淺談液壓伺服系統(tǒng)在井下無(wú)軌采掘設(shè)備中的應(yīng)用

張 偉

（河鋼礦業(yè)承德黑山鐵礦，河北 承德 067000）

液壓驅(qū)動(dòng)是現(xiàn)在很多大型工程機(jī)械和生產(chǎn)裝備的主要?jiǎng)恿鬏敺绞?。目前，采用伺服控制方式的液壓?dòng)力系統(tǒng)已在井下采掘機(jī)械設(shè)備中得到了廣泛的應(yīng)用，取得了良好的效果，為井下安全高效提供了技術(shù)裝備保障。液壓伺服控制技術(shù)以液壓傳動(dòng)為基礎(chǔ)，綜合應(yīng)用了計(jì)算機(jī)模糊控制、集成傳感、電子信號(hào)傳輸?shù)雀咝录夹g(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)液壓機(jī)械的高精度、高響應(yīng)速度和高度自動(dòng)化控制。以液壓伺服控制為核心的井下無(wú)軌采掘設(shè)備的投入應(yīng)用，使礦山生產(chǎn)率得到提高，為企業(yè)帶來(lái)了顯著的經(jīng)濟(jì)效益。本文對(duì)液壓伺服系統(tǒng)在井下無(wú)軌采掘設(shè)備中的應(yīng)用進(jìn)行了探討。

1 液壓伺服控制系統(tǒng)簡(jiǎn)介和控制原理概述

1.1 液壓伺服控制系統(tǒng)簡(jiǎn)介

液壓伺服系統(tǒng)是對(duì)傳統(tǒng)液壓控制方式的改進(jìn)，是在原有的液壓機(jī)構(gòu)加上反饋機(jī)構(gòu)所組成的閉環(huán)控制系統(tǒng)。液壓伺服系統(tǒng)綜合應(yīng)用了液壓控制、計(jì)算機(jī)模糊控制、集成傳感、電子信號(hào)傳輸?shù)雀咝录夹g(shù)，提高了液壓控制的精度和自動(dòng)化水平。使系統(tǒng)的速度、力矩、位移等輸出量能夠快速而準(zhǔn)確地跟隨輸入量的變化而自動(dòng)調(diào)整，以使液壓控制的各項(xiàng)參數(shù)保持理想狀態(tài)；與此同時(shí)，輸出功率被大幅度地放大。液壓伺服系統(tǒng)是由液壓動(dòng)力機(jī)構(gòu)和反饋機(jī)構(gòu)組成，其中液壓機(jī)構(gòu)包括油路系統(tǒng)、密封系統(tǒng)、油泵等；反饋機(jī)構(gòu)包括各種傳感器、模糊控制單元等。液壓伺服系統(tǒng)分為電氣液壓伺服系統(tǒng)和機(jī)械液壓伺服系統(tǒng)，目前隨著機(jī)械自動(dòng)化水平的提高，很多大功率快速響應(yīng)的力矩控制和位置控制都開(kāi)始應(yīng)用電液伺服系統(tǒng)。

1.2 液壓伺服系統(tǒng)控制原理

液壓伺服系統(tǒng)控制的基本原理是通過(guò)使用電液伺服閥，將小功率的電信號(hào)轉(zhuǎn)換為大功率的液壓動(dòng)力，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)重型機(jī)械設(shè)備的伺服控制。機(jī)械設(shè)備運(yùn)行時(shí)，各傳感器會(huì)將采集的設(shè)備運(yùn)行參數(shù)以電信號(hào)的方式反饋至模糊控制單元，由計(jì)算機(jī)對(duì)反饋信號(hào)進(jìn)行處理，并將其與指令信號(hào)進(jìn)行比對(duì)，得到誤差信號(hào)。如果誤差為零，則說(shuō)明機(jī)械運(yùn)行參數(shù)符合指令要求，伺服系統(tǒng)不進(jìn)行調(diào)節(jié)；如果誤差不是零，便進(jìn)行調(diào)節(jié)。調(diào)節(jié)時(shí)，由模擬控制單元將調(diào)節(jié)信號(hào)傳輸至執(zhí)行機(jī)構(gòu)，然后由執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制液壓系統(tǒng)動(dòng)作，執(zhí)行調(diào)節(jié)指令，使機(jī)械設(shè)備完成對(duì)速度、位移等物理量的調(diào)節(jié)。液壓伺服控制主要具備以下工作特征：一是形式多樣，閉環(huán)控制系統(tǒng)信號(hào)的輸出和輸入之間為反饋連接，反饋介質(zhì)可以為氣動(dòng)、液壓、機(jī)械，亦或是它們的組合形式；二是信號(hào)負(fù)反饋，系統(tǒng)主反饋信號(hào)與輸入信號(hào)相反，系統(tǒng)調(diào)節(jié)以偏差信號(hào)為指令，輸入到液壓原件的能量使其向減小偏差的方向移動(dòng)；三是以小控大，系統(tǒng)輸入信號(hào)功率很小，但通過(guò)信號(hào)放大裝置可以將輸出功率放大多倍，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)大功率液壓機(jī)械的控制。功率放大所需能量的控制由伺服系統(tǒng)偏差大小自動(dòng)完成。綜上所述，液壓伺服控制的原理就是流體動(dòng)力的反饋控制，即利用反饋的偏差信號(hào)去控制液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)，讓系統(tǒng)不斷向著減小偏差的方向調(diào)節(jié)，使系統(tǒng)的輸出值與理想值保持一致。

