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摘 要:矿井提升设备在煤炭开采的全过程中担负着矿物、人员、材料及设备的上下和运输工作,是保障矿井生产效率和生产安全的关键。随着采掘技术的进步和工作面的不断延伸,矿井作业对提升系统制动的安全性也提出了更高的要求,在这一背景下,恒减速制动模式的优势显露出来,逐渐成为了矿井提升控制的主流发展趋势。本文从恒减速制动系统的工作原理出发,分析了提升机恒减速制动的效果,并针对其设计使用中应注意的问题提出了富有针对性的控制策略。
关键词:矿井提升 恒减速制动 机电控制
中图分类号:TD44 文献标识码:A 文章编号:1674-098X(2012)07(a)-0085-01
1 矿井提升制动在煤炭安全生产中的作用
作为矿井作业中的关键机械,矿井提升设备在生产的全过程中担负着矿物、人員、材料及设备的上下和运输工作,对采矿效率具有重要影响。而提升系统一旦出现事故,常常会造成不可估量的生命财产损失。因此,必须对其制动系统进行精密和及时的控制,以便在发生紧急情况时,通过可靠的制动性能,减少和避免危险的发生,确保煤炭生产的安全性和稳定性。研究显示,影响提升机制动效果的因素复杂,并可能根据不同的工况发生变化,而若在多变的工况下制动减速度变化过大,制动过程就会变得不平稳,出现诸如钢丝绳打滑等现象,使提升设备的安全性受到严重影响。目前,矿井提升机主要有一级制动、二级制动和恒减速制动等几种制动模式,正常运行时,各种制动模式几乎都可以满足系统的工作要求,但随着采掘技术的进步和工作面的不断延伸,系统对提升制动的安全性要求不断升高,恒减速制动模式的优势逐渐显露出来,逐渐成为了矿井提升控制的主流发展趋势。该方法通过自动调节油压动力实现了减速度恒定的控制目标,让提升设备可以按照事先设定减速度完成制动,使提升设备的安全性大大提高。
2 恒减速制动的工作原理
矿井提升机的运行流程为启动→加速→匀速→减速→低速爬行→停车的循环过程。其中精确的“启动→加速→匀速”过程在生产中较容易实现,而控制的关键在于对“减速→低速爬行→停车”阶段的准确控制,恒减速制动能使提升机平稳、安全地进入低速爬行阶段,为精确的停车控制奠定了基础。
由于制动力矩与减速度之间属于非线性关系,受复杂的工况条件影响,很难从力的因素入手对减速度进行控制,因此,恒减速系统通常是通过液压系统实现自动控制的。首先,制动系统接收到由保护装置发送的减速制动信号,此时液压系统的油压下降到某一设定值,提升机运行在磨闸皮状态下。同时,安装在滚筒的轴编码器测量值进入可编程逻辑控制器(PLC)内部进行计算,得出减速度值和已设定的减速度值相比较,经数字处理器处理,由减速度偏差值得到一个与制动力矩相对应的电流值,并将此电流值作用在恒减速电液比例阀上,通过电磁阀的启闭,使制动压力处于增压—保压—减压的状态转换中,从而使电机得到合适的制动力矩,使电机按照恒定的减速度停车。恒减速系统极大地减小了减速环节对设备的冲击,可克服由安全制动引起的多绳摩擦提升机的钢丝绳滑动问题和斜井提升机的钢丝绳损伤与掉道问题,还能改善缠绕式提升机因不平衡载荷而产生的制动性能问题。
3 提升机恒减速制动在设计使用中应注意的问题
3.1 恒减速制动模糊控制器的设计
矿井提升设备组成了一个大惯量闭环,其制动部分则是一个结构复杂的机、电、液一体化系统,工作中充满了各种不确定性因素,阻尼与摩擦、制动衬片弹性以及各元件间隙等的变化,都可能使制动相应表现出死区、滞环、饱和等多种强非线性动态特征,给恒减速控制算法的动态模型建设制造困难。而模糊控制器模拟人的思想和控制经验进行决策,不需建立完整的数学模型,仅需以模糊控制算法,模拟执行元件在电机闸盘上对制动力矩作用进行控制,实践中具有良好的灵活性和鲁棒性。
