單雙蓄能器供油的提升機恒減速閘控系統動態特性對比

劉改葉，張 習

(1.大同煤礦集團有限責任公司雙創中心，山西 大同 037003；2.中國礦業大學機電工程學院，江蘇 徐州 221008)

0 引 言

礦井提升機是聯系井上和井下的關鍵設備,承擔著設備、礦物和人員的運輸工作,提升機閘控系統是保證提升機安全運行的最后手段，其動態特性和可靠性對礦井的生產安全起著至關重要的作用[1-3]。目前提升機閘控系統主要分為恒力矩和恒減速兩種，恒力矩閘控系統采用恒定的制動力矩制動，在不同的提升工況下，減速度隨提升載荷的變化也會發生較大的變化，過大的制動減速度會對機械設備造成較大的沖擊，降低機械設備的使用壽命，對摩擦提升機還會引發滑繩事故，過小的制動減速度會引發過卷或過放事故，嚴重影響設備及人身安全。解決以上問題的最好辦法是采用恒減速制動，恒減速制動以預先設定好的減速度實施制動，不受外部載荷的影響，可有效保證設備和人員的安全[4-6]。而蓄能器作為恒減速制動實施過程中的唯一動力源，其動態性能直接影響恒減速制動的動態響應，進一步影響提升機的運行安全。因此提高恒減速閘控系統中蓄能器的動態特性可有效提高恒減速制動的可靠性，對煤礦的安全生產具有非常重要的意義。

1 恒減速閘控系統原理

對于礦井提升機存在兩種制動過程，一種是正常工況下的工作制動，一種是緊急工況下的安全制動。其閘控系統液壓原理圖如圖1所示，工作流程圖如圖2所示。

圖2 恒減速閘控系統的工作流程圖Fig.2 Workflow diagram of constant decelerationbrake device

圖1 提升機恒減速閘控系統液壓原理圖Fig.1 Hydraulic schematic diagram of constant deceleration brake device of hoist

結合提升機恒減速閘控系統液壓原理圖對兩種制動過程進行詳細說明。

工作制動：在提升機運行前先啟動液壓站電機，電磁換向閥1-2、1-3對應的電磁鐵G5、G6得電，至左位工作，壓力油經1-2、1-3進入盤式制動器；恒減速閘控系統的蓄能器經截止閥2-1和單向閥8進行補液；電液比例溢流閥7-3的設定壓力從0 MPa上升至開閘壓力，通過油壓傳感器3-3、3-4實時監測盤式制動器的壓力，當盤式制動器壓力達到開閘壓力后，提升機發出開車信號；當提升機運行至停車點時，電磁換向閥1-2、1-3對應的電磁鐵G5、G6失電，電液比例溢流閥7-3的設定壓力由開閘壓力下降至0 MPa，實施全力矩抱閘制動，保提升機安全可靠的停車，并停止液壓站電機。

安全制動：在提升機出現故障，安全回路掉電時，液壓站電機停止運轉，此時控制電源由后備UPS提供。電磁換向閥對應的電磁鐵G1得電至右位工作，A管與B管連通，電磁換向閥4-2對應的電磁鐵G3得電，蓄能器與A管和B管連通，此時蓄能器作為恒減速制動時的唯一壓力源，為盤式制動器供油，系統壓力由電液比例溢流閥7-1控制。根據設定減速度與反饋加速度的差值，實時調整電液比例溢流閥壓力，直至實時減速度等于設定減速度。然后提升機按照設定的減速度完成停車。當提升機運行速度降為0后，將電液比例溢流閥7-1的設定壓力降為0 MPa，實施全力矩抱閘制動，確保提升機安全可靠的停車。

由此可以看出，蓄能器作為恒減速制動時的唯一動力源，在恒減速閘控系統中起著重要作用。

目前，恒減速閘控系統有單蓄能器供油和多蓄能器供油兩種方式。單蓄能器供油具有結構簡單、布置方便等優點，但單蓄能器同時存在體積較大、安裝比例不協調、響應時間長、動態特性較差等缺點[7-10]。針對此問題，本文采用雙蓄能器供油，在保證蓄能器容積相同的前提下，通過AMESim仿真軟件，將單蓄能器、雙蓄能器供油的提升機恒減速閘控系統的動態特性進行對比分析。

