提升機(jī)恒減速制動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及試驗(yàn)

申玉川

（山西陽(yáng)泉煤業(yè)集團(tuán)七元煤業(yè)有限責(zé)任公司機(jī)電運(yùn)輸部， 山西 壽陽(yáng) 045400）

引言

提升機(jī)是煤礦生產(chǎn)的主要運(yùn)輸設(shè)備之一，其不僅承擔(dān)著煤炭的運(yùn)輸任務(wù)，還擔(dān)負(fù)著對(duì)井下設(shè)備和人員的提升任務(wù)。提升機(jī)的提升能力直接決定煤礦的生產(chǎn)能力。一直以來(lái)，提升機(jī)的安全性是保證其提升能力和效率的主要因素，其中多數(shù)安全性問(wèn)題主要由于其制動(dòng)失效和制動(dòng)方式不合理所導(dǎo)致，常見(jiàn)的制動(dòng)故障包括過(guò)卷、松繩、斷繩及滑繩等[1]。為保證提升機(jī)制動(dòng)系統(tǒng)的可靠性，本文重點(diǎn)研究恒減速制動(dòng)系統(tǒng)通過(guò)閉環(huán)反饋方式實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的制動(dòng)，解決當(dāng)前主流恒力矩制動(dòng)系統(tǒng)所存在的一定隱患。

1 恒減速制動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

簡(jiǎn)單的說(shuō)，恒減速制動(dòng)系統(tǒng)可分為安全切換液控系統(tǒng)和電控系統(tǒng)。本小節(jié)重點(diǎn)對(duì)恒減速制動(dòng)系統(tǒng)的安全切換液控系統(tǒng)和電控系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

1.1 安全切換液控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

恒減速液控系統(tǒng)主要是實(shí)現(xiàn)對(duì)制動(dòng)力大小的控制，其決定提升機(jī)制動(dòng)系統(tǒng)的整體性能。恒減速液控系統(tǒng)的核心為液壓站和液控制動(dòng)回路。

液壓站包括各類液壓元器件，其能夠根據(jù)工作任務(wù)對(duì)壓力油進(jìn)行調(diào)節(jié)控制，將能量實(shí)現(xiàn)從一種形式到另一種形式的轉(zhuǎn)變。其中，液壓泵實(shí)現(xiàn)機(jī)械能到液壓能的轉(zhuǎn)換；液壓馬達(dá)和液壓缸實(shí)現(xiàn)液壓能到機(jī)械能的轉(zhuǎn)變；單向閥、節(jié)流閥等閥類產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)回路中流量、壓力及流向的控制。

制動(dòng)器是提升機(jī)制動(dòng)系統(tǒng)的核心部件之一，根據(jù)其結(jié)構(gòu)形式可分為角移式制動(dòng)器、平移式制動(dòng)器和盤(pán)式制動(dòng)器[2]。本文所研究提升機(jī)的制動(dòng)器為盤(pán)式制動(dòng)器，其結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 盤(pán)式制動(dòng)器結(jié)構(gòu)

結(jié)合當(dāng)前在實(shí)際中已經(jīng)應(yīng)用的恒減速制動(dòng)系統(tǒng)的原理及結(jié)構(gòu)組成，根據(jù)提升機(jī)的實(shí)際工況設(shè)計(jì)了更為高效、安全的安全切換恒減速液壓站回路?；诎踩袚Q恒減速液壓控制回路，可實(shí)現(xiàn)對(duì)提升機(jī)制動(dòng)系統(tǒng)在充油階段、開(kāi)車階段、工作階段、停車階段實(shí)現(xiàn)恒減速制動(dòng)、二級(jí)制動(dòng)及一級(jí)制動(dòng)功能。安全切換恒減速液壓回路的總體設(shè)計(jì)決定了制動(dòng)的有線順序?yàn)橐患?jí)安全制動(dòng)、二級(jí)安全制動(dòng)、恒減速安全制動(dòng)和工作制動(dòng)。也就是說(shuō)，在正常工作制動(dòng)的情況下可切換為安全制動(dòng)狀態(tài)；在恒減速安全制動(dòng)的情況下可視情況切換至二級(jí)制動(dòng)狀態(tài)。上述制動(dòng)方式的安全切換大大提升了整機(jī)的制動(dòng)可靠性[3]。

1.2 恒減速制動(dòng)電控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

為進(jìn)一步提升制動(dòng)系統(tǒng)的可靠性，傳統(tǒng)制動(dòng)系統(tǒng)對(duì)應(yīng)的電控系統(tǒng)為提升機(jī)主控系統(tǒng)。為此，專門針對(duì)其設(shè)計(jì)獨(dú)立的電控系統(tǒng)。從整體上分析，制動(dòng)電控系統(tǒng)包括主功能和輔助功能兩部分，其中主功能主要實(shí)現(xiàn)制動(dòng)器的工作制動(dòng)和安全制動(dòng)；輔助功能實(shí)現(xiàn)對(duì)制動(dòng)狀態(tài)參數(shù)的監(jiān)控、記錄、顯示和報(bào)警?？紤]到電控系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性，本電控系統(tǒng)的核心控制器為PLC。具體控制方案如圖2 所示。

