提升機恒減速制動系統設計及試驗研究

趙 巖

（白洞礦業有限責任公司， 山西 大同 037003）

引言

提升機作為綜采工作面僅次于刮板輸送機、帶式輸送機的關鍵運輸設備，其主要承擔著作業人員、物料以及設備的運輸任務。提升機運行的安全性在很大程度上受制于其制動性能，包括有正常制動和安全制動。目前，可采用的制動方式包括有基于恒力矩的制動系統和基于恒減速的制動控制系統[1]。其中，基于恒力矩制動控制系統存在對井筒機械沖擊力大、打滑嚴重的問題。因此，恒減速制動控制系統的制動性能較為優越，但是其成本較高。故，本文提出在恒力矩制動控制系統的基礎上進行改造使其具備恒減速控制系統的功能。具體闡述如下：

1 恒減速制動控制系統的技術要求

為解決恒力矩制動控制系統機械沖擊力大、打滑現象嚴重的問題，同時兼顧當前單純的恒減速制動控制系統成本較高的問題，本文在恒力矩制動控制系統的基礎上為其增設一套裝置，使得改造后的制動系統同時兼備恒減速和恒力矩制動控制系統的功能。

所謂恒減速制動控制系統指的是系統在制動過程中的減速度恒定不變。恒減速制動控制系統能夠很好解決傳統恒力矩制動控制系統中存在的制動過程不穩定、制動打滑等問題。恒減速制動控制系統最基本的功能為能夠在正常制動和安全制動下完成對系統的停車制動[2]。

恒減速制動控制系統的原理為：當系統對實時制動減速度與設定值進行比對，發現存在偏差時在閉環控制的作用下將設定值與實時值的偏差縮小，從而保證制動減速度不變。根據《提升機絞車的安全檢驗規范》和《礦井提升機和礦用絞車液壓站》的相關標準要求，要求恒減速制動控制系統滿足如下技術要求：

1）當提升機系統遇到緊急情況需安全制動時且實時減速度與設定值存在偏差，要求恒減速制動控制系統能夠在0.8 s 內完成對減速度的恢復控制；

2）當系統進行安全制動時，要求制動系統的空程時間不得大于0.3 s；

3）當提升機經恒減速安全制動停車后，要求液壓系統的殘壓小于0.5 MPa。

2 恒減速制動轉換系統的設計

2.1 恒減速轉換系統的設計原則

恒減速轉換系統為在恒力矩制動控制系統下實現恒減速功能的核心，為保證改造后所得恒減速控制系統能夠滿足上述技術要求，要求恒減速轉速系統設計時遵循如下原則：

1）恒減速轉換系統不能影響原恒力矩制動控制系統的正常制動要求，并且能夠根據工況要求對制動方式進行自動、實時切換；

2）為保證制動系統在實際操作中具備足夠的油壓和能力，為改造后的恒減速控制系統配置專門的蓄能器；

3）為保證恒減速制動控制系統在電源故障后仍可保證設備安全停車，為其配置UPS 后備電源；

4）為保證恒減速制動控制系統對應的動態特性，采用以電液比例溢流閥為核心的液壓控制系統；

5）要求恒減速制動控制系統相對應的電氣控制系統可實現對系統的故障檢測[3]。

2.2 恒減速轉換系統的總體設計

結合“1”中恒減速制動控制系統的技術要求和“2.1”中所述的恒減速轉換系統的設計原則，設計如下頁圖1 所示的恒減速轉換系統的總體液壓原理圖。

如圖1 所示，當提升機處于正常運行狀態時，其對應的制動系統為恒力矩制動系統；當恒力矩制動系統在制動過程中性能不佳或者出現故障時，在后備UPS 電源的作用下對應的電磁換向閥得電執行恒減速制動。并且，在恒減速制動系統工作時由編碼器對實時減速度進行監測，若發現與設定值存在偏差時采用電液比例溢流閥對減速度進行調整，確保提升機的穩定減速停機[4]。

