礦用無極繩絞車電液控制系統設計及性能優化

孔翠波

（山西焦煤西山煤電集團鎮城底礦， 山西 古交 030203）

引言

無極繩絞車是煤礦開采中的常見設備，其結構包括動力裝置、梭車、尾輪、張緊裝置、輪組、主壓繩輪等，主要用于井下巷道的物品運輸，使用鋼絲牽引往復運行，可以實現長距離軌道連續運輸，解決了煤礦運輸線路坡道多、傾角大、運輸距離長以及彎道和坡道運輸不安全等重大問題，具有節省人力、安全性高、連續性好、運行成本低的優點，但長期以來無極繩絞車的基本結構并沒有得到本質性的改善和發展，如果能夠與現代化的控制設備和控制方法相結合，一定可以進一步提高其操作的安全性、使用效率及使用壽命，提高其自動化控制程度是改善其工作性能的有效方法，本文將使用控制性更好的液壓元件代替傳統的電力驅動，使用PLC、傳感器、控制手柄等控制元件來解決無極繩絞車存在的不足，使其性能進一步提升，操作也會更加安全，使用壽命也會更長。

1 無極繩絞車需要改善的問題

1.1 進一步優化動力源

目前，無極繩絞車使用電機作為動力源，而電機的初始啟動速度較高，所以在啟動和停止時不平穩，對鋼絲繩產生一定的沖擊，在鋼絲長期反復負重沖擊的工作條件下就很容易出現斷絲、拉長等安全隱患，甚至出現鋼絲被拉斷，導致嚴重后果，所以改善動力源的工作方式對改善無極繩絞車的工作狀態起到很大作用[1]。

1.2 改善梭車速度控制方式

礦井中的工作環境非常復雜，梭車以及連接的礦車、平板車、材料車會經常往復于彎道、上坡、下坡等工作環境，這對鋼絲的使用壽命影響極大，這些地方往往也是事故的多發地帶，雖然梭車在機械結構上已經經過多次改進來預防此類事件的發生，但不能從根本上解決問題，還是經常會出現斷絲的現象，即使梭車的機械結構可以在斷絲后制動預防安全事故的發生，但如果斷絲頻率過高必然會影響生產進度和生產成本。假設梭車在進入彎道、坡道之前先通過傳感技術能夠檢測到梭車的位置，在進入危險環境之前將通過反饋信號將位置信息傳給控制系統，控制系統做出減速控制，梭車按照控制指令逐漸無級減速，然后在駛出危險段之后無級加速，恢復正常速度，這就會從根本上解決彎道、坡道帶來的危險性。

1.3 更換變速系統

傳統的無極繩絞車采用換擋變速模式控制梭車的速度變化，這種變速方式如果在梭車運行中換擋，必然會給鋼絲帶來很大的沖擊力，這也是鋼絲損壞的一個重要原因，若停車換擋，必然會影響工作效率，增大操作者的勞動強度，也會給整個流程帶來諸多不便。若能使用一套可以無級調速并動力強勁的變速系統來代替擋位調速結構，必然會減輕變速過程中梭車對鋼絲的沖擊，減少操作步驟，提高工作效率[2]。

2 優化方案

2.1 動力源的更換

采用液壓柱塞式變量泵和定量液壓馬達作為絞車的動力輸出元件，先由外部動力系統給柱塞泵提供動力，動力軸帶動泵內的傾盤旋轉。柱塞式變量泵是依靠改變傾盤的角度來實現變量輸出的。當傾盤角度為零時，傾盤旋轉時與之相連的柱塞之間不會產生差動，柱塞泵就不會產生排量輸出，若傾盤發生角度變化，與傾盤相連的柱塞在轉動過程中產生差動，柱塞泵就會產生排量，而且傾角越大排量就會越大，產生排量后將動力傳給液壓馬達，液壓馬達轉速就會隨變量泵排量增大而增大，馬達連接減速機，減速連接絞車，絞車就會產生動力。傾盤是從零位逐漸加大傾角的，所以泵的排量也是從零逐漸加大的，相應的馬達、減速機、絞車的速度也是從零逐漸啟動的，所以這樣就實現了絞車的零速度無級加速功能，反之在停止時也可以實現無級降速，直到速度為零，所以在啟動和停止過程中就大大減小了梭車對鋼絲的沖擊力，并加強了系統的安全性，而且液壓系統相對電力系統還有輸出強勁穩定、噪音小等優點。