模糊控制器的设计首先由确定其输入、输出语言变量开始,通常选取与实际减速度有关的变量作为输入语言变量,而输出语言则选择与油压有关的变量。其次应将模糊控制器输入、输出变量之间的经验关系通过逻辑推理表现出来,建立控制器的控制规则集。在模糊推理开始前,应对精确输入量进行模糊化处理,将其转换至输入语言变量可以讨论的论域范围内,再以适当的隶属度函数在各自的论域中对其进行描述,得出推理结果后,还需将此模糊集合进行模糊判决,即找出其隶属度函数或横坐标围成面积的重心在论域上的值,即可将集合转换为精确值,从而可以向对象实施直接控制。系统设计完成后,还应进行现场试验,得出制动压力与速度的关系曲线,验证该控制模式是否切实具有可行性。
3.2 贴闸环节的控制
恒减速制动控制环节复杂,每一部分的性能都能影响到最终的调节效果。如油液的清洁度,整个闭环系统的刚性、控制元件的调节性能、电气元件是否受到干扰等。其中恒减速调节的第一步是液压回路中溢流阀将制动器内大部分的油泄回油箱,即“贴闸”过程,该环节对整个调试效果起着关键作用。安全回路断开的瞬间,闸瓦与闸盘有1mm左右的间隙,这1mm左右的间隙可能会导致飞车或速度超调。从控制角度讲,压力环首先给出了一压力信号,反映到速度环中得出一初始速度偏差。如果贴闸不迅速,会出现速度超调量大,即初始速度偏差大。而影响贴闸效果的因素很多。以制动器为例,若其碟簧的回弹速度不够,油压降得慢,贴闸时间长,可能使之后某点的瞬时制动减速度很大。因此在恒减速调试之前,应首先对制动器的性能指标和空动时间进行检查。此外,原配件性能和装配精度也对贴闸效果有较大的影响,须依现场条件进行适当地调整。为使减速曲线平缓,须通过对比例阀的线性调节实现对制动器油液的精密控制。实践中应由低速到高速,轻载到重载,逐次调节,兼顾各种工况,以达到理想的贴闸效果。
4 结语
实践证明,恒减速制动系统因其科学的运行模式使提升设备得到了精确、合理的控制,提高了提升作业的安全性和稳定性。但与国外先进技术相比,我国的恒减速制动系统在设计和使用环节还都存在着相当大的差距。相关工作人员应在现有控制技术的基础上,不断总结问题、积累经验,不断提高制动系统的科学性和适应性,以期尽可能延长提升机的使用寿命,保证矿井生产活动安全、流畅、有序地进行。
参考文献
[1] 刘强.矿井提升机数字恒减速制动控制器的设计[J].微计算机信息,2009(13).
[2] 孙向文,刘跃敏.矿山提升设备恒减速控制系统的研究[J].矿山机械,2003(11).
[3] 傅岳林.微机控制在提升机恒减速制动系统中的应用[J].矿山机械,2001(5).
[4] 眭碧霞,何凤有,袁亚洲,张建平.提升机恒减速制动控制策略[J].电力科学与工程,2006(4).
关键词:矿井提升 恒减速制动 机电控制
中图分类号:TD44 文献标识码:A 文章编号:1674-098X(2012)07(a)-0085-01
1 矿井提升制动在煤炭安全生产中的作用
作为矿井作业中的关键机械,矿井提升设备在生产的全过程中担负着矿物、人員、材料及设备的上下和运输工作,对采矿效率具有重要影响。而提升系统一旦出现事故,常常会造成不可估量的生命财产损失。因此,必须对其制动系统进行精密和及时的控制,以便在发生紧急情况时,通过可靠的制动性能,减少和避免危险的发生,确保煤炭生产的安全性和稳定性。研究显示,影响提升机制动效果的因素复杂,并可能根据不同的工况发生变化,而若在多变的工况下制动减速度变化过大,制动过程就会变得不平稳,出现诸如钢丝绳打滑等现象,使提升设备的安全性受到严重影响。目前,矿井提升机主要有一级制动、二级制动和恒减速制动等几种制动模式,正常运行时,各种制动模式几乎都可以满足系统的工作要求,但随着采掘技术的进步和工作面的不断延伸,系统对提升制动的安全性要求不断升高,恒减速制动模式的优势逐渐显露出来,逐渐成为了矿井提升控制的主流发展趋势。该方法通过自动调节油压动力实现了减速度恒定的控制目标,让提升设备可以按照事先设定减速度完成制动,使提升设备的安全性大大提高。
2 恒减速制动的工作原理
矿井提升机的运行流程为启动→加速→匀速→减速→低速爬行→停车的循环过程。其中精确的“启动→加速→匀速”过程在生产中较容易实现,而控制的关键在于对“减速→低速爬行→停车”阶段的准确控制,恒减速制动能使提升机平稳、安全地进入低速爬行阶段,为精确的停车控制奠定了基础。
