礦用絞車電液控制系統的仿真研究

高 鑫

（晉能控股煤業集團地煤青磁窯礦，山西 大同 037000）

引言

礦用絞車被廣泛應用在煤礦的提升設備中，具有慣性大、負載高、非線性化的特性，其運行的穩定性和調節精度直接關系到提升作業的安全性，目前多數液壓絞車主要采用人工非閉環調控模式，通過作業人員經驗來對液壓泵的排量進行調整，調控效率極低、穩定性差，不僅影響到井下提升安全，而且也降低了礦用絞車的使用壽命。本文提出了一種新的礦用絞車電液控制系統，該系統調速過程中穩定性好，對提升井下液壓絞車工作穩定性具有重要意義。

1 液壓絞車控制系統

礦用液壓絞車主要通過泵孔馬達來實現調速，滿足不同提升情況下的控制需求。在控制方式上主要采用了人工非閉環調速控制，由操作人員通過操縱桿控制先導閥，根據推出量的不同來控制執行油缸活塞桿的伸出量，通過調整變量泵排量的方式來實現對馬達轉速的調整。但該調整方式嚴重依賴于操作人員的操作技巧，調速性能差、反應速度慢、控制精度低，調速過程中的液壓沖擊嚴重，不利于安全性的進一步提升。

結合液壓絞車的實際使用需求，本文提出了一種新的液壓調速控制系統，采用了電液比例調整和閉環調速控制的模式，確保在整個調整過程中的調控效率和精確性，該新的礦用絞車液壓調速控制系統如圖1所示[1]。

圖1 礦用絞車液壓調速控制系統

由圖1可知，該系統主要包括了比例閥、差動油缸、編碼器、轉速反饋控制系統等，利用電磁比例減壓閥來實現對執行油缸的位移量進行調整，控制精確性高、調整速度快，有效解決了傳統控制系統中先導閥調速控制的缺陷。為了提高系統的操控性，滿載驅動手柄控制位置兩側設置了磁體，通過檢測手柄接近信號來判斷系統要求的調控方向，進而控制執行油缸活塞桿的伸出方向，滿足調控靈活性需求。

針對傳統控制模式下調速性能差，馬達實際轉速和要求轉速偏差大的情況，系統還引入了轉速反饋控制模式，通過對實際輸出轉速的監測、對比，來實現對輸出轉速的調整，使其盡可能地接近實際調速的理論值，從而提升絞車的調速控制精確性。

2 液壓絞車閉環調速控制的原理

根據新的絞車電液控制系統特性，在工作過程中，傳感器根據驅動扳手和磁鐵的距離，換算出所應執行的轉速，此時系統從旋轉編碼器處讀取液壓絞車的實際運行轉速，將實際轉速和需要控制執行的轉速進行對比，獲取轉速偏差，將該偏差量轉換為指令調節信號，用于控制比例減壓閥和電磁換向閥的動作，控制執行油缸活塞桿行程和變量泵的排量，最終達到精確調整變量泵流量的目的，實現對液壓絞車運行狀態的精確控制，該閉環調速控制原理如下頁圖2所示[2]。

圖2 閉環調速控制原理圖

3 電液控制系統的仿真分析

利用AMESIM仿真分析[4]軟件建立絞車電液控制系統的仿真分析模型，根據控制系統的控制邏輯，采用了7階閉環傳遞函數控制，在設置各類仿真分析影響因素時，對控制過程進行充分分析，然后確定主要影響因素，然后將其他因素進行簡化，最終設置系統變量泵角速度為105 rad/s，馬達工作時的排量為3.3 L/r，執行油缸活塞桿運行時的阻尼比為0.17，比例控制閥的彈簧鋼度為18 394 N/m，活塞桿的有效面積為6.24×10-4m2，為了簡化仿真分析過程，提高仿真分析速度，將控制比例溢流閥和電磁換向閥的過程簡化為一階控制[4]，滿足系統整體的控制精度，簡化后的仿真分析模型如圖3所示。

圖3 系統仿真分析模型

根據液壓絞車實際工作負載，仿真分析時將負載量設置為45kN·m，將階躍信號設置為10V，對絞車運行過程中的調節情況進行分析，結果如圖4所示。

圖4 仿真分析結果

由仿真分析結果可知，在階躍控制信號的控制下，絞車的實際轉速和理論轉速表現出了高度的重合性，滯后量僅比理論信號慢了0.02 s，比傳統控制作用下0.8 s的反應速度，將調速調整時間縮短了97.5%。在運行過程中實際速度和理論速度的最大偏差量為0.12 r/min，比傳統控制作用下0.95 r/min的偏差量，將控制精度提升了87.4%，顯著地提升了液壓絞車工作時的控制精度和靈活性，同時由于調速穩定性的提升，在運行過程中未出現過壓力沖擊，對延長液壓元器件使用壽命也有一定的意義。

4 結論

1）新的液壓調速控制系統采用了電液比例調整和閉環調速控制的模式，確保絞車在整個調整過程中的調控效率和精確性；

2）將控制比例溢流閥和電磁換向閥的過程簡化為一階控制，能夠縮短分析時間，提高分析精度；

3）新的控制系統能夠將絞車的調速調整時間縮短97.5%，將調速跟蹤精度提升87.4%，調速過程中穩定性好。