礦用無極繩絞車液壓驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計與模擬分析

牛 昊

（大同煤礦集團有限公司忻州窯礦，山西 大同 037003）

無極繩絞車具有提升能力大、占地面積小、使用方便等特點，是煤礦井下重要的運輸輔助工具，但是絞車的控制大多是采用手柄控制方式，來實現(xiàn)對絞車提升設(shè)備運輸速度、升降進行控制，手動控制時存在控制精度低、缺乏監(jiān)控、安全性不高、驅(qū)動裝置受到的沖擊比較大等問題[1～3]。筆者根據(jù)煤礦井下常用的JKY型號液壓無極繩絞車為例，重新對液壓控制系統(tǒng)進行構(gòu)建，以便實現(xiàn)提升絞車的自動化控制水平，增強礦井絞車的安全使用系數(shù)，降低井下工作人員勞動強度。

1 JKY絞車控制原理

圖1 絞車控制示意圖

在對絞車進行控制時，井下操作人員通過采空絞車控制手柄來實現(xiàn)對絞車變量泵體（ZBS-H915）轉(zhuǎn)子偏心度進行控制，從而控制變量泵體流量值大小，達到對絞車運行速度控制的目的[4～5]。具體的液壓絞車控制原理如圖1所示。開環(huán)控制系統(tǒng)中未設(shè)置相關(guān)反饋裝置，絞車操作人員需要不斷的調(diào)節(jié)手柄進行調(diào)節(jié)，從而實現(xiàn)對液壓絞車運行速度的控制。由于設(shè)備上未有相關(guān)反饋以及顯示裝置，因此絞車運行過程的中速度，運行的平穩(wěn)程度以及準確性往往需要憑借絞車司機的經(jīng)驗進行判斷[6]。

2 液壓控制系統(tǒng)設(shè)計

2.1 系統(tǒng)自動控制原理分析

絞車工作存在三種狀態(tài)：絞車下方、上體以及停止制動，設(shè)計的系統(tǒng)中單片機可以根據(jù)控制手柄輸入信號大小以及控制手柄處于的狀態(tài)來對絞車的運行狀態(tài)輸入情況進行判斷，并作出一定的相應，圖2是系統(tǒng)的具體判別流程。

圖2 絞車運行狀態(tài)判別流程

絞車在提升相關(guān)設(shè)備以及材料過程中，控制手柄處于向上推動狀態(tài)，推入量越大，運轉(zhuǎn)速度越快，此時設(shè)備中三位四通電磁閥運行狀態(tài)是處于左側(cè)，兩位兩通電磁閥運行狀態(tài)是處于右側(cè)，兩位兩通電磁閥處于完全開啟狀態(tài)，用以絞車制動的制動器處于松閘，驅(qū)動電機處于正轉(zhuǎn)狀態(tài)，帶動鋼絲繩將設(shè)備以及材料進行提升，系統(tǒng)中的PID控制設(shè)備以及PLC單片機共同作用來根據(jù)手柄推入大小通過控制驅(qū)動電機的轉(zhuǎn)速來對絞車卷筒轉(zhuǎn)速進行控制；當絞車下方設(shè)備或者材料時，三位四通電磁閥、兩位四通電磁閥、兩位兩通電磁閥與絞車提升狀態(tài)時的位置正好相反，分別處于右側(cè)、左側(cè)及關(guān)閉狀態(tài)。經(jīng)過1.5s時間后，兩位兩通電磁閥開啟，絞車的液壓制動器處于松閘狀態(tài)，驅(qū)動電機發(fā)轉(zhuǎn)，下放設(shè)備材料，PID控制設(shè)備以及PLC單片機同樣通過控制驅(qū)動電機運轉(zhuǎn)速度來達到對絞車下放速度的控制。當絞車需要停止運行時，控制手柄處于未處于動作狀態(tài)，PID控制設(shè)備以及PLC單片機協(xié)同將絞車卷筒的運轉(zhuǎn)速度降低至0，并控制液壓制動器，使其處于開啟狀態(tài)。當絞車需要進行緊急停車時，也可以通過手動拉起設(shè)備旁的制動拉桿，來實現(xiàn)停止卷筒運轉(zhuǎn)目的。

2.2 速度自動調(diào)速分析

2.2.1 轉(zhuǎn)速控制分割

絞車控制手柄進行操作時，單片機中的模數(shù)轉(zhuǎn)換器對目標讀數(shù)進行讀取，并與驅(qū)動電機目前的運轉(zhuǎn)速度進行比對，差值取值為△w。當控制手柄操作需要的轉(zhuǎn)速與當前驅(qū)動電機轉(zhuǎn)速方向一致時，單片機將△w絕對值除以20r/min，取得的數(shù)值即為需要的目標轉(zhuǎn)速，將目標轉(zhuǎn)速進行取整，并記作i，并將目標轉(zhuǎn)速分割成（i+1）個階段目標運轉(zhuǎn)速度，前i個階段的目標轉(zhuǎn)速度控制時間均保持為1s。當取得的△w值為正數(shù)時，在前i個階段，每個階段驅(qū)動電機的運轉(zhuǎn)速度增加20r/min，一直持續(xù)到第i階段結(jié)束，在第i階段結(jié)束以后，目標轉(zhuǎn)速增加到控制手柄需要的轉(zhuǎn)速；當取得的△w值為負數(shù)時，在前i個階段，每個階段驅(qū)動電機的運轉(zhuǎn)速度減少20r/min，一直持續(xù)到第i階段結(jié)束，在第i階段結(jié)束以后，目標轉(zhuǎn)速增加到控制手柄需要的轉(zhuǎn)速。

