表3所示。

表3 系統(tǒng)動態(tài)試驗結(jié)果分析

如表3 所示，在動態(tài)環(huán)境下恒減速制動控制系統(tǒng)的振幅為0.1 MPa，滿足其小于0.2 MPa 的要求；此外貼閘響應時間和系統(tǒng)建立所需的時間也均滿足規(guī)范要求。

4 結(jié)語

恒減速制動控制系統(tǒng)可以解決恒力矩制動控制系統(tǒng)機械沖擊較大且容易出現(xiàn)打滑現(xiàn)象的問題。本文在恒力矩制動控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上增加一套恒減速制動轉(zhuǎn)換系統(tǒng)從而實現(xiàn)提升機的恒減速制動功能，并基于AMESim 軟件對其特性進行仿真分析，建立試驗平臺對其響應特性進行研究，試驗結(jié)果均滿足《安全規(guī)范》的相關(guān)要求。