不同工況對(duì)提升機(jī)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的影響研究

高 靜

（西山煤電建筑工程集團(tuán)有限公司礦建分公司， 山西 太原 030000）

0 引言

在煤礦生產(chǎn)中，礦井提升設(shè)備屬于主要的運(yùn)輸裝備，其主要功能是用以提升煤炭、運(yùn)輸材料、人員及設(shè)備，是井上與井下連接的重要樞紐，有著“咽喉”之稱[1]。礦井提升機(jī)種類有單繩纏繞式提升機(jī)和多繩摩擦式提升機(jī)，其中，單繩式因不能滿足目前礦井生產(chǎn)需求，已很少被使用[2]；而多繩摩擦式具有重量輕、提升重量大、耗能少及安全性高等大量?jī)?yōu)點(diǎn)[3]，被煤礦企業(yè)廣泛應(yīng)用，因此，本文就主要研究多繩摩擦式提升機(jī)。多繩摩擦式提升機(jī)主要組成有制動(dòng)系統(tǒng)、減速器、摩擦輪、電動(dòng)機(jī)及操縱系統(tǒng)等，其工作原理是通過(guò)摩擦輪襯墊和鋼絲繩間的作用力，克服在摩擦輪兩側(cè)鋼絲繩產(chǎn)生的張力差，來(lái)傳遞摩擦力[4]，實(shí)現(xiàn)連續(xù)提升過(guò)程。傳統(tǒng)中，提升機(jī)多采用“驅(qū)動(dòng)電機(jī)+聯(lián)軸器+減速器+卷筒”的結(jié)構(gòu)形式，而本文主要研究永磁驅(qū)動(dòng)提升機(jī)，其不同于傳統(tǒng)提升機(jī)結(jié)構(gòu)，省掉聯(lián)軸器、減速器中間傳動(dòng)環(huán)節(jié)，是基于永磁表貼式外轉(zhuǎn)子同步電機(jī)原理設(shè)計(jì)。因此，為實(shí)現(xiàn)該礦井提升機(jī)系統(tǒng)的穩(wěn)定安全運(yùn)行，本文仿真研究其在不同工況下的提升動(dòng)態(tài)特性，為實(shí)踐應(yīng)用提供參考依據(jù)。

1 不同工況對(duì)提升機(jī)動(dòng)態(tài)特性的影響

本文以永磁驅(qū)動(dòng)提升機(jī)為研究對(duì)象，區(qū)別于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)提升機(jī)，其省掉聯(lián)軸器、減速器中間傳動(dòng)環(huán)節(jié)，基于永磁表貼式外轉(zhuǎn)子同步電機(jī)原理而設(shè)計(jì)，其中，永磁體具有更大的磁能密度及更高的退磁溫度，而表貼式外轉(zhuǎn)子的電磁性能為隱極轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，很大程度上影響提升機(jī)的控制系統(tǒng)。因此，為獲得該提升系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能，保證其穩(wěn)定安全運(yùn)行，本文主要仿真研究在不同加速度大小、加速度曲線及有無(wú)負(fù)載干擾下的提升機(jī)運(yùn)行情況。

1.1 加速度大小的影響

為便于仿真研究，本文先采用以梯形為加速度的曲線，設(shè)置其余參數(shù)為提升高度600 m，最大速度8 m/s，采用傳統(tǒng)PI 控制器。分析在加速度a 大小分別為0.4 m/s2、0.6 m/s2和0.8 m/s2時(shí)提升機(jī)的動(dòng)態(tài)特性，如圖1 所示。

圖1 提升機(jī)運(yùn)行狀態(tài)

圖1 為不同加速度大小下的提升機(jī)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩曲線。圖1 中，提升機(jī)基本能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)設(shè)定速度曲線的跟隨。在加速結(jié)束、減速過(guò)程中，提升機(jī)都存在不同程度的超調(diào)，且振蕩一段時(shí)間后系統(tǒng)又恢復(fù)穩(wěn)定。分析不同加速度提升機(jī)的速度曲線，在加速和減速過(guò)程中，超調(diào)量隨加速度增大而增大，且達(dá)到穩(wěn)態(tài)的時(shí)間也越長(zhǎng)。圖1-2 中，提升機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩總體上為上升，主要是因?yàn)閱挝婚L(zhǎng)度的首繩質(zhì)量小于尾繩，在提升階段的載荷不斷增大，對(duì)電磁轉(zhuǎn)矩的要求也不斷增大。因速度曲線出現(xiàn)突變的情形，造成在加速、減速開(kāi)始和加速、減速結(jié)束過(guò)程中，提升機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩振蕩明顯的情況，且電磁轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)矩的振蕩幅度均隨加速度的增大而增大。

1.2 加速度曲線的影響

上述分析中，當(dāng)提升機(jī)采用恒定加速度時(shí)，無(wú)論加速度為多少，都會(huì)出現(xiàn)加速度突變的現(xiàn)象，引起系統(tǒng)振動(dòng)和沖擊。本節(jié)中，對(duì)比研究梯形、正弦及恒定加速度對(duì)提升系統(tǒng)的影響規(guī)律，設(shè)置最大加速度是0.8m/s2、最大速度是8 m/s，如圖2 所示。