2 液壓伺服系統(tǒng)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)

液壓伺服系統(tǒng)集成了液壓控制和計(jì)算機(jī)模糊控制兩種技術(shù)，也具備了它們的優(yōu)勢(shì)，主要是動(dòng)力傳輸穩(wěn)定、力矩慣量比大、執(zhí)行動(dòng)作快、控制精確、自動(dòng)化程度高。能夠使系統(tǒng)輸出的力矩、速度、位移等參數(shù)量自動(dòng)、快速和準(zhǔn)確地按照指令進(jìn)行調(diào)節(jié)；同時(shí)，大幅度放大了輸出功率。因此，液壓伺服相比于氣動(dòng)伺服和機(jī)電伺服在大型工程機(jī)械方面具有更廣泛應(yīng)用。具體而言，液壓伺服系統(tǒng)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)主要有以下。

2.1 力矩輸出平穩(wěn)

液壓系統(tǒng)以液壓油為傳動(dòng)介質(zhì)，具有自潤(rùn)滑功能，動(dòng)力傳輸中阻力和能量損耗較小，確保了液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)的高效穩(wěn)定運(yùn)行。此外，液壓裝置也容易實(shí)現(xiàn)過(guò)載保護(hù)和自動(dòng)化，借助于各種控制閥和電氣設(shè)備，很容易實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜運(yùn)行工況的自動(dòng)循環(huán)和遠(yuǎn)程控制，確保了系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行。

2.2 力矩慣量比大

液壓傳輸另一個(gè)突出的優(yōu)勢(shì)就是力矩慣量比大，由于液壓油具有更強(qiáng)的承壓性，因此相比于氣動(dòng)或電動(dòng)系統(tǒng)可以傳輸更大的力矩，一般液壓馬達(dá)的力矩慣量比是同容量電動(dòng)機(jī)的十?dāng)?shù)倍。較大的力矩慣量比意味著系統(tǒng)能夠產(chǎn)生更大的加速度，具有更快的響應(yīng)速度和更為理想的動(dòng)態(tài)性能。

2.3 重量比大

相比于其它控制方式，同等功率輸出下系統(tǒng)體積更小，更方便在空間受限的環(huán)境中和需要較大力矩輸出的情況下使用。液壓系統(tǒng)要想提高輸出力矩和功率，只需要考慮油路密封和機(jī)械強(qiáng)度即可。因此，這也是在井下開(kāi)采作業(yè)等許多場(chǎng)合下，直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)控制中多采用液壓系統(tǒng)的原因。

3 液壓伺服系統(tǒng)在井下無(wú)軌采掘設(shè)備中的應(yīng)用

金屬礦山井下開(kāi)采環(huán)境復(fù)雜惡劣，傳統(tǒng)的有軌開(kāi)采運(yùn)輸方式具有靈活性差、運(yùn)輸距離長(zhǎng)、輔助工程多的弊端。為了更加靈活地組織生產(chǎn)和適應(yīng)井下生產(chǎn)條件，提高礦山生產(chǎn)效率，減少井巷工程和降低開(kāi)采成本，很多企業(yè)都開(kāi)始選用無(wú)軌采掘成套設(shè)備進(jìn)行采掘生產(chǎn)。常見(jiàn)的井下無(wú)軌采掘設(shè)備主要有鏟運(yùn)機(jī)、自卸卡車(chē)、挖斗裝渣機(jī)等等。隨著礦山地下開(kāi)采對(duì)無(wú)軌采掘設(shè)備性能要求的不斷提高，目前井下無(wú)軌采掘設(shè)備基本都采用了液壓伺服系統(tǒng)進(jìn)行控制，使設(shè)備運(yùn)行的效率、穩(wěn)定性、操控性能等得到顯著提高。

