煤礦井下履帶車輛電液行走同步控制系統(tǒng)設計

安四元

(中國煤炭科工集團太原研究院，山西 太原 030006)

引言

隨著技術的發(fā)展，履帶車輛在煤礦井下的應用越來越廣泛，典型的履帶式車輛有履帶式掘進機、錨桿機和連續(xù)采煤機等。作為一種特殊的煤礦井下作業(yè)設備，由于自身的結構特點，履帶式車輛具有接地面積大、比壓小、附著能力好和爬坡能力強等優(yōu)點，然而由于煤礦井惡劣工況條件，以及受煤礦井下路況的限制，直線同步性成為了井下履帶車輛的關鍵問題，履帶式車輛在井下直線行走時，不斷受到各種內(nèi)外因素的干擾，如煤礦井下路況變化、車輛內(nèi)部系統(tǒng)參數(shù)擾動等。為了保證車輛的直行精度，需要不斷地根據(jù)干擾條件對車輛行駛狀態(tài)進行修正。隨著煤礦井下設備對智能化要求的不斷提高，研究煤礦井下履帶車輛電液同步系統(tǒng)對于使井下履帶車輛實現(xiàn)智能化、提高直線行走精度、設備安全性與可靠性具有重要意義。同時該系統(tǒng)的設計也為后續(xù)雙履帶設備電液行走系統(tǒng)設計積累經(jīng)驗數(shù)據(jù)，為高效快速掘進系統(tǒng)向無人化、智能化發(fā)展提供技術支撐[1-4]。

1 履帶車行走系統(tǒng)

1.1 電液行走系統(tǒng)原理

如圖1所示，液壓柱塞泵1在防爆電機啟動后，高壓油一路到達行走控制手柄6，控制二聯(lián)閥5換向，進而控制行走液壓馬達4正反轉(zhuǎn)；另一路高壓油先到達二聯(lián)閥5，每一聯(lián)閥各控制左右兩側2個行走馬達，每一聯(lián)閥先到達兩側功能閥組3，再到兩側液壓馬達4，進而驅(qū)動液壓馬達旋轉(zhuǎn)。液壓馬達為軸伸式馬達，通過法蘭與減速器8連接，減速器8內(nèi)部帶有制動器，當車輛開始行走時，二聯(lián)閥中高壓油到達功能閥組3的A，B口，然后通過功能閥組3的B，R口輸出到減速器，進而解除制動，馬達開始旋轉(zhuǎn)。

1.液壓柱塞泵 2.防爆電機 3.功能閥組 4.液壓馬達 5.二聯(lián)閥 6.行走控制手柄 7.高低速切換閥 8.減速器 9.測速裝置

1.2 負載特性

以某型履帶設備行走液壓系統(tǒng)為例，先介紹其平路上負載特性，現(xiàn)將驅(qū)動系統(tǒng)主要技術參數(shù)由表1列出。

表1 履帶車輛行走驅(qū)動系統(tǒng)主要技術參數(shù)

井下履帶式車輛行走液壓驅(qū)動系統(tǒng)比例閥控液壓馬達的開式回路，液壓泵輸出的流量經(jīng)過比例閥驅(qū)動馬達旋轉(zhuǎn)運動，經(jīng)由減速器變矩后，驅(qū)動履帶鏈輪行走。履帶車輛行駛過程中所受的阻力有滾動摩擦阻力、加速阻力和爬坡時的坡道阻力，行走液壓系統(tǒng)利用馬達提供的牽引力克服這些阻力后，為履帶車提供行駛驅(qū)動力[5-8]。

履帶車行駛時的受力方程為：

Ft=Ff+Fp+Fm

(1)

式中，F(xiàn)t,Ff,Fp,Fm分別為履帶車驅(qū)動力、行駛摩擦阻力、坡道阻力和加速阻力，N。

履帶設備車車負載特性即為馬達的轉(zhuǎn)矩特性和馬達的轉(zhuǎn)速特性。

馬達的轉(zhuǎn)矩特性可以表示為：

(2)

式中，Mm—— 馬達輸出轉(zhuǎn)矩，N·m

rd—— 履帶鏈輪承載半徑，m

n—— 驅(qū)動馬達數(shù)量

id—— 減速機傳動比

Δpm—— 馬達進出口壓差，bar

qm—— 馬達的排量，m3/r

ηmm—— 減速機機械效率

馬達的轉(zhuǎn)速特性可以表示為：

(3)

