礦用無(wú)極繩絞車(chē)液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與模擬分析

牛 昊

（大同煤礦集團(tuán)有限公司忻州窯礦，山西 大同 037003）

無(wú)極繩絞車(chē)具有提升能力大、占地面積小、使用方便等特點(diǎn)，是煤礦井下重要的運(yùn)輸輔助工具，但是絞車(chē)的控制大多是采用手柄控制方式，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)絞車(chē)提升設(shè)備運(yùn)輸速度、升降進(jìn)行控制，手動(dòng)控制時(shí)存在控制精度低、缺乏監(jiān)控、安全性不高、驅(qū)動(dòng)裝置受到的沖擊比較大等問(wèn)題[1～3]。筆者根據(jù)煤礦井下常用的JKY型號(hào)液壓無(wú)極繩絞車(chē)為例，重新對(duì)液壓控制系統(tǒng)進(jìn)行構(gòu)建，以便實(shí)現(xiàn)提升絞車(chē)的自動(dòng)化控制水平，增強(qiáng)礦井絞車(chē)的安全使用系數(shù)，降低井下工作人員勞動(dòng)強(qiáng)度。

1 JKY絞車(chē)控制原理

圖1 絞車(chē)控制示意圖

在對(duì)絞車(chē)進(jìn)行控制時(shí)，井下操作人員通過(guò)采空絞車(chē)控制手柄來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)絞車(chē)變量泵體（ZBS-H915）轉(zhuǎn)子偏心度進(jìn)行控制，從而控制變量泵體流量值大小，達(dá)到對(duì)絞車(chē)運(yùn)行速度控制的目的[4～5]。具體的液壓絞車(chē)控制原理如圖1所示。開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)中未設(shè)置相關(guān)反饋裝置，絞車(chē)操作人員需要不斷的調(diào)節(jié)手柄進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)液壓絞車(chē)運(yùn)行速度的控制。由于設(shè)備上未有相關(guān)反饋以及顯示裝置，因此絞車(chē)運(yùn)行過(guò)程的中速度，運(yùn)行的平穩(wěn)程度以及準(zhǔn)確性往往需要憑借絞車(chē)司機(jī)的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行判斷[6]。

2 液壓控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)自動(dòng)控制原理分析

絞車(chē)工作存在三種狀態(tài)：絞車(chē)下方、上體以及停止制動(dòng)，設(shè)計(jì)的系統(tǒng)中單片機(jī)可以根據(jù)控制手柄輸入信號(hào)大小以及控制手柄處于的狀態(tài)來(lái)對(duì)絞車(chē)的運(yùn)行狀態(tài)輸入情況進(jìn)行判斷，并作出一定的相應(yīng)，圖2是系統(tǒng)的具體判別流程。

圖2 絞車(chē)運(yùn)行狀態(tài)判別流程

絞車(chē)在提升相關(guān)設(shè)備以及材料過(guò)程中，控制手柄處于向上推動(dòng)狀態(tài)，推入量越大，運(yùn)轉(zhuǎn)速度越快，此時(shí)設(shè)備中三位四通電磁閥運(yùn)行狀態(tài)是處于左側(cè)，兩位兩通電磁閥運(yùn)行狀態(tài)是處于右側(cè)，兩位兩通電磁閥處于完全開(kāi)啟狀態(tài)，用以絞車(chē)制動(dòng)的制動(dòng)器處于松閘，驅(qū)動(dòng)電機(jī)處于正轉(zhuǎn)狀態(tài)，帶動(dòng)鋼絲繩將設(shè)備以及材料進(jìn)行提升，系統(tǒng)中的PID控制設(shè)備以及PLC單片機(jī)共同作用來(lái)根據(jù)手柄推入大小通過(guò)控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速來(lái)對(duì)絞車(chē)卷筒轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制；當(dāng)絞車(chē)下方設(shè)備或者材料時(shí)，三位四通電磁閥、兩位四通電磁閥、兩位兩通電磁閥與絞車(chē)提升狀態(tài)時(shí)的位置正好相反，分別處于右側(cè)、左側(cè)及關(guān)閉狀態(tài)。經(jīng)過(guò)1.5s時(shí)間后，兩位兩通電磁閥開(kāi)啟，絞車(chē)的液壓制動(dòng)器處于松閘狀態(tài)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)發(fā)轉(zhuǎn)，下放設(shè)備材料，PID控制設(shè)備以及PLC單片機(jī)同樣通過(guò)控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)速度來(lái)達(dá)到對(duì)絞車(chē)下放速度的控制。當(dāng)絞車(chē)需要停止運(yùn)行時(shí)，控制手柄處于未處于動(dòng)作狀態(tài)，PID控制設(shè)備以及PLC單片機(jī)協(xié)同將絞車(chē)卷筒的運(yùn)轉(zhuǎn)速度降低至0，并控制液壓制動(dòng)器，使其處于開(kāi)啟狀態(tài)。當(dāng)絞車(chē)需要進(jìn)行緊急停車(chē)時(shí)，也可以通過(guò)手動(dòng)拉起設(shè)備旁的制動(dòng)拉桿，來(lái)實(shí)現(xiàn)停止卷筒運(yùn)轉(zhuǎn)目的。