3.1 液壓伺服系統(tǒng)在鏟運(yùn)機(jī)設(shè)備中的應(yīng)用

鏟運(yùn)機(jī)在井下開(kāi)采中主要負(fù)責(zé)對(duì)礦石的鏟裝、卸載和短距離運(yùn)輸，在對(duì)爆落礦石進(jìn)行鏟挖時(shí)需要非常大的鏟取力，這對(duì)鏟運(yùn)機(jī)的動(dòng)力系統(tǒng)是非常大的考驗(yàn)。液壓系統(tǒng)在力矩輸出方面具有其它方式難以比擬的優(yōu)勢(shì)，可以適應(yīng)鏟運(yùn)時(shí)對(duì)巨大鏟取力的需要。液壓伺服系統(tǒng)通過(guò)疊加閥、電液伺服閥等將小功率的電信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榇蠊β实囊簤耗茌敵觯瑢?shí)現(xiàn)了對(duì)鏟運(yùn)機(jī)鏟取力等物理量的準(zhǔn)確控制，使鏟運(yùn)機(jī)能夠根據(jù)生產(chǎn)需要對(duì)鏟取力輸出進(jìn)行調(diào)節(jié)。液壓伺服系統(tǒng)控制下的鏟運(yùn)機(jī)不僅力矩輸出平穩(wěn)，而且響應(yīng)迅速，更加機(jī)動(dòng)靈活，顯著提高了生產(chǎn)效率。液壓伺服系統(tǒng)在鏟運(yùn)機(jī)設(shè)備中應(yīng)用十分廣泛，比如山特維克公司生產(chǎn)的TORO1400E電動(dòng)鏟運(yùn)機(jī)、Atlas公司生產(chǎn)的ST-1020柴油鏟運(yùn)機(jī)等均采用液壓伺服控制。

3.2 液壓伺服系統(tǒng)在自卸卡車(chē)中的應(yīng)用

自卸卡車(chē)主要用于井下長(zhǎng)距離運(yùn)輸，工作特點(diǎn)是運(yùn)輸距離長(zhǎng)、卸載高度大。以常見(jiàn)的翻卸式卡車(chē)為例，卸載時(shí)需要用液壓缸將車(chē)箱向側(cè)端翻倒傾卸。

由于井下地形復(fù)雜，卸載硐室較高，因此翻卸的難度較大，控制不好就容易將礦石散落。液壓伺服系統(tǒng)采用電信號(hào)反饋控制極大地提高了液壓系統(tǒng)操控的準(zhǔn)確性，使司機(jī)可以更好地控制翻卸的高度和角度，提高生產(chǎn)效率，避免礦石散落。

3.3 液壓伺服系統(tǒng)在機(jī)械設(shè)備保護(hù)中的應(yīng)用

很多井下無(wú)軌采掘設(shè)備都裝設(shè)有各種保護(hù)裝置，比如常見(jiàn)的超速保護(hù)、超壓保護(hù)、軸向位移保護(hù)、低油壓報(bào)警保護(hù)、徑向振動(dòng)保護(hù)等，它們都是采用液壓伺服系統(tǒng)進(jìn)行保護(hù)控制。當(dāng)設(shè)備某個(gè)運(yùn)行參數(shù)超過(guò)不允許的數(shù)值時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)的傳感器就會(huì)將該參數(shù)以電信號(hào)的方式傳輸至保護(hù)系統(tǒng)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)啟動(dòng)相應(yīng)的保護(hù)裝置，使設(shè)備停止動(dòng)作，避免設(shè)備超負(fù)荷運(yùn)行。

4 結(jié)語(yǔ)

液壓伺服系統(tǒng)在工程機(jī)械中應(yīng)用十分廣泛，在未來(lái)的發(fā)展中將與自動(dòng)化控制系統(tǒng)深入的融合，推動(dòng)礦山裝備向信息化、智能化、遠(yuǎn)程操作化發(fā)展，最終實(shí)現(xiàn)礦山生產(chǎn)的無(wú)人化和少人化。