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摘要：液粘绞车是基于斜井运输绞车设计的一种新型绞车，该绞车克服了原绞车控制精度低的缺点。为了研究该绞车起动特性，建立了AMESim仿真模型，得到了负载为水平和斜坡两种起动条件下的仿真结果并进行分析。
关键词：液粘绞车；AMESim；仿真模型；起动特性
中图分类号：U664文献标识码： A
Abstract: Hydro-viscous winch is designed as a novel hoisting equipment based on original inclined mine hoisting winch and it overcomes the original winch shortcomings of low degree of automation. In order to research the starting performanceof the winch, a simulation model was established in AMESim and the simulation results under the two start-up conditions, load on horizontal and load on slope, were analyzed.
Keywords: -hydro-viscous winch; AMESim; simulation model; starting performance
斜井运输绞车主要应用于提升倾角小于30度的运输巷道中，其主要缺点为自动化程度低、控制精度差。在液粘绞车系统中液粘制动器代替了原绞车的手动制动器，因此提升速度的控制可以通过改变液粘制动器制动扭矩而实现。开展液粘绞车起动特性仿真研究，对绞车控制系统设计及控制策略的制定具有指导意义。
1 AMESim仿真模型
液粘制动器是绞车系统中的关键元件，其工作原理为：通过改变推进油缸的输入压力，改变两摩擦片间隙，从而改变油膜厚度，制动器输出压力也随之变化。油缸输入压力是可控的，其值由压力控制回路中比例溢流阀的输入信号决定。液粘制动器传递函数如下：
其中，M为输出扭矩; u为输入电压; K为系统增益; J为转动惯量; Km为负载扭矩转动速度增益。
由于液粘制动器模型在AMESim中建立较为困难，因此用其传递函数代替。根据液粘绞车结构建立液粘绞车AMESim模型如图1所示。由图可知该仿真模型包含两个friction模块，分别表示盘式制动器和液粘制动器；mass-friction模块表示负载；两个planetfear模块组成了液粘绞车行星轮系；forcecon模块表示重力。一般情况下绞车在负载处于水平位置时起动，此时负载运动方向不受重力作用，因此设置forcecon模块输入信号为0。模型主要参数设置如表1所示。
图1 液粘绞车仿真模型
表1 仿真参数设置
2 仿真结果及分析
2.1起动阶段仿真及分析
设置仿真模型的仿真时间为10s；仿真精度设置为0.0001s。图2表示了负载速度曲线；图3表示了液粘制动器传递函数输出及friction模块实际输出扭矩曲线。
由图2可得负载速度经过5s到达稳定，系统超调较小。达到稳定前系统存在微小振荡，该振荡频率与钢丝绳刚度有关，刚度越小系统振荡越剧烈。图3中曲线1表示了传递函数输出在10s时达到1500，但是实际系统正常运行并不需要这么大的扭矩值。曲线2表示了实际扭矩输出曲线，初始阶段该曲线一直跟随曲线1变化，4s时曲线2突然下降，在6s时曲线2稳定于130 N·m。这说明液粘制动器输出扭矩实际仅需要130 N·m。
图2 重物速度曲线
图3 液粘制动器传递函数输出及液粘制动器实际输出扭矩曲线
2.2提升阶段仿真及分析
绞车进入提升阶段重物在其运动方向将会受到负载突变，因此对绞车进入提升阶段进行仿真分析是必要的。在仿真模型中将仿真时间设置为14s；仿真精度设置为0.0001s；forcecon模块的输入信号在7s时设置为-2500，运行仿真模型。
