武 波

(西山煤電集團(tuán)有限責(zé)任公司西曲礦，山西 太原 030000)

0 引 言

隨著我國經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，我國能源的消耗量也呈現(xiàn)增大的趨勢。煤炭資源一直是我國工業(yè)發(fā)展的重要保證，每天煤炭資源消耗量占據(jù)全部能源消耗的7成以上，所以高效開采，可持續(xù)發(fā)展一直是煤礦開采的重要目標(biāo)。礦井提升機(jī)是我國礦井物料、原煤等提升的重要設(shè)備，在礦井正常生產(chǎn)過程中，由于提升機(jī)發(fā)生故障導(dǎo)致礦井生產(chǎn)效率降低的事件屢有發(fā)生，其工作性能直接影響著礦井開采效率[1]，在提升機(jī)的日常運行過程中，常會出現(xiàn)由于液壓制動系統(tǒng)控制精度差等引起的松繩、斷繩、過卷等事故，事故一旦發(fā)生將會造成難以估量的損失，同時由于礦井工作環(huán)境較為惡劣，設(shè)備的維修極為困難，造成機(jī)械窩工，提升礦井提升機(jī)的運行安全性及其制動系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計優(yōu)化十分必要[2]。

針對傳統(tǒng)提升機(jī)電壓液控系統(tǒng)存在的問題，基于恒減速電液控制系統(tǒng)對其進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，有效降低了提升機(jī)恒減速液控系統(tǒng)失效造成的安全問題。為礦井高效發(fā)展及安全運行提供了一定的保障。

1 恒減速電液控制系統(tǒng)設(shè)計方案

1.1 礦井提升機(jī)制動系統(tǒng)組成及原理

礦井提升機(jī)的制動系統(tǒng)是由制動閘組，液壓部分和電氣部分組成，目前國內(nèi)主要的制動方式有安全制動和工作制動，工作制動是礦井提升機(jī)在完成一次提升工作后進(jìn)行的停車制動，目前較為常用，安全制動是指在運行過程中，由于發(fā)生故障，避免人員、機(jī)械等造成各損害而進(jìn)行的緊急制動，安全制動一般很少發(fā)生，這是保障人員及設(shè)備安全的最后環(huán)節(jié)，安全制動按照其方式可分為恒力矩一級、二級安全制動和恒減速制動三種，其中恒減速制動系統(tǒng)是通過內(nèi)部反饋而實現(xiàn)的提升機(jī)制動方式，控制系統(tǒng)通過檢測滾筒速度來調(diào)節(jié)制動器的減速度，有效提升制動性能[3]。

1.2 恒減速液壓控制系統(tǒng)原理

礦井提升機(jī)的恒減速液壓控制系統(tǒng)是由電控柜、制動器及液壓站組合而成，其中電控柜作為控制的核心，其主要起到控制作用，通過電控柜發(fā)出的控制信號，實現(xiàn)控制油壓力及制動力的目的。滾筒制動信號流程如圖1所示。

從圖1中可以看出，控制柜通過監(jiān)控滾筒的運行信號進(jìn)行及時的分析，通過分析將電信號傳輸至液壓站，此時液壓站將電信號轉(zhuǎn)化為油壓力傳遞到制動閘，制動閘根據(jù)油壓力及時控制滾筒的速度，而滾筒速度的降低及時反饋至控制柜，從而實現(xiàn)實時的閉合自控。

圖1 滾筒制動信號流程圖

1.3 恒減速電控系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計方案

傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)控制效果差，急啟急停極易出現(xiàn)松繩、斷繩、過卷等事故，對恒減速電控系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，在進(jìn)行緊急啟動或者制動時可以更好的滿足提升機(jī)加速度控制平穩(wěn)的目標(biāo)。

恒減速控制系統(tǒng)包含電控子系統(tǒng)和液控系統(tǒng)，電控子系統(tǒng)是恒減速控制系統(tǒng)的核心，其主要負(fù)責(zé)安全制動及工作開合閘，其輔助功能為顯示、記錄、監(jiān)控、報警等，電液控制系統(tǒng)對提升機(jī)制動進(jìn)行控制，采用PLC控制器對恒減速液壓站進(jìn)行控制，作為電控系統(tǒng)的控制器其主要負(fù)責(zé)完成一級、二級制動及恒減速制動等任務(wù)[4]。PLC系統(tǒng)的組成如表1所列。

表1 PLC系統(tǒng)的組成表

系統(tǒng)的控制層主要包含輸入、輸出層和管理層，恒減速安全制動是通過輸出層進(jìn)行滾筒速度的監(jiān)控，將數(shù)據(jù)反饋至管理層，管理層經(jīng)過分析后將命令傳輸至輸出層，從而達(dá)到制動目的，電控系統(tǒng)構(gòu)架如圖2所示。

