矿用无极绳绞车电液控制系统设计及性能优化

孔翠波

（山西焦煤西山煤电集团镇城底矿， 山西 古交 030203）

引言

无极绳绞车是煤矿开采中的常见设备，其结构包括动力装置、梭车、尾轮、张紧装置、轮组、主压绳轮等，主要用于井下巷道的物品运输，使用钢丝牵引往复运行，可以实现长距离轨道连续运输，解决了煤矿运输线路坡道多、倾角大、运输距离长以及弯道和坡道运输不安全等重大问题，具有节省人力、安全性高、连续性好、运行成本低的优点，但长期以来无极绳绞车的基本结构并没有得到本质性的改善和发展，如果能够与现代化的控制设备和控制方法相结合，一定可以进一步提高其操作的安全性、使用效率及使用寿命，提高其自动化控制程度是改善其工作性能的有效方法，本文将使用控制性更好的液压元件代替传统的电力驱动，使用PLC、传感器、控制手柄等控制元件来解决无极绳绞车存在的不足，使其性能进一步提升，操作也会更加安全，使用寿命也会更长。

1 无极绳绞车需要改善的问题

1.1 进一步优化动力源

目前，无极绳绞车使用电机作为动力源，而电机的初始启动速度较高，所以在启动和停止时不平稳，对钢丝绳产生一定的冲击，在钢丝长期反复负重冲击的工作条件下就很容易出现断丝、拉长等安全隐患，甚至出现钢丝被拉断，导致严重后果，所以改善动力源的工作方式对改善无极绳绞车的工作状态起到很大作用[1]。

1.2 改善梭车速度控制方式

矿井中的工作环境非常复杂，梭车以及连接的矿车、平板车、材料车会经常往复于弯道、上坡、下坡等工作环境，这对钢丝的使用寿命影响极大，这些地方往往也是事故的多发地带，虽然梭车在机械结构上已经经过多次改进来预防此类事件的发生，但不能从根本上解决问题，还是经常会出现断丝的现象，即使梭车的机械结构可以在断丝后制动预防安全事故的发生，但如果断丝频率过高必然会影响生产进度和生产成本。假设梭车在进入弯道、坡道之前先通过传感技术能够检测到梭车的位置，在进入危险环境之前将通过反馈信号将位置信息传给控制系统，控制系统做出减速控制，梭车按照控制指令逐渐无级减速，然后在驶出危险段之后无级加速，恢复正常速度，这就会从根本上解决弯道、坡道带来的危险性。

1.3 更换变速系统

传统的无极绳绞车采用换挡变速模式控制梭车的速度变化，这种变速方式如果在梭车运行中换挡，必然会给钢丝带来很大的冲击力，这也是钢丝损坏的一个重要原因，若停车换挡，必然会影响工作效率，增大操作者的劳动强度，也会给整个流程带来诸多不便。若能使用一套可以无级调速并动力强劲的变速系统来代替挡位调速结构，必然会减轻变速过程中梭车对钢丝的冲击，减少操作步骤，提高工作效率[2]。

2 优化方案

2.1 动力源的更换

采用液压柱塞式变量泵和定量液压马达作为绞车的动力输出元件，先由外部动力系统给柱塞泵提供动力，动力轴带动泵内的倾盘旋转。柱塞式变量泵是依靠改变倾盘的角度来实现变量输出的。当倾盘角度为零时，倾盘旋转时与之相连的柱塞之间不会产生差动，柱塞泵就不会产生排量输出，若倾盘发生角度变化，与倾盘相连的柱塞在转动过程中产生差动，柱塞泵就会产生排量，而且倾角越大排量就会越大，产生排量后将动力传给液压马达，液压马达转速就会随变量泵排量增大而增大，马达连接减速机，减速连接绞车，绞车就会产生动力。倾盘是从零位逐渐加大倾角的，所以泵的排量也是从零逐渐加大的，相应的马达、减速机、绞车的速度也是从零逐渐启动的，所以这样就实现了绞车的零速度无级加速功能，反之在停止时也可以实现无级降速，直到速度为零，所以在启动和停止过程中就大大减小了梭车对钢丝的冲击力，并加强了系统的安全性，而且液压系统相对电力系统还有输出强劲稳定、噪音小等优点。