2 基于AMESim的單蓄能器、雙蓄能器供油下的恒減速制動動態特性液壓仿真分析

AMESim提供了一個系統工程設計的完整平臺，該軟件可對多學科的復雜機電液系統進行建模仿真[11-12]。恒減速閘控系統一個典型的機電液系統，本文基于AMESim建立提升機恒減速閘控系統仿真模型，如圖3所示，對單蓄能器、雙蓄能器供油下的提升機恒減速閘控系統動態特性進行AMESim液壓仿真分析。

圖3 提升機恒減速閘控系統仿真模型Fig.3 Model of constant deceleration ofhoist brake control system

AMESim仿真模型要對其各項參數進行賦值。各項參數依照實際礦井提升機參數來確定，本模型中的仿真參數來自大同煤礦集團有限責任公司四老溝礦副井，其主要參數見表1。

表1 同煤集團四老溝礦副井礦井提升機參數Table 1 Data of mine hoist in auxiliary shaft ofSilaogou mine of Tongmei Group

保證單蓄能器、雙蓄能器的總體積和預充壓力一致；以開閘壓力為初始壓力，分別給單蓄能器、雙蓄能器供油的提升機恒減速閘控系統中的電液比例溢流閥設置四組不同的下降階躍信號，分別為從6.3 MPa向下階躍至4 MPa、3 MPa、2.5 MPa和2 MPa,觀察提升機恒減速閘控系統壓力的波動。仿真結果如圖4～圖7所示。

圖7 由6.3 MPa向下階躍到2 MPa單雙蓄能器對比曲線Fig.7 Contrast curve of single and double accumulatorsfrom 6.3 MPa down to 2 MPa

圖4 由6.3 MPa向下階躍到4 MPa單雙蓄能器對比曲線Fig.4 Contrast curve of single and double accumulatorsfrom 6.3 MPa down to 4 MPa

系統壓力對階躍下降信號的響應中由三段曲線組成。第一段曲線斜率幾乎無變化，是由于電液比溢流閥的滯后造成，在第一段的時間里盤式制動器無響應，其持續時間約20 ms;從第二段曲線開始，盤式制動器的活塞經碟簧的帶動，驅動閘瓦貼近提升機制動盤。前兩段曲線所占用時間即是盤式制動器的空動時間，其中，單蓄能器供油的系統小于53 ms，雙蓄能器供油的系統小于63 ms，且隨著下降階躍幅度的增大盤閘空動時間變短。

圖5 由6.3 MPa向下階躍到3 MPa單雙蓄能器對比曲線Fig.5 Contrast curve of single and double accumulatorsfrom 6.3 MPa down to 3 MPa

圖6 由6.3 MPa向下階躍到2.5 MPa單雙蓄能器對比曲線Fig.6 Contrast curve of single and double accumulatorsfrom 6.3 MPa down to 2.5 MPa

且不同的階躍信號下，采用雙蓄能器供油的提升機恒減速閘控系統的超調量明顯小于單蓄能器供油的提升機恒減速閘控系統，同時，響應的時間短于單蓄能器恒減速閘控系統，響應時間具體數據見表2；隨著下降階躍幅度的增大，系統壓力響應的的超調量會隨之減小，但總體上，雙蓄能器恒減速閘控系統的超調量明顯小于單蓄能器閘控系統，超調量具體數據見表3。

表2 不同階躍信號下響應時間Table 2 Response time under different step signals

表3 單雙蓄能器供油系統在不同階躍下油壓超調量Table 3 Response of single and double accumulator oilsupply system under different step

由以上分析可知，單蓄能器、雙蓄能器供油的提升機恒減速閘控系統均能滿足《煤礦安全規程》提升機對閘控系統空動時間小于0.3 s的規定，但采用雙蓄能器時恒減速閘控系統在超調量和穩定時間控制指標上要明顯優于單蓄能器恒減速閘控系統，因此，恒減速閘控系統采用雙蓄能器可提高提升機運行的安全性和可靠性。

3 結 語

本文通過在AMESim軟件中對單蓄能器、雙蓄能器作為壓力源的恒減速閘控系統進行建模分析，得出以下結論：提升機恒減速閘控系統采用雙蓄能器作為壓力源與采用單蓄能器相比，可以較好地降低系統油壓響應的超調量，縮短了提升機恒減速閘控系統的系統的穩定時間。

因此，在提升機恒減速閘控系統中，采用雙蓄能器供油替代單蓄能器供油，能有效縮短提升機恒減速閘控系統的響應時間，提高提升機恒減速裝置的穩定性。