圖1 恒減速轉換系統液壓原理圖

2.3 恒減速制動系統特性分析

恒減速制動系統屬于非線性系統，本節將基于AMESim 軟件對恒減速制動控制系統的特性進行仿真研究，著重對不同減速度的制動效果進行分析。目前，針對復雜且非線性系統常采用PID 方法進行控制。因此，本文也基于PID 控制策略對恒減速制動系統進行控制。結合如圖1 所示的恒減速制動控制系統的液壓原理圖，基于AMESim 軟件建立仿真模型，如圖2 所示。

圖2 恒減速制動控制系統仿真模型

根據提升機恒減速制動控制系統對應的相關液壓參數在AMESim 模型中進行設置。其中，設定仿真參數如下：系統的負載力矩為26 kN·m、系統制動時的運行速度為5.2 m/s，系統最大油壓為6.3 MPa 等。

對于PID 控制參數而言，綜合整個恒減速制動控制系統的響應時間、超調量以及精度等要求，在反復試驗的基礎上得出最佳PID 控制參數如下：比例環節系數為50；積分環節系數為0.4；微分環節系數為0.5。在此基礎上，分別對減速度為1.5 m/s2、3 m/s2、5 m/s2對應系統的制動特性進行仿真分析，具體仿真情景如下：當提升機速度穩定在5.2 m/s 并穩定運行至5 s 后緊急制動，對制動性能進行分析。具體仿真結果如表1 所示。

表1 不同制動減速度對應系統制動性能

分析表1 可知，隨著減速度的增加恒減速制動系統的啟動時間逐漸增加，對應的恒減速建立時間分別為 0.33 s、0.37 s、0.46 s，均小于相關標準規定的建立時間（要求0.8 s 內）；對應的減速過程持續時間逐漸減少。通過仿真分析可知，在常規的減速度下所設計的恒減速制動控制系統的制動性能滿足《安全檢驗規范》的相關要求。

3 工業性試驗

“2”中著重從理論層面研究了提升機恒減速制動控制系統的制動性能，且經仿真分析所設計的恒減速制動控制系統滿足《安全檢驗規范》的相關要求[5]。本節將從現場試驗的層面對制動性能進行試驗，為此根據圖1 所述的液壓系統原理圖搭建相應的試驗平臺，并對恒減速制動控制系統進行靜態試驗和動態試驗。

3.1 恒減速制動控制系統靜態試驗

所謂靜態試驗主要是對恒減速制動控制系統中涉及到的液壓元件的性能進行測試，其中著重對電磁換向閥的響應時間和整個制動系統的泄壓響應時間和貼閘響應時間進行測試，測試結果如表2 所示。

表2 系統靜態試驗結果分析

如表2 所示，系統在靜態狀態下安全制動時的空程時間僅為0.07 s，滿足《安全規范》中所規定的空程時間小于0.3 s 的要求；而且，要求在安全制動過程中滯后時間小于0.15 s，本系統在靜態狀態下的滯后時間僅為0.01 s，滿足要求。

3.2 恒減速制動控制系統的動態試驗

所謂動態試驗制動是給系統一個減速度對系統的響應時間進行試驗的過程，試驗結果如下頁表3所示。

表3 系統動態試驗結果分析

如表3 所示，在動態環境下恒減速制動控制系統的振幅為0.1 MPa，滿足其小于0.2 MPa 的要求；此外貼閘響應時間和系統建立所需的時間也均滿足規范要求。

4 結語

恒減速制動控制系統可以解決恒力矩制動控制系統機械沖擊較大且容易出現打滑現象的問題。本文在恒力矩制動控制系統的基礎上增加一套恒減速制動轉換系統從而實現提升機的恒減速制動功能，并基于AMESim 軟件對其特性進行仿真分析，建立試驗平臺對其響應特性進行研究，試驗結果均滿足《安全規范》的相關要求。