矿井提升机恒减速电液控制系统设计应用*

武 波

(西山煤电集团有限责任公司西曲矿，山西 太原 030000)

0 引 言

随着我国经济的不断发展，我国能源的消耗量也呈现增大的趋势。煤炭资源一直是我国工业发展的重要保证，每天煤炭资源消耗量占据全部能源消耗的7成以上，所以高效开采，可持续发展一直是煤矿开采的重要目标。矿井提升机是我国矿井物料、原煤等提升的重要设备，在矿井正常生产过程中，由于提升机发生故障导致矿井生产效率降低的事件屡有发生，其工作性能直接影响着矿井开采效率[1]，在提升机的日常运行过程中，常会出现由于液压制动系统控制精度差等引起的松绳、断绳、过卷等事故，事故一旦发生将会造成难以估量的损失，同时由于矿井工作环境较为恶劣，设备的维修极为困难，造成机械窝工，提升矿井提升机的运行安全性及其制动系统进行设计优化十分必要[2]。

针对传统提升机电压液控系统存在的问题，基于恒减速电液控制系统对其进行优化设计，有效降低了提升机恒减速液控系统失效造成的安全问题。为矿井高效发展及安全运行提供了一定的保障。

1 恒减速电液控制系统设计方案

1.1 矿井提升机制动系统组成及原理

矿井提升机的制动系统是由制动闸组，液压部分和电气部分组成，目前国内主要的制动方式有安全制动和工作制动，工作制动是矿井提升机在完成一次提升工作后进行的停车制动，目前较为常用，安全制动是指在运行过程中，由于发生故障，避免人员、机械等造成各损害而进行的紧急制动，安全制动一般很少发生，这是保障人员及设备安全的最后环节，安全制动按照其方式可分为恒力矩一级、二级安全制动和恒减速制动三种，其中恒减速制动系统是通过内部反馈而实现的提升机制动方式，控制系统通过检测滚筒速度来调节制动器的减速度，有效提升制动性能[3]。

1.2 恒减速液压控制系统原理

矿井提升机的恒减速液压控制系统是由电控柜、制动器及液压站组合而成，其中电控柜作为控制的核心，其主要起到控制作用，通过电控柜发出的控制信号，实现控制油压力及制动力的目的。滚筒制动信号流程如图1所示。

从图1中可以看出，控制柜通过监控滚筒的运行信号进行及时的分析，通过分析将电信号传输至液压站，此时液压站将电信号转化为油压力传递到制动闸，制动闸根据油压力及时控制滚筒的速度，而滚筒速度的降低及时反馈至控制柜，从而实现实时的闭合自控。

图1 滚筒制动信号流程图

1.3 恒减速电控系统优化设计方案

传统的控制系统控制效果差，急启急停极易出现松绳、断绳、过卷等事故，对恒减速电控系统进行优化设计，在进行紧急启动或者制动时可以更好的满足提升机加速度控制平稳的目标。

恒减速控制系统包含电控子系统和液控系统，电控子系统是恒减速控制系统的核心，其主要负责安全制动及工作开合闸，其辅助功能为显示、记录、监控、报警等，电液控制系统对提升机制动进行控制，采用PLC控制器对恒减速液压站进行控制，作为电控系统的控制器其主要负责完成一级、二级制动及恒减速制动等任务[4]。PLC系统的组成如表1所列。

表1 PLC系统的组成表

系统的控制层主要包含输入、输出层和管理层，恒减速安全制动是通过输出层进行滚筒速度的监控，将数据反馈至管理层，管理层经过分析后将命令传输至输出层，从而达到制动目的，电控系统构架如图2所示。

图2 电控系统构架图

如图2所示，其中输入层负责信号及模拟量的采集，其主要由油压传感器、各种传感器及编码器组成，控制层主要负责逻辑分析，通过计算处理、协调处理、转换处理等进行分析，通过HMI进行系统通讯，输出层是由电磁换向阀、伺服阀等执行器件组成，而管理层采用HMI来实现人机交互，实时显示系统中各软件的运行情况，且能实现人工操作[5]。

系统软件流程设计主要是:液压启动功能流程为在控制器接收到启动命令后进行系统电气检查，对滚筒速度、油液高度等进行检查，当发现故障后进行及时闭锁，未发现故障后进行电磁阀归位。工作开闸功能是在液压启动后对液压站充油进行检测，发现油路油压不正常则闭锁开车，系统油压正常则进行 开闸命令，开闸后对滚筒速度进行实时监测，发现不正常及时闭锁停车。安全制动功能是恒减速电液控制系统最核心的部门，其流程图如图3所示。

图3 安全制动流程示意图

如图3所示，系统运行过程中，当发现安全信号出现掉电情况，此时安全制动系统会立即运行，进行安全制动，限制油泵工作，此时系统会判别提升机是否位于井内，当提升机位于井内此时执行贴闸皮指令，此时系统判别是否能够进行恒减速制动，容许则进行恒减速制动，不容许则进行二级制动判别，可进行二级制动则进行二级制动，不行则进行一级制动，最终滚筒速度降至为0，此时完成闭锁开车，系统一个流程结束。同时系统拥有监测诊断功能，分别通过液位控制器、压力传感器、速度传感器、压力继电器等对系统液位、压力、速度等进行监测。

2 仿真模拟研究

利用仿真软件Adams对恒减速制动系统进行制动模拟研究，首先进行仿真环境的设置，利用外接结构Simulink进行仿真建立，首先给出提升机系统的主要参数，活塞的直径和油缸的直径分别为58.8 mm和110 mm，单个盘型制动器的最大正压力43 kN，摩擦因素和摩擦半径分别为0.3和620 mm。二级制动油压为3.6 MPa，正常工作油压为6.3 MPa。完成技术参数设定后对PID进行设置，设定数值为0.9，微分大小为0.01，积分大小为0.4，在5 s时进行恒减速制动，恒减速制动运动模拟曲线如图4所示。

图4 恒减速制动运动模拟曲线

如图4可以看出，系统在5 s之前正常运行，当在第5 s时发生安全减速制动，此时提升机的运行速度从6.6 m/s降逐步降低至0，观察减速的加速度为1.3 m/s2，当在时间来到10 s时，此时的提升机的速度减至0，可以看出当进行恒减速制动时，此时的加速度一直保持在-1.3 m/s2附近，在此范围上下波动，同时通过观察曲线可以看出，滚筒的速度在5 s内能够降低至零，此时加速度的最大差值为9%，根据实际需求可知，恒减速电液控制器加速度波动小于15%，恒减速电液控制器能够满足正常工作要求，达到设计优化目标，同时新设计的恒减速电液控制系统在矿井1个月的使用过程中，未出现松绳、断绳、过卷等事故，有效的降低了制动引起的事故率，达到了优化设计目的。

3 结 语

针对原有提升机制液压制动系统制动效果差，事故率高的问题，提出了恒减速电液控制系统，给出了系统硬件及软件的组成，对液压启动功能、工作开闸功能、安全制动功能流程进行介绍，同时通过建立恒减速液压控制系统仿真模型，对恒减速电控控制设计方案可行性进行验证，通过仿真模拟发现，滚筒的速度在5 s内能够降低至0，且恒减速电液控制系统的加速度波动小于15%，满足正常生产需求，新设计的恒减速电液控制装置在使用过程中有效降低了松绳、断绳、过卷等事故。