2.2 絞車的速度控制

對絞車的速度控制也就是對柱塞式變量泵的排量控制，這里采用手柄和PLC組成的系統完成絞車的速度控制功能，變量泵裝有兩個比例電磁鐵來觸動傾盤的角度發生變化，從而控制變量泵輸出排量的大小和方向，兩個比例電磁鐵分別控制變量泵兩個方向的輸出，也就控制了馬達的正反轉輸出，從而控制減速機和絞車的正反向轉動，PLC的兩個電流模擬量輸出端口分別連接這兩個比例電磁鐵。當PLC有電流輸出給比例電磁鐵時，電磁鐵閥芯就會產生位移頂開傾盤，且電流越大位移也會越大，由此可見PLC給電磁鐵的輸出電流越大，絞車的轉速就會越高，同樣當PLC給另一個電磁鐵輸出電流時傾盤向另一側開啟，絞車也就會反向轉動，并且電流越大速度也就越快[3]。根據以上原理，使用手柄完成絞車的正反轉和速度的控制，如圖1手柄控制連線圖所示。

圖1 手柄控制連線圖

手柄內裝有電位器，手柄中位時，電位器滑動觸點也位于中間位置，PLC具有5 V電壓輸出端口，還有0～5 V模擬量接收端口，電位器兩端分別連接0位和5 V電壓輸出端口。當電位器滑動觸點從0向5 V端滑動時，即可得到一個0～5 V的電壓模擬量，將此模擬量接入PLC的0～5 V接收端口，PLC會自動將此變量轉化為0～5 000的數值，賦值此數值為S。手柄的起始位在中位，所以將此數值分為0～2 500和2 500～5 000兩部分，分別控制兩個比例電磁鐵的電流。當手柄從中位向零位推動時，S＜2 500則驅動比例電磁鐵2頂開變量泵的傾盤，且手柄推動角度越大比例電磁鐵2的接收電流就越大，變量泵的傾盤角度就越大，馬達速度就越大，絞車的轉速也就越大。當手柄向5 V端推動時，S＞2 500則驅動比例電磁鐵1頂開變量泵的傾盤，使變量泵向另一方向輸出，且手柄推動角度越大，比例電磁鐵1的接收電流就越大，變量泵的傾盤角度就越大，馬達速度就越大，絞車的轉速也就越大，所以只要操作者推動手柄就可以完成對絞車的0轉速雙向無級啟動。

2.3 彎道、坡道的速度控制

在彎道和坡道前10 m的位置安裝接近開關，梭車一但靠近接近開關，接近開關的觸點就會閉合，并一直保持閉合狀態，同時將電信號傳導給PLC，PLC收到信號后就會逐漸降低電流變量系數k的數值，k值減小相當于PLC給比例電磁鐵的輸出電流減小，絞車的速度就會隨之降低，梭車的速度也就會降低到可以順利通過彎道和破道的速度，這樣梭車就會安全地、無沖擊地經過彎道和坡道，經過后就會觸碰另一個接近開關，將前端接近開關的觸點解鎖，同時將解鎖信號傳導給PLC，PLC就會再次逐漸恢復系數k值，梭車再以正常速度繼續運行，這樣就可以完全保證梭車安全地通過彎道和坡道。

3 結語

由液壓柱塞變量泵、液壓馬達、PLC、手柄、接近開關組成的無極繩絞車控制系統改善了絞車啟動不穩、梭車速度控制易發生危險、換擋變速控制復雜等一系列鋼絲沖擊問題和安全問題，使無極繩絞車系統運行更加穩定，減少了維修次數，降低了維修費用，運行模式也更加安全、穩定、可靠，而且還具有噪音低、動力強的特點，大大加強了無極繩絞車的使用性能。