礦井提升機(jī)恒減速緊急制動(dòng)系統(tǒng)的研究

張小強(qiáng)

（山西西山煤電股份有限公司西曲礦， 山西 古交 030200）

引言

礦井提升機(jī)制動(dòng)系統(tǒng)的作用有：提升機(jī)正常運(yùn)行到位時(shí)穩(wěn)定盤閘正常停車；提升機(jī)工作在減速階段時(shí)提供制動(dòng)力矩降低車速；提升機(jī)發(fā)生掉電等故障情況時(shí)安全制動(dòng)；雙滾筒提升機(jī)調(diào)繩制動(dòng)。按照制動(dòng)過(guò)程的特點(diǎn)劃分，安全制動(dòng)有恒力矩制動(dòng)和恒減速制動(dòng)兩種。恒力矩制動(dòng)是最普遍的制動(dòng)方式，制動(dòng)過(guò)程中的制動(dòng)力矩保持不變，制動(dòng)力矩過(guò)大將導(dǎo)致閘被抱死，提升機(jī)的鋼絲繩等機(jī)械結(jié)構(gòu)會(huì)受到?jīng)_擊造成損傷，制動(dòng)力矩過(guò)小則不能在短時(shí)間內(nèi)停車，可能導(dǎo)致事故擴(kuò)大。為了解決恒力矩制動(dòng)的安全性問(wèn)題，恒減速度制動(dòng)被用于提升機(jī)緊急制動(dòng)中，目前處于推廣普及發(fā)展階段[1-4]。恒減速制動(dòng)系統(tǒng)采用傳感器檢測(cè)提升機(jī)速度和電液比例方向閥的油壓，以制動(dòng)過(guò)程中減速度保持不變?yōu)榭刂颇繕?biāo)，實(shí)現(xiàn)提升機(jī)在緊急制動(dòng)過(guò)程中恒減速制動(dòng)。恒減速緊急制動(dòng)系統(tǒng)的研究對(duì)于保障提升機(jī)的安全性和可靠性具有重要意義。

1 盤式制動(dòng)器的結(jié)構(gòu)及原理

礦用提升機(jī)的制動(dòng)系統(tǒng)包括控制系統(tǒng)、液壓站和盤式制動(dòng)器三部分。盤式制動(dòng)器是制動(dòng)系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，閘瓦作用于制動(dòng)盤上，在滾筒兩側(cè)成對(duì)安裝，不產(chǎn)生附加軸向力。與其他類型制動(dòng)器相比，盤式制動(dòng)器具有體積小、質(zhì)量小、動(dòng)作靈敏、制動(dòng)力矩可調(diào)性好等優(yōu)點(diǎn)。

如圖1 所示，盤式制動(dòng)器的工作原理是靠碟形彈簧產(chǎn)生制動(dòng)力，靠油壓松閘。在液壓作用下油缸充滿液壓油，活塞移動(dòng)，盤形彈簧被壓縮，制動(dòng)器體和閘瓦與制動(dòng)盤分開，即為松閘狀態(tài)；電液比例閥回油后油缸內(nèi)油壓降低，盤形彈簧恢復(fù)原來(lái)的伸展?fàn)顟B(tài)，彈簧推動(dòng)制動(dòng)器體和閘瓦移動(dòng)，活塞移動(dòng)反向移動(dòng)，閘瓦與制動(dòng)盤貼閘完成，即為制動(dòng)狀態(tài)。制動(dòng)狀態(tài)的制動(dòng)力矩取決于油缸內(nèi)液壓油壓。缸內(nèi)油壓為最小時(shí)，所有彈簧力作用在活塞上，制動(dòng)盤所受到的正壓力最大為制動(dòng)狀態(tài)；當(dāng)工作油壓為系統(tǒng)最大油壓時(shí)為松閘狀態(tài)[5-6]。

圖1 盤式制動(dòng)器結(jié)構(gòu)圖

2 恒減速制動(dòng)電液控制系統(tǒng)

