浅谈液压伺服系统在井下无轨采掘设备中的应用

2020-12-09张伟

中国金属通报 2020年2期

张伟

（河钢矿业承德黑山铁矿，河北承德 067000）

液压驱动是现在很多大型工程机械和生产装备的主要动力传输方式。目前，采用伺服控制方式的液压动力系统已在井下采掘机械设备中得到了广泛的应用，取得了良好的效果，为井下安全高效提供了技术装备保障。液压伺服控制技术以液压传动为基础，综合应用了计算机模糊控制、集成传感、电子信号传输等高新技术，实现对液压机械的高精度、高响应速度和高度自动化控制。以液压伺服控制为核心的井下无轨采掘设备的投入应用，使矿山生产率得到提高，为企业带来了显著的经济效益。本文对液压伺服系统在井下无轨采掘设备中的应用进行了探讨。

1 液压伺服控制系统简介和控制原理概述

1.1 液压伺服控制系统简介

液压伺服系统是对传统液压控制方式的改进，是在原有的液压机构加上反馈机构所组成的闭环控制系统。液压伺服系统综合应用了液压控制、计算机模糊控制、集成传感、电子信号传输等高新技术，提高了液压控制的精度和自动化水平。使系统的速度、力矩、位移等输出量能够快速而准确地跟随输入量的变化而自动调整，以使液压控制的各项参数保持理想状态；与此同时，输出功率被大幅度地放大。液压伺服系统是由液压动力机构和反馈机构组成，其中液压机构包括油路系统、密封系统、油泵等；反馈机构包括各种传感器、模糊控制单元等。液压伺服系统分为电气液压伺服系统和机械液压伺服系统，目前随着机械自动化水平的提高，很多大功率快速响应的力矩控制和位置控制都开始应用电液伺服系统。

1.2 液压伺服系统控制原理

液压伺服系统控制的基本原理是通过使用电液伺服阀，将小功率的电信号转换为大功率的液压动力，从而实现对重型机械设备的伺服控制。机械设备运行时，各传感器会将采集的设备运行参数以电信号的方式反馈至模糊控制单元，由计算机对反馈信号进行处理，并将其与指令信号进行比对，得到误差信号。如果误差为零，则说明机械运行参数符合指令要求，伺服系统不进行调节；如果误差不是零，便进行调节。调节时，由模拟控制单元将调节信号传输至执行机构，然后由执行机构控制液压系统动作，执行调节指令，使机械设备完成对速度、位移等物理量的调节。液压伺服控制主要具备以下工作特征：一是形式多样，闭环控制系统信号的输出和输入之间为反馈连接，反馈介质可以为气动、液压、机械，亦或是它们的组合形式；二是信号负反馈，系统主反馈信号与输入信号相反，系统调节以偏差信号为指令，输入到液压原件的能量使其向减小偏差的方向移动；三是以小控大，系统输入信号功率很小，但通过信号放大装置可以将输出功率放大多倍，从而实现对大功率液压机械的控制。功率放大所需能量的控制由伺服系统偏差大小自动完成。综上所述，液压伺服控制的原理就是流体动力的反馈控制，即利用反馈的偏差信号去控制液压执行机构，让系统不断向着减小偏差的方向调节，使系统的输出值与理想值保持一致。

2 液压伺服系统的技术优势

液压伺服系统集成了液压控制和计算机模糊控制两种技术，也具备了它们的优势，主要是动力传输稳定、力矩惯量比大、执行动作快、控制精确、自动化程度高。能够使系统输出的力矩、速度、位移等参数量自动、快速和准确地按照指令进行调节；同时，大幅度放大了输出功率。因此，液压伺服相比于气动伺服和机电伺服在大型工程机械方面具有更广泛应用。具体而言，液压伺服系统的技术优势主要有以下。

2.1 力矩输出平稳

液压系统以液压油为传动介质，具有自润滑功能，动力传输中阻力和能量损耗较小，确保了液压执行机构的高效稳定运行。此外，液压装置也容易实现过载保护和自动化，借助于各种控制阀和电气设备，很容易实现对复杂运行工况的自动循环和远程控制，确保了系统的安全可靠运行。

2.2 力矩惯量比大

液压传输另一个突出的优势就是力矩惯量比大，由于液压油具有更强的承压性，因此相比于气动或电动系统可以传输更大的力矩，一般液压马达的力矩惯量比是同容量电动机的十数倍。较大的力矩惯量比意味着系统能够产生更大的加速度，具有更快的响应速度和更为理想的动态性能。

2.3 重量比大

相比于其它控制方式，同等功率输出下系统体积更小，更方便在空间受限的环境中和需要较大力矩输出的情况下使用。液压系统要想提高输出力矩和功率，只需要考虑油路密封和机械强度即可。因此，这也是在井下开采作业等许多场合下，直线运动控制中多采用液压系统的原因。

3 液压伺服系统在井下无轨采掘设备中的应用

金属矿山井下开采环境复杂恶劣，传统的有轨开采运输方式具有灵活性差、运输距离长、辅助工程多的弊端。为了更加灵活地组织生产和适应井下生产条件，提高矿山生产效率，减少井巷工程和降低开采成本，很多企业都开始选用无轨采掘成套设备进行采掘生产。常见的井下无轨采掘设备主要有铲运机、自卸卡车、挖斗装渣机等等。随着矿山地下开采对无轨采掘设备性能要求的不断提高，目前井下无轨采掘设备基本都采用了液压伺服系统进行控制，使设备运行的效率、稳定性、操控性能等得到显著提高。

3.1 液压伺服系统在铲运机设备中的应用

铲运机在井下开采中主要负责对矿石的铲装、卸载和短距离运输，在对爆落矿石进行铲挖时需要非常大的铲取力，这对铲运机的动力系统是非常大的考验。液压系统在力矩输出方面具有其它方式难以比拟的优势，可以适应铲运时对巨大铲取力的需要。液压伺服系统通过叠加阀、电液伺服阀等将小功率的电信号转变为大功率的液压能输出，实现了对铲运机铲取力等物理量的准确控制，使铲运机能够根据生产需要对铲取力输出进行调节。液压伺服系统控制下的铲运机不仅力矩输出平稳，而且响应迅速，更加机动灵活，显著提高了生产效率。液压伺服系统在铲运机设备中应用十分广泛，比如山特维克公司生产的TORO1400E电动铲运机、Atlas公司生产的ST-1020柴油铲运机等均采用液压伺服控制。

3.2 液压伺服系统在自卸卡车中的应用

自卸卡车主要用于井下长距离运输，工作特点是运输距离长、卸载高度大。以常见的翻卸式卡车为例，卸载时需要用液压缸将车箱向侧端翻倒倾卸。

由于井下地形复杂，卸载硐室较高，因此翻卸的难度较大，控制不好就容易将矿石散落。液压伺服系统采用电信号反馈控制极大地提高了液压系统操控的准确性，使司机可以更好地控制翻卸的高度和角度，提高生产效率，避免矿石散落。

3.3 液压伺服系统在机械设备保护中的应用

很多井下无轨采掘设备都装设有各种保护装置，比如常见的超速保护、超压保护、轴向位移保护、低油压报警保护、径向振动保护等，它们都是采用液压伺服系统进行保护控制。当设备某个运行参数超过不允许的数值时，现场的传感器就会将该参数以电信号的方式传输至保护系统，系统会自动启动相应的保护装置，使设备停止动作，避免设备超负荷运行。