不同工況對提升機系統動態特性的影響研究

高 靜

（西山煤電建筑工程集團有限公司礦建分公司， 山西 太原 030000）

0 引言

在煤礦生產中，礦井提升設備屬于主要的運輸裝備，其主要功能是用以提升煤炭、運輸材料、人員及設備，是井上與井下連接的重要樞紐，有著“咽喉”之稱[1]。礦井提升機種類有單繩纏繞式提升機和多繩摩擦式提升機，其中，單繩式因不能滿足目前礦井生產需求，已很少被使用[2]；而多繩摩擦式具有重量輕、提升重量大、耗能少及安全性高等大量優點[3]，被煤礦企業廣泛應用，因此，本文就主要研究多繩摩擦式提升機。多繩摩擦式提升機主要組成有制動系統、減速器、摩擦輪、電動機及操縱系統等，其工作原理是通過摩擦輪襯墊和鋼絲繩間的作用力，克服在摩擦輪兩側鋼絲繩產生的張力差，來傳遞摩擦力[4]，實現連續提升過程。傳統中，提升機多采用“驅動電機+聯軸器+減速器+卷筒”的結構形式，而本文主要研究永磁驅動提升機，其不同于傳統提升機結構，省掉聯軸器、減速器中間傳動環節，是基于永磁表貼式外轉子同步電機原理設計。因此，為實現該礦井提升機系統的穩定安全運行，本文仿真研究其在不同工況下的提升動態特性，為實踐應用提供參考依據。

1 不同工況對提升機動態特性的影響

本文以永磁驅動提升機為研究對象，區別于傳統結構提升機，其省掉聯軸器、減速器中間傳動環節，基于永磁表貼式外轉子同步電機原理而設計，其中，永磁體具有更大的磁能密度及更高的退磁溫度，而表貼式外轉子的電磁性能為隱極轉子結構，很大程度上影響提升機的控制系統。因此，為獲得該提升系統的動態性能，保證其穩定安全運行，本文主要仿真研究在不同加速度大小、加速度曲線及有無負載干擾下的提升機運行情況。

1.1 加速度大小的影響

為便于仿真研究，本文先采用以梯形為加速度的曲線，設置其余參數為提升高度600 m，最大速度8 m/s，采用傳統PI 控制器。分析在加速度a 大小分別為0.4 m/s2、0.6 m/s2和0.8 m/s2時提升機的動態特性，如圖1 所示。

圖1 提升機運行狀態

圖1 為不同加速度大小下的提升機轉速、轉矩曲線。圖1 中，提升機基本能夠實現對設定速度曲線的跟隨。在加速結束、減速過程中，提升機都存在不同程度的超調，且振蕩一段時間后系統又恢復穩定。分析不同加速度提升機的速度曲線，在加速和減速過程中，超調量隨加速度增大而增大，且達到穩態的時間也越長。圖1-2 中，提升機電磁轉矩總體上為上升，主要是因為單位長度的首繩質量小于尾繩，在提升階段的載荷不斷增大，對電磁轉矩的要求也不斷增大。因速度曲線出現突變的情形，造成在加速、減速開始和加速、減速結束過程中，提升機電磁轉矩振蕩明顯的情況，且電磁轉矩、轉矩的振蕩幅度均隨加速度的增大而增大。

1.2 加速度曲線的影響

上述分析中，當提升機采用恒定加速度時，無論加速度為多少，都會出現加速度突變的現象，引起系統振動和沖擊。本節中，對比研究梯形、正弦及恒定加速度對提升系統的影響規律，設置最大加速度是0.8m/s2、最大速度是8 m/s，如圖2 所示。

圖2 不同加速度曲線下的提升機運行狀態

圖2 為不同加速度曲線下的提升機轉速、轉矩曲線。圖2-1 中，當采用不同的加速度曲線時，加速完成的時間也不一樣。正弦加速度曲線達到最大速度所需時間最長，恒定加速度用時最短，梯形加速度居中。在恒定加速度下，轉速存在一定的超調，而正弦和梯形加速度的轉速基本無超調。圖2-2 中，對比分析提升機的轉矩曲線，當采用連續變化的加速度曲線時，顯著改善了提升機轉矩的超調和速度波動現象，但是在加速和減速過程中，采用梯形加速度曲線的提升機轉矩仍出現一定的波動，而采用正弦加速度的轉矩變化相對穩定。

綜上分析，加速度曲線明顯影響提升機運行的穩定性，加速度波動越大，在加速度突變時提升機的超調越大，但是在提升機實際運行中，仍盡可能選用較大的加速度，保證提升系統的運行效率。梯形、正弦加速度能夠明顯降低提升系統的波動，且正弦加速度的效果更為顯著。

1.3 負載干擾的影響

礦井提升機在實際運行中，經常會發生負載波動的現象，因此，為保證提升系統在負載干擾下能夠正常運行，本文對比研究其在有無負載干擾下的運行情況，其中，干擾設置為給滾筒施加20 000 N 和10 Hz的噪聲干擾，如圖3 所示。

圖3 負載干擾下提升機運行狀態

圖3 為提升機轉速和轉矩曲線。圖3-1 中，負載擾動下，總體上可實現對速度曲線的跟隨，但還是不能避免因負載擾動產生的波動。當有負載擾動時，恒定和正弦加速度下的提升機速度響應也存在波動，且波幅值與速度曲線類型無關。圖3-2 中，在負載擾動下，提升機轉矩也存在脈動現象，當提升機減速停車后，制動器抱閘，轉矩波動消失。

2 結論

本文以永磁驅動提升機為研究對象，不同于傳統提升機結構，省掉聯軸器、減速器中間傳動環節，是基于永磁表貼式外轉子同步電機原理設計。因此，為獲得該提升系統的動態特性，實現其穩定安全運行，本文仿真研究在不同加速度大小、加速度曲線及負載干擾下的提升機運行情況。結論如下：

1）不同加速度下，提升機基本能夠實現對設定速度曲線的跟隨，但加速度大小對提升機運行狀態有著顯著影響。加速度越大，速度超調量越大，系統恢復穩態的時間就會較長，且提升機轉矩、轉矩振蕩幅度也越大。

2）不同加速度曲線明顯影響提升機運行的穩定性，采用梯形、正弦加速度對提升機的速度超調有明顯的抑制效果，且采用正弦加速度，提升機轉矩變化更穩定。

3）當存在負載擾動時，提升機轉速、轉矩都存在速度波動現象，且不同速度曲線同負載波動幅值無明顯關聯。