2.2 绞车的速度控制

对绞车的速度控制也就是对柱塞式变量泵的排量控制，这里采用手柄和PLC组成的系统完成绞车的速度控制功能，变量泵装有两个比例电磁铁来触动倾盘的角度发生变化，从而控制变量泵输出排量的大小和方向，两个比例电磁铁分别控制变量泵两个方向的输出，也就控制了马达的正反转输出，从而控制减速机和绞车的正反向转动，PLC的两个电流模拟量输出端口分别连接这两个比例电磁铁。当PLC有电流输出给比例电磁铁时，电磁铁阀芯就会产生位移顶开倾盘，且电流越大位移也会越大，由此可见PLC给电磁铁的输出电流越大，绞车的转速就会越高，同样当PLC给另一个电磁铁输出电流时倾盘向另一侧开启，绞车也就会反向转动，并且电流越大速度也就越快[3]。根据以上原理，使用手柄完成绞车的正反转和速度的控制，如图1手柄控制连线图所示。

图1 手柄控制连线图

手柄内装有电位器，手柄中位时，电位器滑动触点也位于中间位置，PLC具有5 V电压输出端口，还有0～5 V模拟量接收端口，电位器两端分别连接0位和5 V电压输出端口。当电位器滑动触点从0向5 V端滑动时，即可得到一个0～5 V的电压模拟量，将此模拟量接入PLC的0～5 V接收端口，PLC会自动将此变量转化为0～5 000的数值，赋值此数值为S。手柄的起始位在中位，所以将此数值分为0～2 500和2 500～5 000两部分，分别控制两个比例电磁铁的电流。当手柄从中位向零位推动时，S＜2 500则驱动比例电磁铁2顶开变量泵的倾盘，且手柄推动角度越大比例电磁铁2的接收电流就越大，变量泵的倾盘角度就越大，马达速度就越大，绞车的转速也就越大。当手柄向5 V端推动时，S＞2 500则驱动比例电磁铁1顶开变量泵的倾盘，使变量泵向另一方向输出，且手柄推动角度越大，比例电磁铁1的接收电流就越大，变量泵的倾盘角度就越大，马达速度就越大，绞车的转速也就越大，所以只要操作者推动手柄就可以完成对绞车的0转速双向无级启动。

2.3 弯道、坡道的速度控制

在弯道和坡道前10 m的位置安装接近开关，梭车一但靠近接近开关，接近开关的触点就会闭合，并一直保持闭合状态，同时将电信号传导给PLC，PLC收到信号后就会逐渐降低电流变量系数k的数值，k值减小相当于PLC给比例电磁铁的输出电流减小，绞车的速度就会随之降低，梭车的速度也就会降低到可以顺利通过弯道和破道的速度，这样梭车就会安全地、无冲击地经过弯道和坡道，经过后就会触碰另一个接近开关，将前端接近开关的触点解锁，同时将解锁信号传导给PLC，PLC就会再次逐渐恢复系数k值，梭车再以正常速度继续运行，这样就可以完全保证梭车安全地通过弯道和坡道。

3 结语

由液压柱塞变量泵、液压马达、PLC、手柄、接近开关组成的无极绳绞车控制系统改善了绞车启动不稳、梭车速度控制易发生危险、换挡变速控制复杂等一系列钢丝冲击问题和安全问题，使无极绳绞车系统运行更加稳定，减少了维修次数，降低了维修费用，运行模式也更加安全、稳定、可靠，而且还具有噪音低、动力强的特点，大大加强了无极绳绞车的使用性能。