提升机恒减速制动系统设计及试验研究

赵 岩

（白洞矿业有限责任公司， 山西 大同 037003）

引言

提升机作为综采工作面仅次于刮板输送机、带式输送机的关键运输设备，其主要承担着作业人员、物料以及设备的运输任务。提升机运行的安全性在很大程度上受制于其制动性能，包括有正常制动和安全制动。目前，可采用的制动方式包括有基于恒力矩的制动系统和基于恒减速的制动控制系统[1]。其中，基于恒力矩制动控制系统存在对井筒机械冲击力大、打滑严重的问题。因此，恒减速制动控制系统的制动性能较为优越，但是其成本较高。故，本文提出在恒力矩制动控制系统的基础上进行改造使其具备恒减速控制系统的功能。具体阐述如下：

1 恒减速制动控制系统的技术要求

为解决恒力矩制动控制系统机械冲击力大、打滑现象严重的问题，同时兼顾当前单纯的恒减速制动控制系统成本较高的问题，本文在恒力矩制动控制系统的基础上为其增设一套装置，使得改造后的制动系统同时兼备恒减速和恒力矩制动控制系统的功能。

所谓恒减速制动控制系统指的是系统在制动过程中的减速度恒定不变。恒减速制动控制系统能够很好解决传统恒力矩制动控制系统中存在的制动过程不稳定、制动打滑等问题。恒减速制动控制系统最基本的功能为能够在正常制动和安全制动下完成对系统的停车制动[2]。

恒减速制动控制系统的原理为：当系统对实时制动减速度与设定值进行比对，发现存在偏差时在闭环控制的作用下将设定值与实时值的偏差缩小，从而保证制动减速度不变。根据《提升机绞车的安全检验规范》和《矿井提升机和矿用绞车液压站》的相关标准要求，要求恒减速制动控制系统满足如下技术要求：

1）当提升机系统遇到紧急情况需安全制动时且实时减速度与设定值存在偏差，要求恒减速制动控制系统能够在0.8 s 内完成对减速度的恢复控制；

2）当系统进行安全制动时，要求制动系统的空程时间不得大于0.3 s；

3）当提升机经恒减速安全制动停车后，要求液压系统的残压小于0.5 MPa。

2 恒减速制动转换系统的设计

2.1 恒减速转换系统的设计原则

恒减速转换系统为在恒力矩制动控制系统下实现恒减速功能的核心，为保证改造后所得恒减速控制系统能够满足上述技术要求，要求恒减速转速系统设计时遵循如下原则：

1）恒减速转换系统不能影响原恒力矩制动控制系统的正常制动要求，并且能够根据工况要求对制动方式进行自动、实时切换；

2）为保证制动系统在实际操作中具备足够的油压和能力，为改造后的恒减速控制系统配置专门的蓄能器；

3）为保证恒减速制动控制系统在电源故障后仍可保证设备安全停车，为其配置UPS 后备电源；

4）为保证恒减速制动控制系统对应的动态特性，采用以电液比例溢流阀为核心的液压控制系统；

5）要求恒减速制动控制系统相对应的电气控制系统可实现对系统的故障检测[3]。

2.2 恒减速转换系统的总体设计

结合“1”中恒减速制动控制系统的技术要求和“2.1”中所述的恒减速转换系统的设计原则，设计如下页图1 所示的恒减速转换系统的总体液压原理图。

如图1 所示，当提升机处于正常运行状态时，其对应的制动系统为恒力矩制动系统；当恒力矩制动系统在制动过程中性能不佳或者出现故障时，在后备UPS 电源的作用下对应的电磁换向阀得电执行恒减速制动。并且，在恒减速制动系统工作时由编码器对实时减速度进行监测，若发现与设定值存在偏差时采用电液比例溢流阀对减速度进行调整，确保提升机的稳定减速停机[4]。

图1 恒减速转换系统液压原理图

2.3 恒减速制动系统特性分析

恒减速制动系统属于非线性系统，本节将基于AMESim 软件对恒减速制动控制系统的特性进行仿真研究，着重对不同减速度的制动效果进行分析。目前，针对复杂且非线性系统常采用PID 方法进行控制。因此，本文也基于PID 控制策略对恒减速制动系统进行控制。结合如图1 所示的恒减速制动控制系统的液压原理图，基于AMESim 软件建立仿真模型，如图2 所示。

图2 恒减速制动控制系统仿真模型

根据提升机恒减速制动控制系统对应的相关液压参数在AMESim 模型中进行设置。其中，设定仿真参数如下：系统的负载力矩为26 kN·m、系统制动时的运行速度为5.2 m/s，系统最大油压为6.3 MPa 等。

对于PID 控制参数而言，综合整个恒减速制动控制系统的响应时间、超调量以及精度等要求，在反复试验的基础上得出最佳PID 控制参数如下：比例环节系数为50；积分环节系数为0.4；微分环节系数为0.5。在此基础上，分别对减速度为1.5 m/s2、3 m/s2、5 m/s2对应系统的制动特性进行仿真分析，具体仿真情景如下：当提升机速度稳定在5.2 m/s 并稳定运行至5 s 后紧急制动，对制动性能进行分析。具体仿真结果如表1 所示。

表1 不同制动减速度对应系统制动性能

分析表1 可知，随着减速度的增加恒减速制动系统的启动时间逐渐增加，对应的恒减速建立时间分别为 0.33 s、0.37 s、0.46 s，均小于相关标准规定的建立时间（要求0.8 s 内）；对应的减速过程持续时间逐渐减少。通过仿真分析可知，在常规的减速度下所设计的恒减速制动控制系统的制动性能满足《安全检验规范》的相关要求。

3 工业性试验

“2”中着重从理论层面研究了提升机恒减速制动控制系统的制动性能，且经仿真分析所设计的恒减速制动控制系统满足《安全检验规范》的相关要求[5]。本节将从现场试验的层面对制动性能进行试验，为此根据图1 所述的液压系统原理图搭建相应的试验平台，并对恒减速制动控制系统进行静态试验和动态试验。

3.1 恒减速制动控制系统静态试验

所谓静态试验主要是对恒减速制动控制系统中涉及到的液压元件的性能进行测试，其中着重对电磁换向阀的响应时间和整个制动系统的泄压响应时间和贴闸响应时间进行测试，测试结果如表2 所示。

表2 系统静态试验结果分析

如表2 所示，系统在静态状态下安全制动时的空程时间仅为0.07 s，满足《安全规范》中所规定的空程时间小于0.3 s 的要求；而且，要求在安全制动过程中滞后时间小于0.15 s，本系统在静态状态下的滞后时间仅为0.01 s，满足要求。

3.2 恒减速制动控制系统的动态试验

所谓动态试验制动是给系统一个减速度对系统的响应时间进行试验的过程，试验结果如下页表3所示。

表3 系统动态试验结果分析

如表3 所示，在动态环境下恒减速制动控制系统的振幅为0.1 MPa，满足其小于0.2 MPa 的要求；此外贴闸响应时间和系统建立所需的时间也均满足规范要求。

4 结语

恒减速制动控制系统可以解决恒力矩制动控制系统机械冲击较大且容易出现打滑现象的问题。本文在恒力矩制动控制系统的基础上增加一套恒减速制动转换系统从而实现提升机的恒减速制动功能，并基于AMESim 软件对其特性进行仿真分析，建立试验平台对其响应特性进行研究，试验结果均满足《安全规范》的相关要求。