無極繩絞車液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

付 亮

(汾西礦業(yè)集團(tuán)南關(guān)煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西 靈石 031304)

井下采用的無極繩絞車具有提升能力強(qiáng)、占用空間小、操作便捷等優(yōu)點(diǎn)，在礦井中應(yīng)用較為廣泛。但是絞車控制是采用手動(dòng)控制方式，在具體操作過程中存在控制精度低、安全性不高、驅(qū)動(dòng)裝置容易受到?jīng)_擊等問題[1～3]。因此，筆者根據(jù)前人研究成果以及現(xiàn)場(chǎng)工作經(jīng)驗(yàn)，提出一種無極繩液壓絞車控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)液壓絞車自動(dòng)控制，提升絞車控制精度及控制安全性。

1 絞車手動(dòng)控制概述

采用手柄控制絞車運(yùn)行時(shí)，操控人員通過改變ZBS-H915變量泵內(nèi)部的轉(zhuǎn)子偏心度來控制輸出的液壓量，從而控制液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)速度，實(shí)現(xiàn)對(duì)絞車運(yùn)行速度控制。具體絞車控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖1。采用手動(dòng)控制時(shí)，操作司機(jī)根據(jù)自己工作經(jīng)驗(yàn)對(duì)調(diào)整幅度值、準(zhǔn)確性進(jìn)行判定，不能實(shí)現(xiàn)對(duì)絞車運(yùn)行速度的精準(zhǔn)控制[4～5]。

圖1 絞車手動(dòng)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

2 液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 控制原理

井下無極繩絞車運(yùn)動(dòng)狀態(tài)分為三種：絞車下行、上行以及停止運(yùn)行。設(shè)計(jì)的液壓控制系統(tǒng)可以根據(jù)控制手柄輸出量以及控制手柄運(yùn)移狀態(tài)對(duì)絞車運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行判定，從而做出相應(yīng)的控制指令，具體控制系統(tǒng)的判定流程見圖2。

圖2 控制系統(tǒng)判定絞車狀態(tài)流程

當(dāng)絞車需要提升相關(guān)設(shè)備時(shí)，控制手柄向上運(yùn)移，運(yùn)移量越大，絞車運(yùn)行速度越高，此次控制系統(tǒng)中的三位四通閥位于左側(cè)、兩位四通閥則位于右側(cè)、兩位兩通電磁閥處于完全開啟狀態(tài)，絞車制動(dòng)器松閘，絞車可以正常運(yùn)轉(zhuǎn)，從而帶動(dòng)鋼絲繩運(yùn)轉(zhuǎn)，提升材料。液壓控制系統(tǒng)中的PLC單片機(jī)及PID設(shè)備根據(jù)控制手柄推入量控制絞車運(yùn)行速度。

當(dāng)絞車需要下放材料時(shí)，三位四通閥、兩位四通閥運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)與絞車提升狀態(tài)相反，兩位兩通電磁閥處于完全開啟狀態(tài)。等待1.5s延時(shí)時(shí)間后，絞車制動(dòng)器松閘，驅(qū)動(dòng)滾筒開始下放鋼絲繩，PLC單片機(jī)及PID設(shè)備依據(jù)手柄下推量對(duì)絞車下放鋼絲繩速度進(jìn)行控制。

當(dāng)控制手柄不動(dòng)作時(shí)，PLC及PID設(shè)備將絞車運(yùn)行速度降低為0，液壓制動(dòng)器處于抱合狀態(tài)；當(dāng)液壓絞車需要緊急停車時(shí)可以通過操控制定拉桿來控制制動(dòng)器，使得驅(qū)動(dòng)滾筒停止運(yùn)行。

2.2 液壓控制速度控制

2.2.1 運(yùn)行速度分割

通過控制手柄位置對(duì)絞車運(yùn)行速度、狀態(tài)進(jìn)行控制。PLC中數(shù)模轉(zhuǎn)換器對(duì)控制手柄推進(jìn)位置進(jìn)行讀取(根據(jù)位置判定需要的絞車運(yùn)行速度)，并與電機(jī)運(yùn)行速度進(jìn)行比對(duì)，從而推斷出兩者之間的速度差△w，當(dāng)控制手柄推移位置處的絞車運(yùn)行速度與電機(jī)輸出控制的絞車運(yùn)行速度一致時(shí)，單片機(jī)內(nèi)置運(yùn)算將△w除20，取得目標(biāo)轉(zhuǎn)速，并取整計(jì)作i，將轉(zhuǎn)速分割成i+1個(gè)時(shí)間段內(nèi)的目標(biāo)轉(zhuǎn)速。當(dāng)速度差△w取值為正時(shí)，在每個(gè)時(shí)間段內(nèi)速度轉(zhuǎn)速增加值均保持20r/min，直至到第i個(gè)階段，轉(zhuǎn)速增加至目標(biāo)轉(zhuǎn)速；當(dāng)速度差△w取值為負(fù)時(shí)，在每個(gè)時(shí)間段內(nèi)速度轉(zhuǎn)速按照20r/min遞減，直至到第i個(gè)階段，轉(zhuǎn)速降低至目標(biāo)轉(zhuǎn)速。

