提升機恒減速制動系統的設計及試驗

申玉川

（山西陽泉煤業集團七元煤業有限責任公司機電運輸部， 山西 壽陽 045400）

引言

提升機是煤礦生產的主要運輸設備之一，其不僅承擔著煤炭的運輸任務，還擔負著對井下設備和人員的提升任務。提升機的提升能力直接決定煤礦的生產能力。一直以來，提升機的安全性是保證其提升能力和效率的主要因素，其中多數安全性問題主要由于其制動失效和制動方式不合理所導致，常見的制動故障包括過卷、松繩、斷繩及滑繩等[1]。為保證提升機制動系統的可靠性，本文重點研究恒減速制動系統通過閉環反饋方式實現對設備的制動，解決當前主流恒力矩制動系統所存在的一定隱患。

1 恒減速制動系統的設計

簡單的說，恒減速制動系統可分為安全切換液控系統和電控系統。本小節重點對恒減速制動系統的安全切換液控系統和電控系統進行設計。

1.1 安全切換液控系統的設計

恒減速液控系統主要是實現對制動力大小的控制，其決定提升機制動系統的整體性能。恒減速液控系統的核心為液壓站和液控制動回路。

液壓站包括各類液壓元器件，其能夠根據工作任務對壓力油進行調節控制，將能量實現從一種形式到另一種形式的轉變。其中，液壓泵實現機械能到液壓能的轉換；液壓馬達和液壓缸實現液壓能到機械能的轉變；單向閥、節流閥等閥類產品實現對整個回路中流量、壓力及流向的控制。

制動器是提升機制動系統的核心部件之一，根據其結構形式可分為角移式制動器、平移式制動器和盤式制動器[2]。本文所研究提升機的制動器為盤式制動器，其結構如圖1 所示。

圖1 盤式制動器結構

結合當前在實際中已經應用的恒減速制動系統的原理及結構組成，根據提升機的實際工況設計了更為高效、安全的安全切換恒減速液壓站回路?；诎踩袚Q恒減速液壓控制回路，可實現對提升機制動系統在充油階段、開車階段、工作階段、停車階段實現恒減速制動、二級制動及一級制動功能。安全切換恒減速液壓回路的總體設計決定了制動的有線順序為一級安全制動、二級安全制動、恒減速安全制動和工作制動。也就是說，在正常工作制動的情況下可切換為安全制動狀態；在恒減速安全制動的情況下可視情況切換至二級制動狀態。上述制動方式的安全切換大大提升了整機的制動可靠性[3]。

1.2 恒減速制動電控系統的設計

為進一步提升制動系統的可靠性，傳統制動系統對應的電控系統為提升機主控系統。為此，專門針對其設計獨立的電控系統。從整體上分析，制動電控系統包括主功能和輔助功能兩部分，其中主功能主要實現制動器的工作制動和安全制動；輔助功能實現對制動狀態參數的監控、記錄、顯示和報警?？紤]到電控系統的可靠性和穩定性，本電控系統的核心控制器為PLC。具體控制方案如圖2 所示。

圖2 電控系統PLC 控制方案

由圖2 可知，PLC 控制器可對系統工作參數進行采集，同時通過壓力、溫度及速度傳感器對設備的工作狀態進行采集；綜合分析后得出在相應控制策略的支撐下得出控制指令，實現對提升機的制動安全、可靠性控制。在上述硬件的基礎上，基于如圖3所示的制動控制流程，完成提升機恒減速制動功能的實現。

圖3 恒減速制動電控系統的軟件設計流程

由圖3 可知，首先根據提升容器是否位于井中，決定是否采用一級制動指令或貼閘皮指令；根據所采集的參數判斷是否允許恒減速制動并開始執行指令，一旦恒減速制動失效后，系統立即采用二級制動，保證提升機最終可靠制動停車。

2 提升機恒減速制動策略及試驗研究

本節重點對恒減速制動策略進行設計，并通過仿真分析對制動性能進行研究。

2.1 提升機恒減速制動策略的設計

提升機恒減速制動控制屬于一個自動實時控制過程，鑒于該控制過程的復雜性，采用簡單的PID 控制器并不能實現最終的控制功能，達到最終的控制效果。為此，本工程基于RBF 對恒減速制動過程中的PID 控制參數進行最優化調整，從而彌補傳統PID 控制器控制能力不足、制動可靠性偏低的問題。

2.2 恒減速制動試驗研究

基于恒減速制動系統的液壓回路、電控硬件及軟件、控制策略設計的基礎上，為驗證所設計恒減速制動控制系統的制動性能[4]，本文通過搭建仿真模型對其制動性能進行仿真分析，重點對基礎的恒減速制動性能進行仿真分析。

基于RBF 對PID 控制參數的最優化調整后對應的參數分別如下：比例環節系數為0.9，節分環節系數為0.4，微分環節系數為0.01。仿真條件如下：系統在5 s 時開始恒減速制動，仿真結果如圖4 所示。

圖4 恒減速制動運行狀態仿真結果

由圖4 可知，系統開始恒減速制動操作時，在5 s的時間內速度從6.6 m/s 降為零；同時，整個制動過程中減速度處于相對波動狀態，平均值為1.3 m/s2。而且，在整個制動過程中滾筒的實際速度與參考速度之間的最大誤差僅為9%，減速度的波動范圍也滿足《煤炭安全規程》的相關規范要求[5]。

3 結論

1）通過恒減速制動系統，可解決恒力矩制動控制系統可靠性低、安全性低的問題。

2）基于RBF 較強的自適應能力，可對PID 控制器的積分、微分及比例環節三個系數進行最優化調整，解決傳統PID 控制能力不足的問題；同時，基于RBF 調整后所得PID 控制器的系數分別為：比例環節系數為0.9，節分環節系數為0.4，微分環節系數為0.01。

3）通過仿真分析可知，基于本文所設計的恒減速制動系統，可保證在整個制動過程中滾筒的實際速度與參考速度之間的最大誤差僅為9%，減速度的波動范圍也滿足《煤炭安全規程》的相關規范要求。