單雙蓄能器供油的提升機(jī)恒減速閘控系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性對(duì)比

劉改葉，張 習(xí)

(1.大同煤礦集團(tuán)有限責(zé)任公司雙創(chuàng)中心，山西 大同 037003；2.中國礦業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，江蘇 徐州 221008)

0 引 言

礦井提升機(jī)是聯(lián)系井上和井下的關(guān)鍵設(shè)備,承擔(dān)著設(shè)備、礦物和人員的運(yùn)輸工作,提升機(jī)閘控系統(tǒng)是保證提升機(jī)安全運(yùn)行的最后手段，其動(dòng)態(tài)特性和可靠性對(duì)礦井的生產(chǎn)安全起著至關(guān)重要的作用[1-3]。目前提升機(jī)閘控系統(tǒng)主要分為恒力矩和恒減速兩種，恒力矩閘控系統(tǒng)采用恒定的制動(dòng)力矩制動(dòng)，在不同的提升工況下，減速度隨提升載荷的變化也會(huì)發(fā)生較大的變化，過大的制動(dòng)減速度會(huì)對(duì)機(jī)械設(shè)備造成較大的沖擊，降低機(jī)械設(shè)備的使用壽命，對(duì)摩擦提升機(jī)還會(huì)引發(fā)滑繩事故，過小的制動(dòng)減速度會(huì)引發(fā)過卷或過放事故，嚴(yán)重影響設(shè)備及人身安全。解決以上問題的最好辦法是采用恒減速制動(dòng)，恒減速制動(dòng)以預(yù)先設(shè)定好的減速度實(shí)施制動(dòng)，不受外部載荷的影響，可有效保證設(shè)備和人員的安全[4-6]。而蓄能器作為恒減速制動(dòng)實(shí)施過程中的唯一動(dòng)力源，其動(dòng)態(tài)性能直接影響恒減速制動(dòng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，進(jìn)一步影響提升機(jī)的運(yùn)行安全。因此提高恒減速閘控系統(tǒng)中蓄能器的動(dòng)態(tài)特性可有效提高恒減速制動(dòng)的可靠性，對(duì)煤礦的安全生產(chǎn)具有非常重要的意義。

1 恒減速閘控系統(tǒng)原理

對(duì)于礦井提升機(jī)存在兩種制動(dòng)過程，一種是正常工況下的工作制動(dòng)，一種是緊急工況下的安全制動(dòng)。其閘控系統(tǒng)液壓原理圖如圖1所示，工作流程圖如圖2所示。

圖2 恒減速閘控系統(tǒng)的工作流程圖Fig.2 Workflow diagram of constant decelerationbrake device

圖1 提升機(jī)恒減速閘控系統(tǒng)液壓原理圖Fig.1 Hydraulic schematic diagram of constant deceleration brake device of hoist

結(jié)合提升機(jī)恒減速閘控系統(tǒng)液壓原理圖對(duì)兩種制動(dòng)過程進(jìn)行詳細(xì)說明。

工作制動(dòng)：在提升機(jī)運(yùn)行前先啟動(dòng)液壓站電機(jī)，電磁換向閥1-2、1-3對(duì)應(yīng)的電磁鐵G5、G6得電，至左位工作，壓力油經(jīng)1-2、1-3進(jìn)入盤式制動(dòng)器；恒減速閘控系統(tǒng)的蓄能器經(jīng)截止閥2-1和單向閥8進(jìn)行補(bǔ)液；電液比例溢流閥7-3的設(shè)定壓力從0 MPa上升至開閘壓力，通過油壓傳感器3-3、3-4實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)盤式制動(dòng)器的壓力，當(dāng)盤式制動(dòng)器壓力達(dá)到開閘壓力后，提升機(jī)發(fā)出開車信號(hào)；當(dāng)提升機(jī)運(yùn)行至停車點(diǎn)時(shí)，電磁換向閥1-2、1-3對(duì)應(yīng)的電磁鐵G5、G6失電，電液比例溢流閥7-3的設(shè)定壓力由開閘壓力下降至0 MPa，實(shí)施全力矩抱閘制動(dòng)，保提升機(jī)安全可靠的停車，并停止液壓站電機(jī)。

