煤礦主提升機(jī)制動(dòng)控制系統(tǒng)的研究

張杰勛

（晉煤集團(tuán)長(zhǎng)平公司機(jī)電工區(qū)， 山西 晉城 048411）

引言

提升機(jī)是用于聯(lián)系地面和井下的通道，主要負(fù)責(zé)物料和人員的運(yùn)輸，是礦山核心設(shè)備之一，對(duì)確保煤礦運(yùn)輸安全具有十分重要的意義。礦井提升機(jī)在工作過程中主要采用恒壓力制動(dòng)的方式進(jìn)行制動(dòng)控制，但在特殊工況或者緊急制動(dòng)的情況下，目前的控制方案存在著制動(dòng)及時(shí)性差、速度慢的缺陷，給提升作業(yè)安全造成了一定的隱患，而且由于采用了開環(huán)控制模式、制動(dòng)力矩恒定，無法根據(jù)運(yùn)輸工況進(jìn)行靈活的調(diào)整，隨著礦井提升作業(yè)向著高速、重載方向的發(fā)展，目前控制方案下提升機(jī)在運(yùn)行過程中的震動(dòng)、沖擊現(xiàn)象越發(fā)嚴(yán)重，給煤礦的運(yùn)輸安全造成了嚴(yán)重的影響[1]。因此本文利用仿真分析系統(tǒng)對(duì)鋼絲繩提升機(jī)的恒減速制動(dòng)特性進(jìn)行研究。

1 基于閉環(huán)控制的恒減速制動(dòng)原理

提升機(jī)的恒減速制動(dòng)系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)如圖1 所示，該控制系統(tǒng)采用了雙回路制動(dòng)控制模式[2]，能夠有效提升子系統(tǒng)的制動(dòng)安全性，同時(shí)在該制動(dòng)系統(tǒng)中引入了閉環(huán)控制的邏輯，利用測(cè)速傳感器實(shí)現(xiàn)對(duì)提升機(jī)提升滾筒運(yùn)行速度的連續(xù)性監(jiān)測(cè)，將監(jiān)測(cè)結(jié)果實(shí)時(shí)傳遞到制動(dòng)調(diào)節(jié)控制器內(nèi)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)提升機(jī)提升速度的連續(xù)性閉環(huán)控制。為了滿足在正常制動(dòng)和緊急制動(dòng)情況下的恒減速制動(dòng)控制，建立了制動(dòng)壓力傳感器和液壓控制系統(tǒng)的電磁比例溢流閥之間的閉環(huán)調(diào)控邏輯[3]，根據(jù)不同的控制需求實(shí)現(xiàn)對(duì)電磁比例溢流閥調(diào)整電磁信號(hào)的控制，滿足對(duì)制動(dòng)壓力的調(diào)整，同時(shí)根據(jù)制動(dòng)減速情況進(jìn)一步地對(duì)電磁比例溢流閥的電磁控制信號(hào)進(jìn)行反饋控制調(diào)整，實(shí)現(xiàn)恒減速制動(dòng)控制，有效降低在制動(dòng)過程中的穩(wěn)定性，減少對(duì)提升機(jī)系統(tǒng)的沖擊。

圖1 基于閉環(huán)控制的恒減速制動(dòng)原理

2 鋼絲繩提升機(jī)仿真分析模型的建立

鋼絲繩作為提升機(jī)的關(guān)鍵零件，其特性對(duì)礦井提升機(jī)的運(yùn)行穩(wěn)定性具有較大的影響，傳統(tǒng)對(duì)鋼絲繩的建模均采用了鋼體建模方案，與實(shí)際差異性較大，為實(shí)現(xiàn)對(duì)提升機(jī)制動(dòng)控制系統(tǒng)的有效控制，本文提出了一種新的開爾文鋼絲繩建模方案，其結(jié)構(gòu)模型如下頁(yè)圖2 所示[4]。

由圖2 可知，該結(jié)構(gòu)模型主要包括彈性元件和黏性元件構(gòu)成，在外部提升平臺(tái)重量M的作用下，彈性元件k和黏性元件b的應(yīng)變一致，此情況下元件的總應(yīng)力為彈性元件和黏性元件的應(yīng)力和，可表示為[5]：

根據(jù)胡可定律可知：

圖2 開爾文模型結(jié)構(gòu)示意圖

式中：ε 為鋼絲繩應(yīng)變量；εH為彈性元件應(yīng)變量；εN為阻尼器的應(yīng)變量；σ 為鋼絲繩應(yīng)力；σH為彈性元件應(yīng)力；σN為阻尼器應(yīng)力；k為彈性元件的剛度系數(shù)；b為黏性元件的阻尼系數(shù)。

通過對(duì)上式聯(lián)合建立提升本構(gòu)方程并求解，可獲得鋼絲繩在運(yùn)動(dòng)過程中的動(dòng)力學(xué)方程為：

3 基于模糊PID 控制的制動(dòng)特效仿真

利用SimulationX 仿真分析軟件建立提升機(jī)提升控制系統(tǒng)的仿真分析模型，將鋼絲繩在運(yùn)動(dòng)過程中的動(dòng)力學(xué)方程帶入到該仿真分析邏輯控制編輯器內(nèi)，對(duì)鋼絲繩在不同工況下的制動(dòng)情況進(jìn)行仿真分析，結(jié)果如圖3 所示，圖中速度1 表示采用模糊PID控制邏輯，速度2 表示采用傳統(tǒng)的恒壓力制動(dòng)控制模式。

由圖3 可知，該工況為提升機(jī)制動(dòng)時(shí)的速度為10 m/s，負(fù)載重量為5 000 kg，制動(dòng)時(shí)的制動(dòng)減速度為1.25 m/s2，由仿真分析結(jié)果可知，當(dāng)采用傳統(tǒng)控制方案時(shí)，在制動(dòng)瞬間速度出現(xiàn)了極大的波動(dòng)，會(huì)使制動(dòng)系統(tǒng)產(chǎn)生較大的沖擊。當(dāng)采用優(yōu)化后的模糊PID控制時(shí)，制動(dòng)時(shí)速度基本上無波動(dòng)，能夠有效提升提升機(jī)在制動(dòng)過程中的穩(wěn)定性和可靠性，增強(qiáng)提升機(jī)的使用壽命。

圖3 不同控制特效下的制動(dòng)性能曲線

4 結(jié)論

1）該控制系統(tǒng)采用了雙回路制動(dòng)控制模式，在該制動(dòng)系統(tǒng)中引入了閉環(huán)控制的邏輯，利用測(cè)速傳感器實(shí)現(xiàn)對(duì)提升機(jī)提升滾筒運(yùn)行速度的連續(xù)性監(jiān)測(cè)；

2）利用開爾文鋼絲繩建模方案，建立鋼絲繩運(yùn)動(dòng)時(shí)的動(dòng)態(tài)模型，能夠有效提升仿真分析結(jié)果的準(zhǔn)確性；

3）用優(yōu)化后的模糊PID 控制時(shí)，制動(dòng)時(shí)速度基本上無波動(dòng)，能夠有效提升在制動(dòng)過程中的穩(wěn)定性和可靠性，增強(qiáng)提升機(jī)的使用壽命。