2.1 恒減速制動(dòng)原理

《煤礦安全規(guī)程》對(duì)礦井提升機(jī)制動(dòng)系統(tǒng)的制動(dòng)力矩、機(jī)械減速度、鋼絲繩滑動(dòng)極限和空動(dòng)時(shí)間等做出了具體要求，根據(jù)井巷傾角大小不同，提升機(jī)在上提重載和下放重載過(guò)程中各機(jī)械減速度取值范圍都有明確規(guī)定。根據(jù)上述規(guī)程要求和提升機(jī)性能參數(shù)確定制動(dòng)過(guò)程的速度變化曲線，這條曲線的斜率即為恒減速制動(dòng)的減速度期望值a0。啟動(dòng)恒減速制動(dòng)后，以a0為給定減速度，通過(guò)不斷檢測(cè)提升機(jī)實(shí)際運(yùn)行速度判斷實(shí)際減速度a，通過(guò)比較a0和a 的誤差，控制器發(fā)出控制信號(hào)改變液壓站輸出油壓，進(jìn)而改變制動(dòng)力矩，此為制動(dòng)力矩動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)過(guò)程，直到實(shí)際減速度a 調(diào)節(jié)至給定減速度a0。

2.2 恒減速制動(dòng)電液控制系統(tǒng)

恒減速制動(dòng)采用電液控制方式，原理圖如下頁(yè)圖2 所示。系統(tǒng)由電液比例方向閥、蓄能器等液壓裝置和光電編碼器、油壓傳感器和控制器等電控裝置構(gòu)成。液壓系統(tǒng)是電控系統(tǒng)控制盤式制動(dòng)器動(dòng)作的傳動(dòng)裝置，工作原理為：提升機(jī)正常運(yùn)行時(shí)，制動(dòng)系統(tǒng)工作于恒力矩二級(jí)制動(dòng)方式，電液比例方向閥處于常位，盤閘打開處于松閘狀態(tài)，提升機(jī)運(yùn)行至目標(biāo)位置時(shí)盤閘回油，提升機(jī)被抱死；提升機(jī)掉電后發(fā)出緊急制動(dòng)信號(hào)，二級(jí)制動(dòng)電機(jī)和泵失電，蓄能器提供油壓作為回路壓力源，光電編碼器連續(xù)采集滾筒轉(zhuǎn)速，控制器通過(guò)轉(zhuǎn)速計(jì)算提升機(jī)實(shí)際減速度，根據(jù)給定和實(shí)際之間的偏差輸出油壓控制指令，通過(guò)電液比例方向閥改變盤式制動(dòng)器內(nèi)油壓，進(jìn)而改變制動(dòng)力矩。在恒減速緊急制動(dòng)過(guò)程中，盤閘內(nèi)提供的油壓與載荷無(wú)關(guān)，減速度始終保持恒定。

圖2 礦井提升機(jī)恒減速制動(dòng)電液控制系統(tǒng)原理圖

3 模糊化控制在恒減速制動(dòng)的應(yīng)用

恒減速制動(dòng)電液控制系統(tǒng)是一套復(fù)雜的機(jī)電液閉環(huán)控制系統(tǒng)，具有大慣量、非線性時(shí)變的特點(diǎn)，因此控制器設(shè)計(jì)及其參數(shù)整定十分困難。20 世紀(jì)70年代以后出現(xiàn)的模糊控制策略對(duì)于恒減速制動(dòng)控制系統(tǒng)的性能提升具有很高的應(yīng)用和研究?jī)r(jià)值。采用模糊控制策略可以避免建立提升機(jī)數(shù)學(xué)模型，具有超調(diào)量小和響應(yīng)快的特點(diǎn)。模糊控制由模糊變量定義、模糊化、知識(shí)庫(kù)、邏輯判斷和解模糊化組成，在恒減速制動(dòng)系統(tǒng)，提升機(jī)運(yùn)行速度和期望速度的偏差E 及其變化率Ec為輸入變量、比例閥的控制電流U為輸出變量。模糊變量的模糊語(yǔ)言變量取為7 檔，模糊論域?yàn)閧-6，-5，……，5，6}，采用三角形隸屬函數(shù)進(jìn)行模糊化，模糊控制參考Mamdani 模糊控制規(guī)則，解模糊化的方法可采用最大隸屬度法或加權(quán)平均法。模糊控制采用經(jīng)驗(yàn)和人類語(yǔ)言對(duì)恒減速制動(dòng)過(guò)程進(jìn)行描述，控制輸出量經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單轉(zhuǎn)化就能得到實(shí)際電液比例方向閥輸出量，控制過(guò)程大大簡(jiǎn)化。