圖2 電控系統(tǒng)PLC 控制方案

由圖2 可知，PLC 控制器可對(duì)系統(tǒng)工作參數(shù)進(jìn)行采集，同時(shí)通過(guò)壓力、溫度及速度傳感器對(duì)設(shè)備的工作狀態(tài)進(jìn)行采集；綜合分析后得出在相應(yīng)控制策略的支撐下得出控制指令，實(shí)現(xiàn)對(duì)提升機(jī)的制動(dòng)安全、可靠性控制。在上述硬件的基礎(chǔ)上，基于如圖3所示的制動(dòng)控制流程，完成提升機(jī)恒減速制動(dòng)功能的實(shí)現(xiàn)。

圖3 恒減速制動(dòng)電控系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)流程

由圖3 可知，首先根據(jù)提升容器是否位于井中，決定是否采用一級(jí)制動(dòng)指令或貼閘皮指令；根據(jù)所采集的參數(shù)判斷是否允許恒減速制動(dòng)并開(kāi)始執(zhí)行指令，一旦恒減速制動(dòng)失效后，系統(tǒng)立即采用二級(jí)制動(dòng)，保證提升機(jī)最終可靠制動(dòng)停車。

2 提升機(jī)恒減速制動(dòng)策略及試驗(yàn)研究

本節(jié)重點(diǎn)對(duì)恒減速制動(dòng)策略進(jìn)行設(shè)計(jì)，并通過(guò)仿真分析對(duì)制動(dòng)性能進(jìn)行研究。

2.1 提升機(jī)恒減速制動(dòng)策略的設(shè)計(jì)

提升機(jī)恒減速制動(dòng)控制屬于一個(gè)自動(dòng)實(shí)時(shí)控制過(guò)程，鑒于該控制過(guò)程的復(fù)雜性，采用簡(jiǎn)單的PID 控制器并不能實(shí)現(xiàn)最終的控制功能，達(dá)到最終的控制效果。為此，本工程基于RBF 對(duì)恒減速制動(dòng)過(guò)程中的PID 控制參數(shù)進(jìn)行最優(yōu)化調(diào)整，從而彌補(bǔ)傳統(tǒng)PID 控制器控制能力不足、制動(dòng)可靠性偏低的問(wèn)題。

2.2 恒減速制動(dòng)試驗(yàn)研究

基于恒減速制動(dòng)系統(tǒng)的液壓回路、電控硬件及軟件、控制策略設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，為驗(yàn)證所設(shè)計(jì)恒減速制動(dòng)控制系統(tǒng)的制動(dòng)性能[4]，本文通過(guò)搭建仿真模型對(duì)其制動(dòng)性能進(jìn)行仿真分析，重點(diǎn)對(duì)基礎(chǔ)的恒減速制動(dòng)性能進(jìn)行仿真分析。

基于RBF 對(duì)PID 控制參數(shù)的最優(yōu)化調(diào)整后對(duì)應(yīng)的參數(shù)分別如下：比例環(huán)節(jié)系數(shù)為0.9，節(jié)分環(huán)節(jié)系數(shù)為0.4，微分環(huán)節(jié)系數(shù)為0.01。仿真條件如下：系統(tǒng)在5 s 時(shí)開(kāi)始恒減速制動(dòng)，仿真結(jié)果如圖4 所示。

圖4 恒減速制動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)仿真結(jié)果

由圖4 可知，系統(tǒng)開(kāi)始恒減速制動(dòng)操作時(shí)，在5 s的時(shí)間內(nèi)速度從6.6 m/s 降為零；同時(shí)，整個(gè)制動(dòng)過(guò)程中減速度處于相對(duì)波動(dòng)狀態(tài)，平均值為1.3 m/s2。而且，在整個(gè)制動(dòng)過(guò)程中滾筒的實(shí)際速度與參考速度之間的最大誤差僅為9%，減速度的波動(dòng)范圍也滿足《煤炭安全規(guī)程》的相關(guān)規(guī)范要求[5]。

3 結(jié)論

1）通過(guò)恒減速制動(dòng)系統(tǒng)，可解決恒力矩制動(dòng)控制系統(tǒng)可靠性低、安全性低的問(wèn)題。

2）基于RBF 較強(qiáng)的自適應(yīng)能力，可對(duì)PID 控制器的積分、微分及比例環(huán)節(jié)三個(gè)系數(shù)進(jìn)行最優(yōu)化調(diào)整，解決傳統(tǒng)PID 控制能力不足的問(wèn)題；同時(shí)，基于RBF 調(diào)整后所得PID 控制器的系數(shù)分別為：比例環(huán)節(jié)系數(shù)為0.9，節(jié)分環(huán)節(jié)系數(shù)為0.4，微分環(huán)節(jié)系數(shù)為0.01。

3）通過(guò)仿真分析可知，基于本文所設(shè)計(jì)的恒減速制動(dòng)系統(tǒng)，可保證在整個(gè)制動(dòng)過(guò)程中滾筒的實(shí)際速度與參考速度之間的最大誤差僅為9%，減速度的波動(dòng)范圍也滿足《煤炭安全規(guī)程》的相關(guān)規(guī)范要求。