圖2 電控系統(tǒng)構(gòu)架圖

如圖2所示，其中輸入層負(fù)責(zé)信號及模擬量的采集，其主要由油壓傳感器、各種傳感器及編碼器組成，控制層主要負(fù)責(zé)邏輯分析，通過計算處理、協(xié)調(diào)處理、轉(zhuǎn)換處理等進(jìn)行分析，通過HMI進(jìn)行系統(tǒng)通訊，輸出層是由電磁換向閥、伺服閥等執(zhí)行器件組成，而管理層采用HMI來實現(xiàn)人機(jī)交互，實時顯示系統(tǒng)中各軟件的運行情況，且能實現(xiàn)人工操作[5]。

系統(tǒng)軟件流程設(shè)計主要是:液壓啟動功能流程為在控制器接收到啟動命令后進(jìn)行系統(tǒng)電氣檢查，對滾筒速度、油液高度等進(jìn)行檢查，當(dāng)發(fā)現(xiàn)故障后進(jìn)行及時閉鎖，未發(fā)現(xiàn)故障后進(jìn)行電磁閥歸位。工作開閘功能是在液壓啟動后對液壓站充油進(jìn)行檢測，發(fā)現(xiàn)油路油壓不正常則閉鎖開車，系統(tǒng)油壓正常則進(jìn)行 開閘命令，開閘后對滾筒速度進(jìn)行實時監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)不正常及時閉鎖停車。安全制動功能是恒減速電液控制系統(tǒng)最核心的部門，其流程圖如圖3所示。

圖3 安全制動流程示意圖

如圖3所示，系統(tǒng)運行過程中，當(dāng)發(fā)現(xiàn)安全信號出現(xiàn)掉電情況，此時安全制動系統(tǒng)會立即運行，進(jìn)行安全制動，限制油泵工作，此時系統(tǒng)會判別提升機(jī)是否位于井內(nèi)，當(dāng)提升機(jī)位于井內(nèi)此時執(zhí)行貼閘皮指令，此時系統(tǒng)判別是否能夠進(jìn)行恒減速制動，容許則進(jìn)行恒減速制動，不容許則進(jìn)行二級制動判別，可進(jìn)行二級制動則進(jìn)行二級制動，不行則進(jìn)行一級制動，最終滾筒速度降至為0，此時完成閉鎖開車，系統(tǒng)一個流程結(jié)束。同時系統(tǒng)擁有監(jiān)測診斷功能，分別通過液位控制器、壓力傳感器、速度傳感器、壓力繼電器等對系統(tǒng)液位、壓力、速度等進(jìn)行監(jiān)測。

2 仿真模擬研究

利用仿真軟件Adams對恒減速制動系統(tǒng)進(jìn)行制動模擬研究，首先進(jìn)行仿真環(huán)境的設(shè)置，利用外接結(jié)構(gòu)Simulink進(jìn)行仿真建立，首先給出提升機(jī)系統(tǒng)的主要參數(shù)，活塞的直徑和油缸的直徑分別為58.8 mm和110 mm，單個盤型制動器的最大正壓力43 kN，摩擦因素和摩擦半徑分別為0.3和620 mm。二級制動油壓為3.6 MPa，正常工作油壓為6.3 MPa。完成技術(shù)參數(shù)設(shè)定后對PID進(jìn)行設(shè)置，設(shè)定數(shù)值為0.9，微分大小為0.01，積分大小為0.4，在5 s時進(jìn)行恒減速制動，恒減速制動運動模擬曲線如圖4所示。

圖4 恒減速制動運動模擬曲線

如圖4可以看出，系統(tǒng)在5 s之前正常運行，當(dāng)在第5 s時發(fā)生安全減速制動，此時提升機(jī)的運行速度從6.6 m/s降逐步降低至0，觀察減速的加速度為1.3 m/s2，當(dāng)在時間來到10 s時，此時的提升機(jī)的速度減至0，可以看出當(dāng)進(jìn)行恒減速制動時，此時的加速度一直保持在-1.3 m/s2附近，在此范圍上下波動，同時通過觀察曲線可以看出，滾筒的速度在5 s內(nèi)能夠降低至零，此時加速度的最大差值為9%，根據(jù)實際需求可知，恒減速電液控制器加速度波動小于15%，恒減速電液控制器能夠滿足正常工作要求，達(dá)到設(shè)計優(yōu)化目標(biāo)，同時新設(shè)計的恒減速電液控制系統(tǒng)在礦井1個月的使用過程中，未出現(xiàn)松繩、斷繩、過卷等事故，有效的降低了制動引起的事故率，達(dá)到了優(yōu)化設(shè)計目的。

3 結(jié) 語

針對原有提升機(jī)制液壓制動系統(tǒng)制動效果差，事故率高的問題，提出了恒減速電液控制系統(tǒng)，給出了系統(tǒng)硬件及軟件的組成，對液壓啟動功能、工作開閘功能、安全制動功能流程進(jìn)行介紹，同時通過建立恒減速液壓控制系統(tǒng)仿真模型，對恒減速電控控制設(shè)計方案可行性進(jìn)行驗證，通過仿真模擬發(fā)現(xiàn)，滾筒的速度在5 s內(nèi)能夠降低至0，且恒減速電液控制系統(tǒng)的加速度波動小于15%，滿足正常生產(chǎn)需求，新設(shè)計的恒減速電液控制裝置在使用過程中有效降低了松繩、斷繩、過卷等事故。