2.2 速度自動(dòng)調(diào)速分析

2.2.1 轉(zhuǎn)速控制分割

絞車(chē)控制手柄進(jìn)行操作時(shí)，單片機(jī)中的模數(shù)轉(zhuǎn)換器對(duì)目標(biāo)讀數(shù)進(jìn)行讀取，并與驅(qū)動(dòng)電機(jī)目前的運(yùn)轉(zhuǎn)速度進(jìn)行比對(duì)，差值取值為△w。當(dāng)控制手柄操作需要的轉(zhuǎn)速與當(dāng)前驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速方向一致時(shí)，單片機(jī)將△w絕對(duì)值除以20r/min，取得的數(shù)值即為需要的目標(biāo)轉(zhuǎn)速，將目標(biāo)轉(zhuǎn)速進(jìn)行取整，并記作i，并將目標(biāo)轉(zhuǎn)速分割成（i+1）個(gè)階段目標(biāo)運(yùn)轉(zhuǎn)速度，前i個(gè)階段的目標(biāo)轉(zhuǎn)速度控制時(shí)間均保持為1s。當(dāng)取得的△w值為正數(shù)時(shí)，在前i個(gè)階段，每個(gè)階段驅(qū)動(dòng)電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)速度增加20r/min，一直持續(xù)到第i階段結(jié)束，在第i階段結(jié)束以后，目標(biāo)轉(zhuǎn)速增加到控制手柄需要的轉(zhuǎn)速；當(dāng)取得的△w值為負(fù)數(shù)時(shí)，在前i個(gè)階段，每個(gè)階段驅(qū)動(dòng)電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)速度減少20r/min，一直持續(xù)到第i階段結(jié)束，在第i階段結(jié)束以后，目標(biāo)轉(zhuǎn)速增加到控制手柄需要的轉(zhuǎn)速。

當(dāng)控制手柄目標(biāo)轉(zhuǎn)速與當(dāng)前驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)方向正好相反時(shí)，目標(biāo)轉(zhuǎn)速的控制分為兩個(gè)大的階段，第一階段是先將目標(biāo)轉(zhuǎn)速變成0，然后與當(dāng)前驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速取差值，求得△w，最后再將目標(biāo)轉(zhuǎn)速進(jìn)行分割；第二間斷，將目標(biāo)轉(zhuǎn)速變成控制手柄需要速度，然后與0轉(zhuǎn)速進(jìn)行作差求得△w，最后再將目標(biāo)轉(zhuǎn)速進(jìn)行分割。

2.2.2 PID調(diào)速控制

系統(tǒng)中的PLC單片機(jī)完成對(duì)控制手柄目標(biāo)轉(zhuǎn)速度分割之后，在每一個(gè)速度分割階段之內(nèi)，單片機(jī)將目標(biāo)轉(zhuǎn)動(dòng)速度分割值轉(zhuǎn)變成目標(biāo)速度，隨后通過(guò)與角速度傳感器獲得當(dāng)前驅(qū)動(dòng)電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)速度，計(jì)算出運(yùn)轉(zhuǎn)速度與當(dāng)前階段目標(biāo)速度之間的差值，差值信號(hào)經(jīng)過(guò)數(shù)模轉(zhuǎn)換器之后的編程模擬信號(hào)傳輸?shù)絇ID控制器，進(jìn)而將驅(qū)動(dòng)電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)速度調(diào)整到目標(biāo)速度，經(jīng)過(guò)（i+1）個(gè)階段的速度調(diào)整之后，驅(qū)動(dòng)電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)速度調(diào)整至控制手柄的目標(biāo)速度，完成對(duì)絞車(chē)運(yùn)轉(zhuǎn)速度的精準(zhǔn)控制。