进入提升阶段重物速度曲线如图4所示，绞车在7s时进入提升阶段，重物速度有微小下降，这是由于负载突然增加造成的，12s时系统再次达到稳。图5表示了液粘制动器实际扭矩输出曲线及其传递函数数值输出，曲线1表示其实际输出扭矩，曲线2表示传递函数输出，由图可知实际扭矩在7s时突然增加，并且在11s之前其值大小跟随曲线1变化。11s之后输出扭矩足够维持系统正常运行，输出扭矩在12s时达到稳定。
图4 进入提升阶段重物速度曲线
图5 进入提升阶段液粘制动器实际扭矩输出曲线及其传递函数数值输出曲线
2.3斜坡起動仿真
在特殊工况下，绞车必须在重物处于斜坡时进行起动。此时将forcecon模块的输入信号始终设置为-2500。仿真分析液粘制动器输入电压分别为150、200、250时绞车的起动特性如图6、7所示。
图6表示了不同输入电压重物速度曲线，三条曲线一开始都出现下降趋势，这说明在重力作用下重物一开始就沿斜坡发生下滑。曲线1的值一直维持负值，这说明输入电压过小会使重物一直下滑。曲线2、3都出现的正值，观察其变化趋势可得，输入电压越大重物速度提升越快，绞车达到提升状态所用时间久越短。
图6 不同输入电压重物速度曲线
图7表示了不同输入电压制动器实际输出扭矩曲线。观察曲线2、3，发现其值先增大，后发生突变减小，经振动后趋于平稳，这说明输入电压较大时，将使制动器输出扭矩足够维持重物达到提升状态 曲线1一直平稳增大，最后趋于平稳。这是由于输入电压较小时，制动器输出扭矩不能维持重物的提升状态。
图7 不同输入电压制动器实际扭矩输出曲线
3 结论
通过对三种工况的仿真分析，结果表明起动条件对液粘绞车起动特性的影响十分显著。在实际应用中需要根据实际工况，确定系统的相关参数，这样才能使系统的起动特性达到最优。同时本文的研究对液粘绞车起动控制策略的研究和制定，具有重要的参考和指导意义。
参考文献
[1]杜波．液粘传动绞车的研究[D]．徐州：中国矿业大学硕士论文，2011,6．
[2]韩春艳．液粘调速绞车的PLC控制系统[D]．辽宁：辽宁工程技术大学硕士论文，2002，3．
[3]陈宁．液体粘性传动（HVD）技术的研究[D]．浙江：浙江大学博士论文，2003，9．
[4]于治福，朱家玮．利用滑差离合器对防爆提升绞车无极调速[J]．煤炭科学技术，1988（4）：40-43
关键词：液粘绞车；AMESim；仿真模型；起动特性
中图分类号：U664文献标识码： A
Abstract: Hydro-viscous winch is designed as a novel hoisting equipment based on original inclined mine hoisting winch and it overcomes the original winch shortcomings of low degree of automation. In order to research the starting performanceof the winch, a simulation model was established in AMESim and the simulation results under the two start-up conditions, load on horizontal and load on slope, were analyzed.
Keywords: -hydro-viscous winch; AMESim; simulation model; starting performance
斜井运输绞车主要应用于提升倾角小于30度的运输巷道中，其主要缺点为自动化程度低、控制精度差。在液粘绞车系统中液粘制动器代替了原绞车的手动制动器，因此提升速度的控制可以通过改变液粘制动器制动扭矩而实现。开展液粘绞车起动特性仿真研究，对绞车控制系统设计及控制策略的制定具有指导意义。
1 AMESim仿真模型
液粘制动器是绞车系统中的关键元件，其工作原理为：通过改变推进油缸的输入压力，改变两摩擦片间隙，从而改变油膜厚度，制动器输出压力也随之变化。油缸输入压力是可控的，其值由压力控制回路中比例溢流阀的输入信号决定。液粘制动器传递函数如下：
