礦井提升機恒減速電液控制系統(tǒng)的設(shè)計研究

張百慧

（晉能控股集團忻州窯礦大型設(shè)備隊，山西 大同 037003）

引言

作為礦機中的重要設(shè)備之一，提升機具有運輸量大、運行速度快、運行距離長的特點，承擔(dān)著運送井下設(shè)備、工具及工作人員的任務(wù)，其效率、穩(wěn)定性決定著煤礦的生產(chǎn)效率[1-2]。近年來，隨著科技與人工智能的發(fā)展，提升機的設(shè)備和安全保障方面都得到了快速發(fā)展，但其在輸送過程中仍常出現(xiàn)故障，多數(shù)故障和提升機的制動系統(tǒng)有關(guān)，當(dāng)出現(xiàn)安全危險時制動系統(tǒng)是保障設(shè)備、人員等的最后一道屏障，由于制動系統(tǒng)是通過液壓系統(tǒng)來調(diào)節(jié)的，因此，為了提高制動過程的可靠性和安全性，對液壓站的液壓系統(tǒng)進行合理設(shè)計是必不可少的[3-4]。

1 礦井提升機恒減速電液控制系統(tǒng)的組成

礦井提升機恒減速電液控制系統(tǒng)中包含著電控柜、液壓站、制動器，是集合了電氣、液壓和機械為一體的復(fù)雜控制系統(tǒng)，需要完成提升部件的開動與停止，電控柜作為電控系統(tǒng)的核心，具有控制和調(diào)節(jié)的作用，液壓站受控于電控系統(tǒng)，通過調(diào)節(jié)制動油壓的大小來調(diào)節(jié)制動閘，完成制動過程，其中制動過程中滾動的電信號反饋給電控箱，監(jiān)測制動情況，制動系統(tǒng)對于制動過程的執(zhí)行與反饋可保障提升機上設(shè)備和人員的安危，見圖1。

圖1 礦井提升機恒減速電液控系統(tǒng)電信號的傳遞圖

2 礦井提升機恒減速電液控制系統(tǒng)的設(shè)計

2.1 液壓站的設(shè)計

在恒減速電液控制系統(tǒng)功能設(shè)計要求的基礎(chǔ)上，依據(jù)新標(biāo)準(zhǔn)中對油液回路的要求、多種制動獨立控制的要求等，設(shè)計恒減速電液控制系統(tǒng)中的液壓站有兩種不同的制動功能，三種不同的安全制動方式，四個工作階段。液壓站的工作包括充油、開車、工作、停車四個階段，四個階段依次進行組成開合閘回路系統(tǒng)，四個階段循環(huán)便構(gòu)成提升機的工作循環(huán)，充油階段為開車前充油檢測時系統(tǒng)控制，自動進行。在該系統(tǒng)下，多種渠道的制動方式，獨立的制動設(shè)計使得制動失效風(fēng)險降低，系統(tǒng)的安全性和可靠性水平較之前有所提高。

2.2 制動回路的設(shè)計

礦井提升機恒減速電液控制系統(tǒng)的制動回路主要包括工作制動回路、一級制動回路、二級制動回路、恒減速制動回路等，設(shè)計時將運行階段的供油回路和制動階段的回油回路設(shè)置為獨立回路，互不干擾，其中制動階段的回油回路設(shè)置兩條以避免其中一條失效，關(guān)鍵的電磁換向閥必須有冗余，在制動過程中該電磁換向閥要有優(yōu)先權(quán)，即設(shè)計的制動回路需考慮多種情況下都能有效制動。如圖2 所示為安全制動流程圖。

圖2 安全制動流程圖

另外，在關(guān)鍵的油路節(jié)點上要加裝油壓檢測，通過精密壓力表、壓力繼電器、壓力傳感裝置等來監(jiān)控油壓。根據(jù)不同的情況擇優(yōu)選擇制動回路，恒減速制動是主要的制動回路，當(dāng)恒減速制動回路安全信號掉電時，系統(tǒng)立即啟用一、二級制動的選擇程序，快速做出判斷，擇優(yōu)啟動制動回路。

在恒減速制動回路工作時，理論的制動距離可通過公式（1）計算出來：

式中：s 為理論制動距離，m；v0為初始制動速度，m/s；a 為制動減速度，m/s2。

可見，理論制動距離的長度受初始制動速度和制動減速度的影響，但初始制動速度會很快，系統(tǒng)在計算時要考慮制動滯后的影響，因此設(shè)計時考慮了恒減速制動距離必須大于理論制動距離，避免制動距離超過停車點撞擊井架事故的發(fā)生，流出最后階段制動位置調(diào)整的時間和距離。即便恒減速制動回路制動效果不佳，也有執(zhí)行備用制動回路的時間和空間。

2.3 電控系統(tǒng)的設(shè)計

礦井提升機恒減速電液控制系統(tǒng)的電控系統(tǒng)是與液壓系統(tǒng)共同作業(yè)的重要系統(tǒng)，分為輸入層、控制層輸出層和管理層，其中輸入層主要負(fù)責(zé)對現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集并轉(zhuǎn)化為信號輸出給控制層，主要由監(jiān)測部件（傳感器、編碼器等）組成；控制層通過對輸入層信號的分析處理，發(fā)出控制指令，完成與管理層的通訊；輸出層則是負(fù)責(zé)將控制指令按程序設(shè)置完成執(zhí)行；管理層則是通過監(jiān)控軟件對輸入層和輸出層的實時狀態(tài)進行顯示，并對系統(tǒng)的必要參數(shù)進行設(shè)置或更改，建立人機交互的智能反饋。

本方案的提升機恒減速電控制系統(tǒng)采用閉環(huán)控制的方式來實現(xiàn)對制動回路的精準(zhǔn)控制，利用PLC作為電控系統(tǒng)的控制器，結(jié)合HMI 完成通訊功能，系統(tǒng)具備的靈活性、可靠性、抗干擾性強等優(yōu)點。電控系統(tǒng)包括主要功能和輔助功能兩部分，如圖3 所示，主要功能控制液壓系統(tǒng)安全制動的執(zhí)行和提升機的開合閘，實現(xiàn)工作制動和安全制動；輔助功能為監(jiān)控、記錄、顯示和報警，例如電磁閥的工作狀態(tài)的記錄和監(jiān)控，油壓和油量的監(jiān)控和記錄等，當(dāng)故障出現(xiàn)時，便于控制人員查找異常狀態(tài)部件并根據(jù)報警快速分析故障部位。

圖3 電控系統(tǒng)圖

3 礦井提升機恒減速電液控制系統(tǒng)的仿真研究

根據(jù)現(xiàn)場情況，分別建立了動力學(xué)模型、液壓回路模型，再通過聯(lián)合仿真的方式在Simulink 平臺中建立了恒減速電液控制系統(tǒng)。通過對比，發(fā)現(xiàn)該礦井提升機恒減速電液控制系統(tǒng)制動回路安全可靠，在恒減速制動回路失效的情況下，可安全切換為一級或者二級制動，有效避免了制動失效的情況。

4 結(jié)論

結(jié)合新標(biāo)準(zhǔn)，通過對該礦井提升機恒減速電液控制系統(tǒng)的研究得出以下結(jié)論：

1）多種渠道的制動方式，獨立的制動設(shè)計使得該系統(tǒng)的制動失效風(fēng)險降低；

2）該礦井提升機恒減速電液控制系統(tǒng)的液壓系統(tǒng)的安全性和可靠性水平較之前有所提高。