3 模擬驗(yàn)證

3.1 模型建立

為了對(duì)建立的系統(tǒng)運(yùn)行效果進(jìn)行分析，采用AMEsim軟件進(jìn)行驗(yàn)證。在AMEsim軟件中建立絞車(chē)液壓控制自動(dòng)控制模擬，在模擬運(yùn)行環(huán)境中對(duì)PID控制參數(shù)進(jìn)行賦值，設(shè)定K1為50，Kp為1300，KD為1000，絞車(chē)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的最大拉力值設(shè)定為600kg，模擬輸入轉(zhuǎn)速?gòu)?0r/min～-40r/min以及從-50r/min～0r/min等情況下的絞車(chē)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的相應(yīng)情況以及轉(zhuǎn)動(dòng)速度的控制情況。模擬開(kāi)始時(shí)間均設(shè)置為0s，采樣間隔時(shí)間均設(shè)置為0.01s，模擬仿真總時(shí)間分別為 7s、23s。

3.2 模擬結(jié)果分析

當(dāng)控制手柄的目標(biāo)轉(zhuǎn)速設(shè)定為-40r/min時(shí)，絞車(chē)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)速度響應(yīng)情況如圖3所示。當(dāng)控制手柄目標(biāo)轉(zhuǎn)速設(shè)定為0r/min時(shí)，絞車(chē)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)速度從-50r/min的轉(zhuǎn)速到0r/min的響應(yīng)曲線(xiàn)如圖4所示。

圖3 -40～3 0r/min調(diào)速過(guò)程轉(zhuǎn)速響應(yīng)曲線(xiàn)

從圖4中可以看出，當(dāng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)速度由0r/min變成-40r/min過(guò)程中，制動(dòng)閘的開(kāi)啟時(shí)間延遲1.5s，在整個(gè)速度下放期間，轉(zhuǎn)速?zèng)]有發(fā)生較大幅度的波動(dòng)，系統(tǒng)的速度的調(diào)節(jié)總耗時(shí)在3.7s，最終的絞車(chē)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)速度穩(wěn)定在-39.60r/min，較目標(biāo)值小0.40r/min，遠(yuǎn)小于誤差允許值1r/min。

圖4 -50～0r/min調(diào)速過(guò)程轉(zhuǎn)速響應(yīng)曲線(xiàn)

從圖4中可以看出，當(dāng)將絞車(chē)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)速度由-50 r/min調(diào)整至0 r/min的過(guò)程中，PLC單片機(jī)將目標(biāo)轉(zhuǎn)速的調(diào)整劃分為3個(gè)階段，分別是轉(zhuǎn)速?gòu)?50r/min調(diào)整到-30 r/min、-30r/min調(diào)整到-10 r/min以及速度從-10 r/min調(diào)整到0 r/min。在PID控制器將轉(zhuǎn)速?gòu)?50r/min調(diào)整到-30 r/min過(guò)程中總耗時(shí)長(zhǎng)為1s，將轉(zhuǎn)速-30r/min調(diào)整到-10 r/min時(shí)，PID控制器轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)耗時(shí)為1s，PID控制器將轉(zhuǎn)速?gòu)?10 r/min調(diào)整到0 r/min過(guò)程中，總耗時(shí)為4s。在對(duì)絞車(chē)驅(qū)動(dòng)電機(jī)進(jìn)行調(diào)速控制時(shí)，絞車(chē)的運(yùn)行速度未出現(xiàn)較大幅度的波動(dòng)，運(yùn)行較為平穩(wěn)。表明設(shè)計(jì)的絞車(chē)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)是切實(shí)有效可行的。

4 總 結(jié)

設(shè)計(jì)的無(wú)極繩絞車(chē)液壓驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)同通過(guò)PLC單片機(jī)以及PID控制器來(lái)實(shí)現(xiàn)絞車(chē)運(yùn)行速度的平穩(wěn)控制，當(dāng)絞車(chē)控制手柄完成操作后，PLC單片機(jī)完成對(duì)絞車(chē)運(yùn)行狀態(tài)的綜合判斷，從而控制對(duì)各液壓閥進(jìn)行控制，對(duì)目標(biāo)速度進(jìn)行分割，PID控制器通過(guò)絞車(chē)驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制完成對(duì)絞車(chē)轉(zhuǎn)速的有效調(diào)節(jié)，采用AMEsim軟件對(duì)設(shè)計(jì)的系統(tǒng)進(jìn)行模擬驗(yàn)證，結(jié)果也表明，設(shè)計(jì)的系統(tǒng)能夠?qū)g車(chē)運(yùn)行速度進(jìn)行平穩(wěn)調(diào)節(jié)。設(shè)計(jì)的制動(dòng)系統(tǒng)可以提高了絞車(chē)的自動(dòng)化控制水平，解決了靠個(gè)人經(jīng)驗(yàn)對(duì)絞車(chē)速度進(jìn)行控制存在的問(wèn)題。