提升機恒力矩減速轉換裝置控制系統設計及實驗研究

袁旭東

（晉能控股煤業集團北辛窯煤業有限公司， 山西 寧武 036000）

0 引言

提升機為實現煤礦井下到地面的關鍵運輸設備，鑒于該設備的特殊性要求其在緊急情況能夠穩定、及時制動，以保證設備的穩定運行。為解決提升機傳統二級（恒力矩）制動所引發的對其造成沖擊和振動劇烈的問題，將二級制動方式改進為恒減速制動方式為主要途徑[1-3]。但是，在實際改造過程中存在周期長、成本高等問題；本文將重點針對問題在提升機原制動系統的基礎上增加一套設備以實現其具備恒減速制動的功能，即設計一套恒力矩恒減速制動系統，并對改造效果通過實驗進行評估[4]。

1 提升機恒力矩減速液壓制動系統的設計

目前，提升機制動系統主要以恒力矩制動系統為主，為解決其在制動過程中沖擊、振動劇烈的問題，提出采用恒減速制動方式[5]。但是，從恒力矩到恒減速制動方式的改造其周期和成本均較高。本章主要以恒力矩減速制動系統的原理對其液壓系統進行優化設計。

1.1 提升機制動系統

制動系統為保證提升機安全、可靠運行的關鍵部件，其主要結構組成如圖1 所示，提升機制動系統關鍵組成包括有制動器、液壓站和電控系統。目前，提升機的制動器主要采用盤式制動器；液壓站的主要功能是通過對液壓油壓力的控制，實現對其制動力矩的調整；電控系統的主要作用是根據提升機的實時工況對其制動指令進行調整。根據提升機工況的不同可將制動方式分為工作制動和安全制動兩大類。

圖1 提升機制動系統關鍵組成

1.2 恒力矩減速制動系統

在當前恒力矩制動系統的基礎上進行改造，實現恒力矩減速制動系統功能的發揮。為保證最終提升機的制動效果，恒力矩減速轉換裝置液壓系統設計需遵循如下原則：液壓系統結構應相對簡單，避免改造周期過長、成本過高的問題；所增加的恒減速制動功能不能夠影響原恒力矩的制動性能；要求液壓系統可對恒減速制動分系統的制動力矩進行可調，固需要為恒減速制動系統配置專用的蓄能器和相關液壓閥對其壓力進行實時、準確調節；當恒減速制動分系統的功能失效后，可自動切換至恒力矩制動系統，以提升制動系統的可靠性和提升機運行的安全性；要求恒減速制動系統具備獨立的電控系統，在其實現恒減速制動功能的基礎上具備監控、報警的功能。

結合提升機的制動工況要求和上述設計原則，所設計的恒力矩減速轉換裝置的液壓系統如圖2 所示。

圖2 恒力矩減速轉換裝置液壓系統原理

參照提升機原恒力矩制動系統液壓分系統的主要技術參數，為恒減速轉換裝置所配套的圖2 中關鍵液壓元件的具體型號匯總如表1 所示。

表1 恒力矩轉換裝置液壓元件選型結果

2 恒力矩減速轉換裝置控制策略的選擇

恒力矩減速轉換裝置屬于相對復雜的機電液一體化系統。在實際提升過程中，尤其是在上升或下降階段對應提升機所承受的載荷均處于動態變化狀態，即其存在較大的不確定性。因此，為保證其恒減速制動功能的實現，尤其需要充分掌握提升機的實時運行工況，并對其液壓系統進行準確調節以對其盤式制動器的爐具進行高精度控制。

具體控制思路如下：通過對提升機現場運行參數監測并反饋至上位機分析后得出相應的控制指令，對相關閥組的開口大小、方向等進行控制以獲得預期的控制效果。

因此，針對提升機恒力矩減速制動的控制要求，分別對采用模糊神經網絡的PID 控制策略和模糊PID控制策略在不同工況下的制動控制效果進行對比。

2.1 恒力矩減速轉換裝置模型構建

根據圖2 的恒力矩減速轉換裝置液壓系統的原理圖，基于AMESim 軟件構建仿真模型如圖3 所示。

圖3 恒力矩減速轉換裝置液壓系統AMESim 仿真模型

2.2 控制效果對比

基于圖3 所構建的AMESim 仿真模型，以提升機在空載下放重物的工況為例，分別對模糊神經網絡PID 控制策略和模糊PID 控制策略的控制效果進行對比，對比仿真結果如圖4 所示。

圖4 提升機空載下放重物工況下控制效果對比

如圖4 所示，虛線為模糊PID 策略的控制效果，實線為模糊神經網絡PID 策略控制效果。經分析可知：當提升機的減速度為-2 m/s2和-3 m/s2時，采用模糊PID 策略較模糊神經網絡PID 策略具有明顯的超調量和延時性。因此，為保證恒力矩減速轉換裝置可穩定發揮其制動功能，應該采用模糊神經網絡PID控制策略。

3 恒力矩減速轉換裝置的應用

評估所設計的恒力矩減速轉換裝置應用效果的關鍵在于其制動性能是否能夠滿足《煤炭安全規程》和JB/T 3277—2017 的標準要求。通過構建實驗平臺對恒力矩減速轉換裝置在實際制動過程中的滯后時間、響應時間以及最大超調量進行驗證，驗證結果如表2 所示。

表2 恒力矩減速轉換裝置制動效果

如表2 所示，恒力矩減速轉換裝置響應時間為0.154 s，滿足盤式制動器空動時間小于0.3 s 的要求；滯后時間為0.022 s，滿足液壓油壓力隨電壓的滯后時間小于0.2 s 的要求；在制動過程中蓄能器提供的壓力最大超調量為0.114 MPa，滿足振幅小于0.2 MPa的要求。

4 結論

提升機作為煤礦生產的關鍵輔助運輸設備，其主要承擔物料、人員以及設備的運輸任務。制動系統為保證提升機安全、穩定運行的基礎。傳統恒力矩制動系統在制動過程中存在振動和沖擊距離的問題，而單純的改造為恒減速制動系統存在周期長、成本高的問題。為此，本文結合提升機制動要求完成了恒力矩減速轉換裝置的設計，并對其應用效果進行驗證。

1）采用模糊神經網絡PID 策略對恒力矩減速轉換裝置進行控制；

2）采用在恒力矩制動系統的基礎上增加一套液壓系統實現恒減速制動的功能。

3）通過實驗表明：恒力矩減速轉換系統在響應時間、穩定性以及滯后特性等方面均滿足《煤炭安全規程》和JB/T 3277—2017 的要求。