礦井提升機恒減速電液控制系統的設計研究

張百慧

（晉能控股集團忻州窯礦大型設備隊，山西 大同 037003）

引言

作為礦機中的重要設備之一，提升機具有運輸量大、運行速度快、運行距離長的特點，承擔著運送井下設備、工具及工作人員的任務，其效率、穩定性決定著煤礦的生產效率[1-2]。近年來，隨著科技與人工智能的發展，提升機的設備和安全保障方面都得到了快速發展，但其在輸送過程中仍常出現故障，多數故障和提升機的制動系統有關，當出現安全危險時制動系統是保障設備、人員等的最后一道屏障，由于制動系統是通過液壓系統來調節的，因此，為了提高制動過程的可靠性和安全性，對液壓站的液壓系統進行合理設計是必不可少的[3-4]。

1 礦井提升機恒減速電液控制系統的組成

礦井提升機恒減速電液控制系統中包含著電控柜、液壓站、制動器，是集合了電氣、液壓和機械為一體的復雜控制系統，需要完成提升部件的開動與停止，電控柜作為電控系統的核心，具有控制和調節的作用，液壓站受控于電控系統，通過調節制動油壓的大小來調節制動閘，完成制動過程，其中制動過程中滾動的電信號反饋給電控箱，監測制動情況，制動系統對于制動過程的執行與反饋可保障提升機上設備和人員的安危，見圖1。

圖1 礦井提升機恒減速電液控系統電信號的傳遞圖

2 礦井提升機恒減速電液控制系統的設計

2.1 液壓站的設計

在恒減速電液控制系統功能設計要求的基礎上，依據新標準中對油液回路的要求、多種制動獨立控制的要求等，設計恒減速電液控制系統中的液壓站有兩種不同的制動功能，三種不同的安全制動方式，四個工作階段。液壓站的工作包括充油、開車、工作、停車四個階段，四個階段依次進行組成開合閘回路系統，四個階段循環便構成提升機的工作循環，充油階段為開車前充油檢測時系統控制，自動進行。在該系統下，多種渠道的制動方式，獨立的制動設計使得制動失效風險降低，系統的安全性和可靠性水平較之前有所提高。

2.2 制動回路的設計

礦井提升機恒減速電液控制系統的制動回路主要包括工作制動回路、一級制動回路、二級制動回路、恒減速制動回路等，設計時將運行階段的供油回路和制動階段的回油回路設置為獨立回路，互不干擾，其中制動階段的回油回路設置兩條以避免其中一條失效，關鍵的電磁換向閥必須有冗余，在制動過程中該電磁換向閥要有優先權，即設計的制動回路需考慮多種情況下都能有效制動。如圖2 所示為安全制動流程圖。

圖2 安全制動流程圖

另外，在關鍵的油路節點上要加裝油壓檢測，通過精密壓力表、壓力繼電器、壓力傳感裝置等來監控油壓。根據不同的情況擇優選擇制動回路，恒減速制動是主要的制動回路，當恒減速制動回路安全信號掉電時，系統立即啟用一、二級制動的選擇程序，快速做出判斷，擇優啟動制動回路。

在恒減速制動回路工作時，理論的制動距離可通過公式（1）計算出來：

式中：s 為理論制動距離，m；v0為初始制動速度，m/s；a 為制動減速度，m/s2。

可見，理論制動距離的長度受初始制動速度和制動減速度的影響，但初始制動速度會很快，系統在計算時要考慮制動滯后的影響，因此設計時考慮了恒減速制動距離必須大于理論制動距離，避免制動距離超過停車點撞擊井架事故的發生，流出最后階段制動位置調整的時間和距離。即便恒減速制動回路制動效果不佳，也有執行備用制動回路的時間和空間。

2.3 電控系統的設計

礦井提升機恒減速電液控制系統的電控系統是與液壓系統共同作業的重要系統，分為輸入層、控制層輸出層和管理層，其中輸入層主要負責對現場數據的采集并轉化為信號輸出給控制層，主要由監測部件（傳感器、編碼器等）組成；控制層通過對輸入層信號的分析處理，發出控制指令，完成與管理層的通訊；輸出層則是負責將控制指令按程序設置完成執行；管理層則是通過監控軟件對輸入層和輸出層的實時狀態進行顯示，并對系統的必要參數進行設置或更改，建立人機交互的智能反饋。

本方案的提升機恒減速電控制系統采用閉環控制的方式來實現對制動回路的精準控制，利用PLC作為電控系統的控制器，結合HMI 完成通訊功能，系統具備的靈活性、可靠性、抗干擾性強等優點。電控系統包括主要功能和輔助功能兩部分，如圖3 所示，主要功能控制液壓系統安全制動的執行和提升機的開合閘，實現工作制動和安全制動；輔助功能為監控、記錄、顯示和報警，例如電磁閥的工作狀態的記錄和監控，油壓和油量的監控和記錄等，當故障出現時，便于控制人員查找異常狀態部件并根據報警快速分析故障部位。

圖3 電控系統圖

3 礦井提升機恒減速電液控制系統的仿真研究

根據現場情況，分別建立了動力學模型、液壓回路模型，再通過聯合仿真的方式在Simulink 平臺中建立了恒減速電液控制系統。通過對比，發現該礦井提升機恒減速電液控制系統制動回路安全可靠，在恒減速制動回路失效的情況下，可安全切換為一級或者二級制動，有效避免了制動失效的情況。

4 結論

結合新標準，通過對該礦井提升機恒減速電液控制系統的研究得出以下結論：

1）多種渠道的制動方式，獨立的制動設計使得該系統的制動失效風險降低；

2）該礦井提升機恒減速電液控制系統的液壓系統的安全性和可靠性水平較之前有所提高。