當控制手柄目標轉(zhuǎn)速與當前驅(qū)動電機轉(zhuǎn)動方向正好相反時，目標轉(zhuǎn)速的控制分為兩個大的階段，第一階段是先將目標轉(zhuǎn)速變成0，然后與當前驅(qū)動電機轉(zhuǎn)速取差值，求得△w，最后再將目標轉(zhuǎn)速進行分割；第二間斷，將目標轉(zhuǎn)速變成控制手柄需要速度，然后與0轉(zhuǎn)速進行作差求得△w，最后再將目標轉(zhuǎn)速進行分割。

2.2.2 PID調(diào)速控制

系統(tǒng)中的PLC單片機完成對控制手柄目標轉(zhuǎn)速度分割之后，在每一個速度分割階段之內(nèi)，單片機將目標轉(zhuǎn)動速度分割值轉(zhuǎn)變成目標速度，隨后通過與角速度傳感器獲得當前驅(qū)動電機的運轉(zhuǎn)速度，計算出運轉(zhuǎn)速度與當前階段目標速度之間的差值，差值信號經(jīng)過數(shù)模轉(zhuǎn)換器之后的編程模擬信號傳輸?shù)絇ID控制器，進而將驅(qū)動電機的運轉(zhuǎn)速度調(diào)整到目標速度，經(jīng)過（i+1）個階段的速度調(diào)整之后，驅(qū)動電機的運轉(zhuǎn)速度調(diào)整至控制手柄的目標速度，完成對絞車運轉(zhuǎn)速度的精準控制。

3 模擬驗證

3.1 模型建立

為了對建立的系統(tǒng)運行效果進行分析，采用AMEsim軟件進行驗證。在AMEsim軟件中建立絞車液壓控制自動控制模擬，在模擬運行環(huán)境中對PID控制參數(shù)進行賦值，設(shè)定K1為50，Kp為1300，KD為1000，絞車驅(qū)動電機的最大拉力值設(shè)定為600kg，模擬輸入轉(zhuǎn)速從 0r/min～-40r/min以及從-50r/min～0r/min等情況下的絞車驅(qū)動電機的相應情況以及轉(zhuǎn)動速度的控制情況。模擬開始時間均設(shè)置為0s，采樣間隔時間均設(shè)置為0.01s，模擬仿真總時間分別為 7s、23s。

3.2 模擬結(jié)果分析

當控制手柄的目標轉(zhuǎn)速設(shè)定為-40r/min時，絞車驅(qū)動電機的運轉(zhuǎn)速度響應情況如圖3所示。當控制手柄目標轉(zhuǎn)速設(shè)定為0r/min時，絞車驅(qū)動電機的運轉(zhuǎn)速度從-50r/min的轉(zhuǎn)速到0r/min的響應曲線如圖4所示。

圖3 -40～3 0r/min調(diào)速過程轉(zhuǎn)速響應曲線

從圖4中可以看出，當驅(qū)動電機的運轉(zhuǎn)速度由0r/min變成-40r/min過程中，制動閘的開啟時間延遲1.5s，在整個速度下放期間，轉(zhuǎn)速沒有發(fā)生較大幅度的波動，系統(tǒng)的速度的調(diào)節(jié)總耗時在3.7s，最終的絞車驅(qū)動電機的運轉(zhuǎn)速度穩(wěn)定在-39.60r/min，較目標值小0.40r/min，遠小于誤差允許值1r/min。

圖4 -50～0r/min調(diào)速過程轉(zhuǎn)速響應曲線

從圖4中可以看出，當將絞車驅(qū)動電機的運轉(zhuǎn)速度由-50 r/min調(diào)整至0 r/min的過程中，PLC單片機將目標轉(zhuǎn)速的調(diào)整劃分為3個階段，分別是轉(zhuǎn)速從-50r/min調(diào)整到-30 r/min、-30r/min調(diào)整到-10 r/min以及速度從-10 r/min調(diào)整到0 r/min。在PID控制器將轉(zhuǎn)速從-50r/min調(diào)整到-30 r/min過程中總耗時長為1s，將轉(zhuǎn)速-30r/min調(diào)整到-10 r/min時，PID控制器轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)耗時為1s，PID控制器將轉(zhuǎn)速從-10 r/min調(diào)整到0 r/min過程中，總耗時為4s。在對絞車驅(qū)動電機進行調(diào)速控制時，絞車的運行速度未出現(xiàn)較大幅度的波動，運行較為平穩(wěn)。表明設(shè)計的絞車驅(qū)動控制系統(tǒng)是切實有效可行的。

4 總 結(jié)

設(shè)計的無極繩絞車液壓驅(qū)動控制系統(tǒng)同通過PLC單片機以及PID控制器來實現(xiàn)絞車運行速度的平穩(wěn)控制，當絞車控制手柄完成操作后，PLC單片機完成對絞車運行狀態(tài)的綜合判斷，從而控制對各液壓閥進行控制，對目標速度進行分割，PID控制器通過絞車驅(qū)動電機轉(zhuǎn)速的控制完成對絞車轉(zhuǎn)速的有效調(diào)節(jié)，采用AMEsim軟件對設(shè)計的系統(tǒng)進行模擬驗證，結(jié)果也表明，設(shè)計的系統(tǒng)能夠?qū)g車運行速度進行平穩(wěn)調(diào)節(jié)。設(shè)計的制動系統(tǒng)可以提高了絞車的自動化控制水平，解決了靠個人經(jīng)驗對絞車速度進行控制存在的問題。