圖2 不同加速度曲線下的提升機(jī)運(yùn)行狀態(tài)

圖2 為不同加速度曲線下的提升機(jī)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩曲線。圖2-1 中，當(dāng)采用不同的加速度曲線時(shí)，加速完成的時(shí)間也不一樣。正弦加速度曲線達(dá)到最大速度所需時(shí)間最長(zhǎng)，恒定加速度用時(shí)最短，梯形加速度居中。在恒定加速度下，轉(zhuǎn)速存在一定的超調(diào)，而正弦和梯形加速度的轉(zhuǎn)速基本無(wú)超調(diào)。圖2-2 中，對(duì)比分析提升機(jī)的轉(zhuǎn)矩曲線，當(dāng)采用連續(xù)變化的加速度曲線時(shí)，顯著改善了提升機(jī)轉(zhuǎn)矩的超調(diào)和速度波動(dòng)現(xiàn)象，但是在加速和減速過(guò)程中，采用梯形加速度曲線的提升機(jī)轉(zhuǎn)矩仍出現(xiàn)一定的波動(dòng)，而采用正弦加速度的轉(zhuǎn)矩變化相對(duì)穩(wěn)定。

綜上分析，加速度曲線明顯影響提升機(jī)運(yùn)行的穩(wěn)定性，加速度波動(dòng)越大，在加速度突變時(shí)提升機(jī)的超調(diào)越大，但是在提升機(jī)實(shí)際運(yùn)行中，仍盡可能選用較大的加速度，保證提升系統(tǒng)的運(yùn)行效率。梯形、正弦加速度能夠明顯降低提升系統(tǒng)的波動(dòng)，且正弦加速度的效果更為顯著。

1.3 負(fù)載干擾的影響

礦井提升機(jī)在實(shí)際運(yùn)行中，經(jīng)常會(huì)發(fā)生負(fù)載波動(dòng)的現(xiàn)象，因此，為保證提升系統(tǒng)在負(fù)載干擾下能夠正常運(yùn)行，本文對(duì)比研究其在有無(wú)負(fù)載干擾下的運(yùn)行情況，其中，干擾設(shè)置為給滾筒施加20 000 N 和10 Hz的噪聲干擾，如圖3 所示。

圖3 負(fù)載干擾下提升機(jī)運(yùn)行狀態(tài)

圖3 為提升機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩曲線。圖3-1 中，負(fù)載擾動(dòng)下，總體上可實(shí)現(xiàn)對(duì)速度曲線的跟隨，但還是不能避免因負(fù)載擾動(dòng)產(chǎn)生的波動(dòng)。當(dāng)有負(fù)載擾動(dòng)時(shí)，恒定和正弦加速度下的提升機(jī)速度響應(yīng)也存在波動(dòng)，且波幅值與速度曲線類型無(wú)關(guān)。圖3-2 中，在負(fù)載擾動(dòng)下，提升機(jī)轉(zhuǎn)矩也存在脈動(dòng)現(xiàn)象，當(dāng)提升機(jī)減速停車后，制動(dòng)器抱閘，轉(zhuǎn)矩波動(dòng)消失。

2 結(jié)論

本文以永磁驅(qū)動(dòng)提升機(jī)為研究對(duì)象，不同于傳統(tǒng)提升機(jī)結(jié)構(gòu)，省掉聯(lián)軸器、減速器中間傳動(dòng)環(huán)節(jié)，是基于永磁表貼式外轉(zhuǎn)子同步電機(jī)原理設(shè)計(jì)。因此，為獲得該提升系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，實(shí)現(xiàn)其穩(wěn)定安全運(yùn)行，本文仿真研究在不同加速度大小、加速度曲線及負(fù)載干擾下的提升機(jī)運(yùn)行情況。結(jié)論如下：

1）不同加速度下，提升機(jī)基本能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)設(shè)定速度曲線的跟隨，但加速度大小對(duì)提升機(jī)運(yùn)行狀態(tài)有著顯著影響。加速度越大，速度超調(diào)量越大，系統(tǒng)恢復(fù)穩(wěn)態(tài)的時(shí)間就會(huì)較長(zhǎng)，且提升機(jī)轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)矩振蕩幅度也越大。

2）不同加速度曲線明顯影響提升機(jī)運(yùn)行的穩(wěn)定性，采用梯形、正弦加速度對(duì)提升機(jī)的速度超調(diào)有明顯的抑制效果，且采用正弦加速度，提升機(jī)轉(zhuǎn)矩變化更穩(wěn)定。

3）當(dāng)存在負(fù)載擾動(dòng)時(shí)，提升機(jī)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩都存在速度波動(dòng)現(xiàn)象，且不同速度曲線同負(fù)載波動(dòng)幅值無(wú)明顯關(guān)聯(lián)。