當(dāng)控制手柄運(yùn)移方向與當(dāng)前絞車運(yùn)動(dòng)方向正好相反時(shí)，例如絞車處于下放狀態(tài)，控制手柄網(wǎng)上推移，控制絞車向上提升時(shí)，目標(biāo)轉(zhuǎn)速分割控制分兩個(gè)階段，具體為：先將目標(biāo)轉(zhuǎn)速設(shè)定為0，并與當(dāng)前絞車運(yùn)行速度取差值，得到△w，最后對(duì)速度進(jìn)行分割，直至絞車運(yùn)行速度降低為0；隨后將手柄推移位置處的目標(biāo)速度與0取差值，得到△w，后對(duì)目標(biāo)速度進(jìn)行分割，最終使得絞車運(yùn)行速度達(dá)到目標(biāo)值。

2.2 絞車運(yùn)行速度的PID控制

待PLC將控制手柄需要的目標(biāo)速度進(jìn)行分割后，單片機(jī)按照速度分割結(jié)果并與速度速度傳感器獲取到的絞車運(yùn)行速度進(jìn)行比對(duì)，得到目標(biāo)速度與實(shí)際速度間的差值，差值信號(hào)經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換后進(jìn)入到PID控制器內(nèi)，通過調(diào)整變頻器輸出的電流頻率，對(duì)絞車運(yùn)行速度進(jìn)行調(diào)整，經(jīng)過i+1個(gè)時(shí)間階段速度調(diào)整后，將絞車運(yùn)行速度調(diào)整至控制手柄推進(jìn)位置處所需要的速度，從而精準(zhǔn)控制絞車運(yùn)行速度。

3 控制系統(tǒng)運(yùn)行效果模擬分析

3.1 模型構(gòu)建

采用AMEsim軟件構(gòu)建模擬模型，對(duì)無極繩絞車液壓控制系統(tǒng)運(yùn)行效果進(jìn)行模擬分析，并在模擬模型中對(duì)PID控制參數(shù)賦值，具體設(shè)定K1、Kp、KD分別為50、1300、1000，絞車運(yùn)行時(shí)最大載荷為600kg，模擬轉(zhuǎn)速從-50～0r/min、0～-40r/min時(shí)絞車電機(jī)運(yùn)行、液壓系統(tǒng)控制耗時(shí)以及控制系統(tǒng)運(yùn)行平穩(wěn)性。開始模擬時(shí)時(shí)間均為0，每隔0.01s采集一次參數(shù)，總的模擬時(shí)間分別為7s、24s

3.2 結(jié)果分析

當(dāng)控制手柄推移至-40r/min、-50r/min目標(biāo)轉(zhuǎn)速時(shí)，液壓控制系統(tǒng)整個(gè)響應(yīng)過程見圖3、4所示。

圖3 液壓控制系統(tǒng)0～-40r/min調(diào)速響應(yīng)曲線

從圖3得出，絞車滾筒由0向目標(biāo)轉(zhuǎn)速-40r/min調(diào)整過程中，制動(dòng)器延時(shí)1.5s松開制動(dòng)閘，在整個(gè)速度調(diào)節(jié)過程中，轉(zhuǎn)速平穩(wěn)改變，整個(gè)速度調(diào)整共耗時(shí)約為3.8s(包含制動(dòng)器延時(shí)1.5s)，最終絞車滾筒速度穩(wěn)定在-39.8r/min，較設(shè)定目標(biāo)值-40r/min相差0.2r/min，差值原小于允許的1.0r/min。

圖4 液壓控制系統(tǒng)-50～0r/min調(diào)速響應(yīng)曲線

從圖4得出，絞車滾筒從-50r/min降低至0時(shí)，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)分為三個(gè)階段，分別為-50～-30r/min、-30～-10r/min、-10～0r/min，對(duì)應(yīng)的各個(gè)調(diào)速階段耗時(shí)分別為1.0s、1.0s、4.0s。液壓控制系統(tǒng)對(duì)絞車運(yùn)行速度調(diào)整時(shí)，速度按照預(yù)先設(shè)定曲線進(jìn)行變化，較為平穩(wěn)，未有速度大幅波動(dòng)情況出現(xiàn)，表明文中提出的絞車液壓驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)可以對(duì)絞車運(yùn)行速度平穩(wěn)控制。

4 結(jié)束語

1)采用PLC及PID控制器依據(jù)絞車控制手柄推移位置對(duì)應(yīng)的絞車運(yùn)行速度進(jìn)行分割，通過PID控制器對(duì)變頻器輸出電流頻率，控制電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)對(duì)絞車運(yùn)行速度調(diào)節(jié)目的；

2)采用AMEsim對(duì)設(shè)定的液壓驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)運(yùn)行效果進(jìn)行模擬分析，結(jié)果表明，液壓控制系統(tǒng)可以有效對(duì)絞車運(yùn)行速度調(diào)整，速度調(diào)整過程中變化較為平穩(wěn)，不會(huì)給絞車運(yùn)行造成不利影響。

3)通過采用液壓驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)，避免了傳統(tǒng)采用手動(dòng)控制方式存在的速度控制不精確、驅(qū)動(dòng)裝置容易受到?jīng)_擊等問題。