煤礦主提升機制動控制系統(tǒng)的研究

張杰勛

（晉煤集團長平公司機電工區(qū)， 山西 晉城 048411）

引言

提升機是用于聯(lián)系地面和井下的通道，主要負責(zé)物料和人員的運輸，是礦山核心設(shè)備之一，對確保煤礦運輸安全具有十分重要的意義。礦井提升機在工作過程中主要采用恒壓力制動的方式進行制動控制，但在特殊工況或者緊急制動的情況下，目前的控制方案存在著制動及時性差、速度慢的缺陷，給提升作業(yè)安全造成了一定的隱患，而且由于采用了開環(huán)控制模式、制動力矩恒定，無法根據(jù)運輸工況進行靈活的調(diào)整，隨著礦井提升作業(yè)向著高速、重載方向的發(fā)展，目前控制方案下提升機在運行過程中的震動、沖擊現(xiàn)象越發(fā)嚴重，給煤礦的運輸安全造成了嚴重的影響[1]。因此本文利用仿真分析系統(tǒng)對鋼絲繩提升機的恒減速制動特性進行研究。

1 基于閉環(huán)控制的恒減速制動原理

提升機的恒減速制動系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)如圖1 所示，該控制系統(tǒng)采用了雙回路制動控制模式[2]，能夠有效提升子系統(tǒng)的制動安全性，同時在該制動系統(tǒng)中引入了閉環(huán)控制的邏輯，利用測速傳感器實現(xiàn)對提升機提升滾筒運行速度的連續(xù)性監(jiān)測，將監(jiān)測結(jié)果實時傳遞到制動調(diào)節(jié)控制器內(nèi)，從而實現(xiàn)對提升機提升速度的連續(xù)性閉環(huán)控制。為了滿足在正常制動和緊急制動情況下的恒減速制動控制，建立了制動壓力傳感器和液壓控制系統(tǒng)的電磁比例溢流閥之間的閉環(huán)調(diào)控邏輯[3]，根據(jù)不同的控制需求實現(xiàn)對電磁比例溢流閥調(diào)整電磁信號的控制，滿足對制動壓力的調(diào)整，同時根據(jù)制動減速情況進一步地對電磁比例溢流閥的電磁控制信號進行反饋控制調(diào)整，實現(xiàn)恒減速制動控制，有效降低在制動過程中的穩(wěn)定性，減少對提升機系統(tǒng)的沖擊。

圖1 基于閉環(huán)控制的恒減速制動原理

2 鋼絲繩提升機仿真分析模型的建立

鋼絲繩作為提升機的關(guān)鍵零件，其特性對礦井提升機的運行穩(wěn)定性具有較大的影響，傳統(tǒng)對鋼絲繩的建模均采用了鋼體建模方案，與實際差異性較大，為實現(xiàn)對提升機制動控制系統(tǒng)的有效控制，本文提出了一種新的開爾文鋼絲繩建模方案，其結(jié)構(gòu)模型如下頁圖2 所示[4]。

由圖2 可知，該結(jié)構(gòu)模型主要包括彈性元件和黏性元件構(gòu)成，在外部提升平臺重量M的作用下，彈性元件k和黏性元件b的應(yīng)變一致，此情況下元件的總應(yīng)力為彈性元件和黏性元件的應(yīng)力和，可表示為[5]：

根據(jù)胡可定律可知：

圖2 開爾文模型結(jié)構(gòu)示意圖

式中：ε 為鋼絲繩應(yīng)變量；εH為彈性元件應(yīng)變量；εN為阻尼器的應(yīng)變量；σ 為鋼絲繩應(yīng)力；σH為彈性元件應(yīng)力；σN為阻尼器應(yīng)力；k為彈性元件的剛度系數(shù)；b為黏性元件的阻尼系數(shù)。

通過對上式聯(lián)合建立提升本構(gòu)方程并求解，可獲得鋼絲繩在運動過程中的動力學(xué)方程為：

3 基于模糊PID 控制的制動特效仿真

利用SimulationX 仿真分析軟件建立提升機提升控制系統(tǒng)的仿真分析模型，將鋼絲繩在運動過程中的動力學(xué)方程帶入到該仿真分析邏輯控制編輯器內(nèi)，對鋼絲繩在不同工況下的制動情況進行仿真分析，結(jié)果如圖3 所示，圖中速度1 表示采用模糊PID控制邏輯，速度2 表示采用傳統(tǒng)的恒壓力制動控制模式。

由圖3 可知，該工況為提升機制動時的速度為10 m/s，負載重量為5 000 kg，制動時的制動減速度為1.25 m/s2，由仿真分析結(jié)果可知，當(dāng)采用傳統(tǒng)控制方案時，在制動瞬間速度出現(xiàn)了極大的波動，會使制動系統(tǒng)產(chǎn)生較大的沖擊。當(dāng)采用優(yōu)化后的模糊PID控制時，制動時速度基本上無波動，能夠有效提升提升機在制動過程中的穩(wěn)定性和可靠性，增強提升機的使用壽命。

圖3 不同控制特效下的制動性能曲線

4 結(jié)論

1）該控制系統(tǒng)采用了雙回路制動控制模式，在該制動系統(tǒng)中引入了閉環(huán)控制的邏輯，利用測速傳感器實現(xiàn)對提升機提升滾筒運行速度的連續(xù)性監(jiān)測；

2）利用開爾文鋼絲繩建模方案，建立鋼絲繩運動時的動態(tài)模型，能夠有效提升仿真分析結(jié)果的準(zhǔn)確性；

3）用優(yōu)化后的模糊PID 控制時，制動時速度基本上無波動，能夠有效提升在制動過程中的穩(wěn)定性和可靠性，增強提升機的使用壽命。