安全制動(dòng)：在提升機(jī)出現(xiàn)故障，安全回路掉電時(shí)，液壓站電機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)，此時(shí)控制電源由后備UPS提供。電磁換向閥對(duì)應(yīng)的電磁鐵G1得電至右位工作，A管與B管連通，電磁換向閥4-2對(duì)應(yīng)的電磁鐵G3得電，蓄能器與A管和B管連通，此時(shí)蓄能器作為恒減速制動(dòng)時(shí)的唯一壓力源，為盤式制動(dòng)器供油，系統(tǒng)壓力由電液比例溢流閥7-1控制。根據(jù)設(shè)定減速度與反饋加速度的差值，實(shí)時(shí)調(diào)整電液比例溢流閥壓力，直至實(shí)時(shí)減速度等于設(shè)定減速度。然后提升機(jī)按照設(shè)定的減速度完成停車。當(dāng)提升機(jī)運(yùn)行速度降為0后，將電液比例溢流閥7-1的設(shè)定壓力降為0 MPa，實(shí)施全力矩抱閘制動(dòng)，確保提升機(jī)安全可靠的停車。

由此可以看出，蓄能器作為恒減速制動(dòng)時(shí)的唯一動(dòng)力源，在恒減速閘控系統(tǒng)中起著重要作用。

目前，恒減速閘控系統(tǒng)有單蓄能器供油和多蓄能器供油兩種方式。單蓄能器供油具有結(jié)構(gòu)簡單、布置方便等優(yōu)點(diǎn)，但單蓄能器同時(shí)存在體積較大、安裝比例不協(xié)調(diào)、響應(yīng)時(shí)間長、動(dòng)態(tài)特性較差等缺點(diǎn)[7-10]。針對(duì)此問題，本文采用雙蓄能器供油，在保證蓄能器容積相同的前提下，通過AMESim仿真軟件，將單蓄能器、雙蓄能器供油的提升機(jī)恒減速閘控系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行對(duì)比分析。

2 基于AMESim的單蓄能器、雙蓄能器供油下的恒減速制動(dòng)動(dòng)態(tài)特性液壓仿真分析

AMESim提供了一個(gè)系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)的完整平臺(tái)，該軟件可對(duì)多學(xué)科的復(fù)雜機(jī)電液系統(tǒng)進(jìn)行建模仿真[11-12]。恒減速閘控系統(tǒng)一個(gè)典型的機(jī)電液系統(tǒng)，本文基于AMESim建立提升機(jī)恒減速閘控系統(tǒng)仿真模型，如圖3所示，對(duì)單蓄能器、雙蓄能器供油下的提升機(jī)恒減速閘控系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行AMESim液壓仿真分析。

圖3 提升機(jī)恒減速閘控系統(tǒng)仿真模型Fig.3 Model of constant deceleration ofhoist brake control system

AMESim仿真模型要對(duì)其各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行賦值。各項(xiàng)參數(shù)依照實(shí)際礦井提升機(jī)參數(shù)來確定，本模型中的仿真參數(shù)來自大同煤礦集團(tuán)有限責(zé)任公司四老溝礦副井，其主要參數(shù)見表1。

表1 同煤集團(tuán)四老溝礦副井礦井提升機(jī)參數(shù)Table 1 Data of mine hoist in auxiliary shaft ofSilaogou mine of Tongmei Group

保證單蓄能器、雙蓄能器的總體積和預(yù)充壓力一致；以開閘壓力為初始?jí)毫?，分別給單蓄能器、雙蓄能器供油的提升機(jī)恒減速閘控系統(tǒng)中的電液比例溢流閥設(shè)置四組不同的下降階躍信號(hào)，分別為從6.3 MPa向下階躍至4 MPa、3 MPa、2.5 MPa和2 MPa,觀察提升機(jī)恒減速閘控系統(tǒng)壓力的波動(dòng)。仿真結(jié)果如圖4～圖7所示。

圖7 由6.3 MPa向下階躍到2 MPa單雙蓄能器對(duì)比曲線Fig.7 Contrast curve of single and double accumulatorsfrom 6.3 MPa down to 2 MPa

