礦井提升機恒減速緊急制動系統的研究

張小強

（山西西山煤電股份有限公司西曲礦， 山西 古交 030200）

引言

礦井提升機制動系統的作用有：提升機正常運行到位時穩定盤閘正常停車；提升機工作在減速階段時提供制動力矩降低車速；提升機發生掉電等故障情況時安全制動；雙滾筒提升機調繩制動。按照制動過程的特點劃分，安全制動有恒力矩制動和恒減速制動兩種。恒力矩制動是最普遍的制動方式，制動過程中的制動力矩保持不變，制動力矩過大將導致閘被抱死，提升機的鋼絲繩等機械結構會受到沖擊造成損傷，制動力矩過小則不能在短時間內停車，可能導致事故擴大。為了解決恒力矩制動的安全性問題，恒減速度制動被用于提升機緊急制動中，目前處于推廣普及發展階段[1-4]。恒減速制動系統采用傳感器檢測提升機速度和電液比例方向閥的油壓，以制動過程中減速度保持不變為控制目標，實現提升機在緊急制動過程中恒減速制動。恒減速緊急制動系統的研究對于保障提升機的安全性和可靠性具有重要意義。

1 盤式制動器的結構及原理

礦用提升機的制動系統包括控制系統、液壓站和盤式制動器三部分。盤式制動器是制動系統的執行機構，閘瓦作用于制動盤上，在滾筒兩側成對安裝，不產生附加軸向力。與其他類型制動器相比，盤式制動器具有體積小、質量小、動作靈敏、制動力矩可調性好等優點。

如圖1 所示，盤式制動器的工作原理是靠碟形彈簧產生制動力，靠油壓松閘。在液壓作用下油缸充滿液壓油，活塞移動，盤形彈簧被壓縮，制動器體和閘瓦與制動盤分開，即為松閘狀態；電液比例閥回油后油缸內油壓降低，盤形彈簧恢復原來的伸展狀態，彈簧推動制動器體和閘瓦移動，活塞移動反向移動，閘瓦與制動盤貼閘完成，即為制動狀態。制動狀態的制動力矩取決于油缸內液壓油壓。缸內油壓為最小時，所有彈簧力作用在活塞上，制動盤所受到的正壓力最大為制動狀態；當工作油壓為系統最大油壓時為松閘狀態[5-6]。

圖1 盤式制動器結構圖

2 恒減速制動電液控制系統

2.1 恒減速制動原理

《煤礦安全規程》對礦井提升機制動系統的制動力矩、機械減速度、鋼絲繩滑動極限和空動時間等做出了具體要求，根據井巷傾角大小不同，提升機在上提重載和下放重載過程中各機械減速度取值范圍都有明確規定。根據上述規程要求和提升機性能參數確定制動過程的速度變化曲線，這條曲線的斜率即為恒減速制動的減速度期望值a0。啟動恒減速制動后，以a0為給定減速度，通過不斷檢測提升機實際運行速度判斷實際減速度a，通過比較a0和a 的誤差，控制器發出控制信號改變液壓站輸出油壓，進而改變制動力矩，此為制動力矩動態調節過程，直到實際減速度a 調節至給定減速度a0。

2.2 恒減速制動電液控制系統

恒減速制動采用電液控制方式，原理圖如下頁圖2 所示。系統由電液比例方向閥、蓄能器等液壓裝置和光電編碼器、油壓傳感器和控制器等電控裝置構成。液壓系統是電控系統控制盤式制動器動作的傳動裝置，工作原理為：提升機正常運行時，制動系統工作于恒力矩二級制動方式，電液比例方向閥處于常位，盤閘打開處于松閘狀態，提升機運行至目標位置時盤閘回油，提升機被抱死；提升機掉電后發出緊急制動信號，二級制動電機和泵失電，蓄能器提供油壓作為回路壓力源，光電編碼器連續采集滾筒轉速，控制器通過轉速計算提升機實際減速度，根據給定和實際之間的偏差輸出油壓控制指令，通過電液比例方向閥改變盤式制動器內油壓，進而改變制動力矩。在恒減速緊急制動過程中，盤閘內提供的油壓與載荷無關，減速度始終保持恒定。

圖2 礦井提升機恒減速制動電液控制系統原理圖

3 模糊化控制在恒減速制動的應用

恒減速制動電液控制系統是一套復雜的機電液閉環控制系統，具有大慣量、非線性時變的特點，因此控制器設計及其參數整定十分困難。20 世紀70年代以后出現的模糊控制策略對于恒減速制動控制系統的性能提升具有很高的應用和研究價值。采用模糊控制策略可以避免建立提升機數學模型，具有超調量小和響應快的特點。模糊控制由模糊變量定義、模糊化、知識庫、邏輯判斷和解模糊化組成，在恒減速制動系統，提升機運行速度和期望速度的偏差E 及其變化率Ec為輸入變量、比例閥的控制電流U為輸出變量。模糊變量的模糊語言變量取為7 檔，模糊論域為{-6，-5，……，5，6}，采用三角形隸屬函數進行模糊化，模糊控制參考Mamdani 模糊控制規則，解模糊化的方法可采用最大隸屬度法或加權平均法。模糊控制采用經驗和人類語言對恒減速制動過程進行描述，控制輸出量經過簡單轉化就能得到實際電液比例方向閥輸出量，控制過程大大簡化。

4 影響制動性能因素及其應對措施

1）液壓系統油壓不穩。引起油壓不穩定的原因通常是閥路不通或有滲漏，最常見的故障點為方向閥和減壓閥有異物卡住，方向閥和減壓閥應定期使用汽油清洗。方向閥和減壓閥清潔度好而油壓不穩定，則應當檢查彈簧蓄能器活塞處是否有滲漏痕跡，若有液壓油滲漏則更換密封膠圈，若油壓還不穩定則檢查清洗單向閥，保證二級制動穩壓系統在穩壓過程中沒有滲漏處。

2）“貼閘”效果不佳。在緊急制動過程初期，方向閥應在很短時間內將制動器內油壓泄回油箱，以消除盤式制動器和制動盤之間的間隙，這一動作稱之為“貼閘”。“貼閘”動作慢將使油壓傳感器檢測到的壓力差較大，進而導致油壓速度雙閉環系統中初始速度偏差較大。重載下行安全制動過程中“貼閘”效果不佳極易導致飛車和速度超調。理想的“貼閘”動作迅速而準確，保證貼閘后的摩擦力矩盡量小。“貼閘”是在制動器碟形彈簧回彈力和方向閥回油共同作用下完成的，因此盤式制動器對“貼閘”具有關鍵影響。盤式制動器安裝調試時應當仔細檢測其各項性能指標：制動力矩至少為最大靜荷重旋轉力矩三倍以上、閘瓦接觸面積應足夠大、制動器空動時間應滿足動態要求等。

3）電液比例方向閥靈敏度不佳。提升機緊急制動時，盤式制動器油壓回路與恒減速制動回路相并，方向閥的作用是回油，降低制動器內部油壓。方向閥性能不佳將導致“貼閘”不及時，因此應當保持溢流閥清潔。此外，方向閥對外界壓力變化十分敏感，“貼閘”完成后，方向閥立即對油壓進行調節，由于其本身靈敏度和死區特性的影響，并不完全按照控制系統的移動指令動作，導致“貼閘”和恒減速過程銜接不暢，減速曲線偏離預期，因此有必要對電液比例方向閥進行靈敏度校準。