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    提升機恒減速制動系統(tǒng)設(shè)計及試驗研究

    2021-05-19 09:16:02
    機械管理開發(fā) 2021年3期
    關(guān)鍵詞:提升機原理圖力矩

    趙 巖

    (白洞礦業(yè)有限責(zé)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(dān)著作業(yè)人員、物料以及設(shè)備的運輸任務(wù)。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(yán)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(yán)重的問題,同時兼顧當(dāng)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(dāng)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(biāo)準(zhǔn)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(dāng)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(fù)控制;

    2)當(dāng)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(dāng)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(yīng)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(yīng)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(dāng)提升機處于正常運行狀態(tài)時,其對應(yīng)的制動系統(tǒng)為恒力矩制動系統(tǒng);當(dāng)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(yīng)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(fù)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(yīng)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(fù)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(yīng)時間、超調(diào)量以及精度等要求,在反復(fù)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(yīng)系統(tǒng)的制動特性進行仿真分析,具體仿真情景如下:當(dāng)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(yīng)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(yīng)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(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的建立時間(要求0.8 s 內(nèi));對應(yīng)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(yīng)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(yīng)時間和整個制動系統(tǒng)的泄壓響應(yīng)時間和貼閘響應(yīng)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(yīng)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(yīng)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(yīng)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。

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