其中，M为输出扭矩; u为输入电压; K为系统增益; J为转动惯量; Km为负载扭矩转动速度增益。
由于液粘制动器模型在AMESim中建立较为困难，因此用其传递函数代替。根据液粘绞车结构建立液粘绞车AMESim模型如图1所示。由图可知该仿真模型包含两个friction模块，分别表示盘式制动器和液粘制动器；mass-friction模块表示负载；两个planetfear模块组成了液粘绞车行星轮系；forcecon模块表示重力。一般情况下绞车在负载处于水平位置时起动，此时负载运动方向不受重力作用，因此设置forcecon模块输入信号为0。模型主要参数设置如表1所示。
图1 液粘绞车仿真模型
表1 仿真参数设置
2 仿真结果及分析
2.1起动阶段仿真及分析
设置仿真模型的仿真时间为10s；仿真精度设置为0.0001s。图2表示了负载速度曲线；图3表示了液粘制动器传递函数输出及friction模块实际输出扭矩曲线。
由图2可得负载速度经过5s到达稳定，系统超调较小。达到稳定前系统存在微小振荡，该振荡频率与钢丝绳刚度有关，刚度越小系统振荡越剧烈。图3中曲线1表示了传递函数输出在10s时达到1500，但是实际系统正常运行并不需要这么大的扭矩值。曲线2表示了实际扭矩输出曲线，初始阶段该曲线一直跟随曲线1变化，4s时曲线2突然下降，在6s时曲线2稳定于130 N·m。这说明液粘制动器输出扭矩实际仅需要130 N·m。
图2 重物速度曲线
图3 液粘制动器传递函数输出及液粘制动器实际输出扭矩曲线
2.2提升阶段仿真及分析
绞车进入提升阶段重物在其运动方向将会受到负载突变，因此对绞车进入提升阶段进行仿真分析是必要的。在仿真模型中将仿真时间设置为14s；仿真精度设置为0.0001s；forcecon模块的输入信号在7s时设置为-2500，运行仿真模型。
进入提升阶段重物速度曲线如图4所示，绞车在7s时进入提升阶段，重物速度有微小下降，这是由于负载突然增加造成的，12s时系统再次达到稳。图5表示了液粘制动器实际扭矩输出曲线及其传递函数数值输出，曲线1表示其实际输出扭矩，曲线2表示传递函数输出，由图可知实际扭矩在7s时突然增加，并且在11s之前其值大小跟随曲线1变化。11s之后输出扭矩足够维持系统正常运行，输出扭矩在12s时达到稳定。
图4 进入提升阶段重物速度曲线
图5 进入提升阶段液粘制动器实际扭矩输出曲线及其传递函数数值输出曲线
2.3斜坡起動仿真
在特殊工况下，绞车必须在重物处于斜坡时进行起动。此时将forcecon模块的输入信号始终设置为-2500。仿真分析液粘制动器输入电压分别为150、200、250时绞车的起动特性如图6、7所示。
图6表示了不同输入电压重物速度曲线，三条曲线一开始都出现下降趋势，这说明在重力作用下重物一开始就沿斜坡发生下滑。曲线1的值一直维持负值，这说明输入电压过小会使重物一直下滑。曲线2、3都出现的正值，观察其变化趋势可得，输入电压越大重物速度提升越快，绞车达到提升状态所用时间久越短。
图6 不同输入电压重物速度曲线
图7表示了不同输入电压制动器实际输出扭矩曲线。观察曲线2、3，发现其值先增大，后发生突变减小，经振动后趋于平稳，这说明输入电压较大时，将使制动器输出扭矩足够维持重物达到提升状态 曲线1一直平稳增大，最后趋于平稳。这是由于输入电压较小时，制动器输出扭矩不能维持重物的提升状态。
图7 不同输入电压制动器实际扭矩输出曲线
3 结论
通过对三种工况的仿真分析，结果表明起动条件对液粘绞车起动特性的影响十分显著。在实际应用中需要根据实际工况，确定系统的相关参数，这样才能使系统的起动特性达到最优。同时本文的研究对液粘绞车起动控制策略的研究和制定，具有重要的参考和指导意义。
参考文献
[1]杜波．液粘传动绞车的研究[D]．徐州：中国矿业大学硕士论文，2011,6．
[2]韩春艳．液粘调速绞车的PLC控制系统[D]．辽宁：辽宁工程技术大学硕士论文，2002，3．
[3]陈宁．液体粘性传动（HVD）技术的研究[D]．浙江：浙江大学博士论文，2003，9．
[4]于治福，朱家玮．利用滑差离合器对防爆提升绞车无极调速[J]．煤炭科学技术，1988（4）：40-43