由于制动力矩与减速度之间属于非线性关系,受复杂的工况条件影响,很难从力的因素入手对减速度进行控制,因此,恒减速系统通常是通过液压系统实现自动控制的。首先,制动系统接收到由保护装置发送的减速制动信号,此时液压系统的油压下降到某一设定值,提升机运行在磨闸皮状态下。同时,安装在滚筒的轴编码器测量值进入可编程逻辑控制器(PLC)内部进行计算,得出减速度值和已设定的减速度值相比较,经数字处理器处理,由减速度偏差值得到一个与制动力矩相对应的电流值,并将此电流值作用在恒减速电液比例阀上,通过电磁阀的启闭,使制动压力处于增压—保压—减压的状态转换中,从而使电机得到合适的制动力矩,使电机按照恒定的减速度停车。恒减速系统极大地减小了减速环节对设备的冲击,可克服由安全制动引起的多绳摩擦提升机的钢丝绳滑动问题和斜井提升机的钢丝绳损伤与掉道问题,还能改善缠绕式提升机因不平衡载荷而产生的制动性能问题。
3 提升机恒减速制动在设计使用中应注意的问题
3.1 恒减速制动模糊控制器的设计
矿井提升设备组成了一个大惯量闭环,其制动部分则是一个结构复杂的机、电、液一体化系统,工作中充满了各种不确定性因素,阻尼与摩擦、制动衬片弹性以及各元件间隙等的变化,都可能使制动相应表现出死区、滞环、饱和等多种强非线性动态特征,给恒减速控制算法的动态模型建设制造困难。而模糊控制器模拟人的思想和控制经验进行决策,不需建立完整的数学模型,仅需以模糊控制算法,模拟执行元件在电机闸盘上对制动力矩作用进行控制,实践中具有良好的灵活性和鲁棒性。
模糊控制器的设计首先由确定其输入、输出语言变量开始,通常选取与实际减速度有关的变量作为输入语言变量,而输出语言则选择与油压有关的变量。其次应将模糊控制器输入、输出变量之间的经验关系通过逻辑推理表现出来,建立控制器的控制规则集。在模糊推理开始前,应对精确输入量进行模糊化处理,将其转换至输入语言变量可以讨论的论域范围内,再以适当的隶属度函数在各自的论域中对其进行描述,得出推理结果后,还需将此模糊集合进行模糊判决,即找出其隶属度函数或横坐标围成面积的重心在论域上的值,即可将集合转换为精确值,从而可以向对象实施直接控制。系统设计完成后,还应进行现场试验,得出制动压力与速度的关系曲线,验证该控制模式是否切实具有可行性。
3.2 贴闸环节的控制
恒减速制动控制环节复杂,每一部分的性能都能影响到最终的调节效果。如油液的清洁度,整个闭环系统的刚性、控制元件的调节性能、电气元件是否受到干扰等。其中恒减速调节的第一步是液压回路中溢流阀将制动器内大部分的油泄回油箱,即“贴闸”过程,该环节对整个调试效果起着关键作用。安全回路断开的瞬间,闸瓦与闸盘有1mm左右的间隙,这1mm左右的间隙可能会导致飞车或速度超调。从控制角度讲,压力环首先给出了一压力信号,反映到速度环中得出一初始速度偏差。如果贴闸不迅速,会出现速度超调量大,即初始速度偏差大。而影响贴闸效果的因素很多。以制动器为例,若其碟簧的回弹速度不够,油压降得慢,贴闸时间长,可能使之后某点的瞬时制动减速度很大。因此在恒减速调试之前,应首先对制动器的性能指标和空动时间进行检查。此外,原配件性能和装配精度也对贴闸效果有较大的影响,须依现场条件进行适当地调整。为使减速曲线平缓,须通过对比例阀的线性调节实现对制动器油液的精密控制。实践中应由低速到高速,轻载到重载,逐次调节,兼顾各种工况,以达到理想的贴闸效果。
4 结语
实践证明,恒减速制动系统因其科学的运行模式使提升设备得到了精确、合理的控制,提高了提升作业的安全性和稳定性。但与国外先进技术相比,我国的恒减速制动系统在设计和使用环节还都存在着相当大的差距。相关工作人员应在现有控制技术的基础上,不断总结问题、积累经验,不断提高制动系统的科学性和适应性,以期尽可能延长提升机的使用寿命,保证矿井生产活动安全、流畅、有序地进行。
参考文献
[1] 刘强.矿井提升机数字恒减速制动控制器的设计[J].微计算机信息,2009(13).
[2] 孙向文,刘跃敏.矿山提升设备恒减速控制系统的研究[J].矿山机械,2003(11).
[3] 傅岳林.微机控制在提升机恒减速制动系统中的应用[J].矿山机械,2001(5).
[4] 眭碧霞,何凤有,袁亚洲,张建平.提升机恒减速制动控制策略[J].电力科学与工程,2006(4).