4 影響制動(dòng)性能因素及其應(yīng)對(duì)措施

1）液壓系統(tǒng)油壓不穩(wěn)。引起油壓不穩(wěn)定的原因通常是閥路不通或有滲漏，最常見的故障點(diǎn)為方向閥和減壓閥有異物卡住，方向閥和減壓閥應(yīng)定期使用汽油清洗。方向閥和減壓閥清潔度好而油壓不穩(wěn)定，則應(yīng)當(dāng)檢查彈簧蓄能器活塞處是否有滲漏痕跡，若有液壓油滲漏則更換密封膠圈，若油壓還不穩(wěn)定則檢查清洗單向閥，保證二級(jí)制動(dòng)穩(wěn)壓系統(tǒng)在穩(wěn)壓過(guò)程中沒(méi)有滲漏處。

2）“貼閘”效果不佳。在緊急制動(dòng)過(guò)程初期，方向閥應(yīng)在很短時(shí)間內(nèi)將制動(dòng)器內(nèi)油壓泄回油箱，以消除盤式制動(dòng)器和制動(dòng)盤之間的間隙，這一動(dòng)作稱之為“貼閘”?！百N閘”動(dòng)作慢將使油壓傳感器檢測(cè)到的壓力差較大，進(jìn)而導(dǎo)致油壓速度雙閉環(huán)系統(tǒng)中初始速度偏差較大。重載下行安全制動(dòng)過(guò)程中“貼閘”效果不佳極易導(dǎo)致飛車和速度超調(diào)。理想的“貼閘”動(dòng)作迅速而準(zhǔn)確，保證貼閘后的摩擦力矩盡量小?！百N閘”是在制動(dòng)器碟形彈簧回彈力和方向閥回油共同作用下完成的，因此盤式制動(dòng)器對(duì)“貼閘”具有關(guān)鍵影響。盤式制動(dòng)器安裝調(diào)試時(shí)應(yīng)當(dāng)仔細(xì)檢測(cè)其各項(xiàng)性能指標(biāo)：制動(dòng)力矩至少為最大靜荷重旋轉(zhuǎn)力矩三倍以上、閘瓦接觸面積應(yīng)足夠大、制動(dòng)器空動(dòng)時(shí)間應(yīng)滿足動(dòng)態(tài)要求等。

3）電液比例方向閥靈敏度不佳。提升機(jī)緊急制動(dòng)時(shí)，盤式制動(dòng)器油壓回路與恒減速制動(dòng)回路相并，方向閥的作用是回油，降低制動(dòng)器內(nèi)部油壓。方向閥性能不佳將導(dǎo)致“貼閘”不及時(shí)，因此應(yīng)當(dāng)保持溢流閥清潔。此外，方向閥對(duì)外界壓力變化十分敏感，“貼閘”完成后，方向閥立即對(duì)油壓進(jìn)行調(diào)節(jié)，由于其本身靈敏度和死區(qū)特性的影響，并不完全按照控制系統(tǒng)的移動(dòng)指令動(dòng)作，導(dǎo)致“貼閘”和恒減速過(guò)程銜接不暢，減速曲線偏離預(yù)期，因此有必要對(duì)電液比例方向閥進(jìn)行靈敏度校準(zhǔn)。