式中，Nm—— 馬達轉(zhuǎn)速，r/min

Qam—— 馬達流量，m3/min

ηvm—— 馬達的容積效率

Qap—— 比例閥輸入馬達的流量，m3/min

qp—— 泵的排量，m3/r

np—— 電機的轉(zhuǎn)速，r/min

ηvp—— 閥的容積效率

2 電液行走系統(tǒng)同步特性研究

2.1 電液行走系統(tǒng)同步原理

根據(jù)上述履帶車輛行走液壓系統(tǒng)原理與負載特性可以得出，要保持履帶車輛行走直線速度同步特性，就是在滿足車輛負載特性基礎上，控制左右兩側履帶馬達轉(zhuǎn)速特性，即滿足左右兩側控制閥輸出流量的對等原則，由于受到各種煤礦井下路況變化及內(nèi)部系統(tǒng)參數(shù)擾動等，光靠控制左右兩側閥的流量很難滿足左右兩側履帶同步。針對履帶車輛在井下使用工況，提出以下控制策略：如圖2所示，以左側輪組為參考，通過左側減速器測速裝置檢測出左側履帶行走速度，同時通過右側減速器測速裝置檢測出右側履帶行走速度，通過與左側履帶行走速度比較得出兩者速度差，根據(jù)速度差選擇PID控制算法調(diào)整右側馬達對應二聯(lián)閥開口流量。

圖2 煤礦井下履帶車輛電液行走同步控制原理圖

PID控制原理如圖3所示，以左側履帶行走速度為給定目標值，被控對象為右側履帶行走閥，被控量為右側行走閥開口度，通過比例、積分和微分控制算法，選擇增量式PID控制算法，進而保證了左右兩側速度同步特性，降低了左右兩側速度差，保證了整機行走直線度。

圖3 PID控制器原理圖

式中，T—— 采樣周期

k—— 采樣序號，k=0,1,2…

u(k)—— 第k次采樣時刻的計算機輸出值

e(k)—— 第k次采樣時刻輸入的偏差值

e(k-1)—— 第(k-1)次采樣時刻輸入的偏差值

KI—— 積分系數(shù)，KI=KPT/TI

KD—— 微分系數(shù)，KD=KPTD/T

KD[e(k-1)-e(k-2)]

Δu(k)=KP[e(k)-e(k-1)]+KIe(k)+

KD[e(k)-2e(k-1)+e(k-2)]=

KPΔe(k)+KIe(k)+KD[Δe(k)-Δe(k-1)]

(4)

式中，Δe(k)=e(k)-e(k-1)

根據(jù)上式(4)中得出的偏差，來調(diào)整右側履帶行走閥開口度，進而保證了左右兩側履帶行走速度同步特性。

2.2 輪邊測速裝置設計

由于煤礦井下履帶車輛工況復雜，不易測速，還需要做防爆結構處理，將測速裝置9安裝在減速器上，測速裝置工作原理如圖4所示。測速裝置工作原理為：連接盤2與連接耳3通過焊接固定在一起，連接耳3通過減速器連接座4與減速器10固定，通過螺母8和墊圈9固定，連接盤2平均分布裝有24個磁鋼5，通過壓盤1固定磁鋼5，連接盤2和壓盤1之間通過螺釘6和墊圈7連接。當減速器旋轉(zhuǎn)時，磁鋼隨著減速器一起轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)速傳感器通過感應磁鋼的數(shù)量，測出每分鐘減速器旋轉(zhuǎn)角度，進而測出減速器轉(zhuǎn)速。通過左右側履帶行走測速裝置檢測到左右兩側履帶行走速度，利用控制器內(nèi)部程序控制左右兩側履帶行走速度，進而實現(xiàn)了左右兩側履帶速度同步特性。

1.壓盤 2.連接盤 3.連接耳 4.減速器連接座 5.磁鋼 6.螺釘 7、9.墊圈 8.螺母 10.減速器 11.轉(zhuǎn)速傳感器

3 試驗驗證

將上述電液行走系統(tǒng)設計方案應用到煤礦井下某型履帶車輛行走系統(tǒng)中，通過檢測左右兩側馬達流量來測試系統(tǒng)行走同步特性，將測試儀測試系統(tǒng)中流量和壓力數(shù)據(jù)直接保存在測試儀中，然后通過數(shù)據(jù)線將測試結果傳送到電腦上，如圖5所示，通過觀測左右兩側馬達流量，可得到右側履帶馬達相比較左側履帶馬達跟隨同步性很好，比例閥存在很小的波動是因為從圖5看不出由于隨內(nèi)外環(huán)境因素的變化而有微小的波動。

圖5 左右履帶馬達試驗測試圖

4 結論

本研究基于煤礦井下履帶車輛行走液壓系統(tǒng)的負載特性和工作原理進行理論分析，針對煤礦井下惡劣工況，研究開發(fā)了適用于煤礦井下履帶設備車輛的電液同步系統(tǒng)，并將該系統(tǒng)應用到煤礦井下某型履帶車輛上，試驗證明：

(1)該系統(tǒng)中測速裝置可適用于煤礦井下履帶車輛，可以實時精確測速；

(2)通過電子與液壓相結合的方法，采用PID控制方法實現(xiàn)了左右兩側履帶同步特性；

(3)該系統(tǒng)可以為煤礦井下履帶式車輛實現(xiàn)自動行走提供可靠的行走方案。