圖4 由6.3 MPa向下階躍到4 MPa單雙蓄能器對(duì)比曲線Fig.4 Contrast curve of single and double accumulatorsfrom 6.3 MPa down to 4 MPa

系統(tǒng)壓力對(duì)階躍下降信號(hào)的響應(yīng)中由三段曲線組成。第一段曲線斜率幾乎無變化，是由于電液比溢流閥的滯后造成，在第一段的時(shí)間里盤式制動(dòng)器無響應(yīng)，其持續(xù)時(shí)間約20 ms;從第二段曲線開始，盤式制動(dòng)器的活塞經(jīng)碟簧的帶動(dòng)，驅(qū)動(dòng)閘瓦貼近提升機(jī)制動(dòng)盤。前兩段曲線所占用時(shí)間即是盤式制動(dòng)器的空動(dòng)時(shí)間，其中，單蓄能器供油的系統(tǒng)小于53 ms，雙蓄能器供油的系統(tǒng)小于63 ms，且隨著下降階躍幅度的增大盤閘空動(dòng)時(shí)間變短。

圖5 由6.3 MPa向下階躍到3 MPa單雙蓄能器對(duì)比曲線Fig.5 Contrast curve of single and double accumulatorsfrom 6.3 MPa down to 3 MPa

圖6 由6.3 MPa向下階躍到2.5 MPa單雙蓄能器對(duì)比曲線Fig.6 Contrast curve of single and double accumulatorsfrom 6.3 MPa down to 2.5 MPa

且不同的階躍信號(hào)下，采用雙蓄能器供油的提升機(jī)恒減速閘控系統(tǒng)的超調(diào)量明顯小于單蓄能器供油的提升機(jī)恒減速閘控系統(tǒng)，同時(shí)，響應(yīng)的時(shí)間短于單蓄能器恒減速閘控系統(tǒng)，響應(yīng)時(shí)間具體數(shù)據(jù)見表2；隨著下降階躍幅度的增大，系統(tǒng)壓力響應(yīng)的的超調(diào)量會(huì)隨之減小，但總體上，雙蓄能器恒減速閘控系統(tǒng)的超調(diào)量明顯小于單蓄能器閘控系統(tǒng)，超調(diào)量具體數(shù)據(jù)見表3。

表2 不同階躍信號(hào)下響應(yīng)時(shí)間Table 2 Response time under different step signals

表3 單雙蓄能器供油系統(tǒng)在不同階躍下油壓超調(diào)量Table 3 Response of single and double accumulator oilsupply system under different step

由以上分析可知，單蓄能器、雙蓄能器供油的提升機(jī)恒減速閘控系統(tǒng)均能滿足《煤礦安全規(guī)程》提升機(jī)對(duì)閘控系統(tǒng)空動(dòng)時(shí)間小于0.3 s的規(guī)定，但采用雙蓄能器時(shí)恒減速閘控系統(tǒng)在超調(diào)量和穩(wěn)定時(shí)間控制指標(biāo)上要明顯優(yōu)于單蓄能器恒減速閘控系統(tǒng)，因此，恒減速閘控系統(tǒng)采用雙蓄能器可提高提升機(jī)運(yùn)行的安全性和可靠性。

3 結(jié) 語

本文通過在AMESim軟件中對(duì)單蓄能器、雙蓄能器作為壓力源的恒減速閘控系統(tǒng)進(jìn)行建模分析，得出以下結(jié)論：提升機(jī)恒減速閘控系統(tǒng)采用雙蓄能器作為壓力源與采用單蓄能器相比，可以較好地降低系統(tǒng)油壓響應(yīng)的超調(diào)量，縮短了提升機(jī)恒減速閘控系統(tǒng)的系統(tǒng)的穩(wěn)定時(shí)間。

因此，在提升機(jī)恒減速閘控系統(tǒng)中，采用雙蓄能器供油替代單蓄能器供油，能有效縮短提升機(jī)恒減速閘控系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間，提高提升機(jī)恒減速裝置的穩(wěn)定性。