不同工况对提升机系统动态特性的影响研究

2024-01-04高静

机械管理开发 2023年11期

高静

（西山煤电建筑工程集团有限公司矿建分公司，山西太原 030000）

0 引言

在煤矿生产中，矿井提升设备属于主要的运输装备，其主要功能是用以提升煤炭、运输材料、人员及设备，是井上与井下连接的重要枢纽，有着“咽喉”之称[1]。矿井提升机种类有单绳缠绕式提升机和多绳摩擦式提升机，其中，单绳式因不能满足目前矿井生产需求，已很少被使用[2]；而多绳摩擦式具有重量轻、提升重量大、耗能少及安全性高等大量优点[3]，被煤矿企业广泛应用，因此，本文就主要研究多绳摩擦式提升机。多绳摩擦式提升机主要组成有制动系统、减速器、摩擦轮、电动机及操纵系统等，其工作原理是通过摩擦轮衬垫和钢丝绳间的作用力，克服在摩擦轮两侧钢丝绳产生的张力差，来传递摩擦力[4]，实现连续提升过程。传统中，提升机多采用“驱动电机+联轴器+减速器+卷筒”的结构形式，而本文主要研究永磁驱动提升机，其不同于传统提升机结构，省掉联轴器、减速器中间传动环节，是基于永磁表贴式外转子同步电机原理设计。因此，为实现该矿井提升机系统的稳定安全运行，本文仿真研究其在不同工况下的提升动态特性，为实践应用提供参考依据。

1 不同工况对提升机动态特性的影响

本文以永磁驱动提升机为研究对象，区别于传统结构提升机，其省掉联轴器、减速器中间传动环节，基于永磁表贴式外转子同步电机原理而设计，其中，永磁体具有更大的磁能密度及更高的退磁温度，而表贴式外转子的电磁性能为隐极转子结构，很大程度上影响提升机的控制系统。因此，为获得该提升系统的动态性能，保证其稳定安全运行，本文主要仿真研究在不同加速度大小、加速度曲线及有无负载干扰下的提升机运行情况。

1.1 加速度大小的影响

为便于仿真研究，本文先采用以梯形为加速度的曲线，设置其余参数为提升高度600 m，最大速度8 m/s，采用传统PI 控制器。分析在加速度a 大小分别为0.4 m/s2、0.6 m/s2和0.8 m/s2时提升机的动态特性，如图1 所示。

图1 提升机运行状态

图1 为不同加速度大小下的提升机转速、转矩曲线。图1 中，提升机基本能够实现对设定速度曲线的跟随。在加速结束、减速过程中，提升机都存在不同程度的超调，且振荡一段时间后系统又恢复稳定。分析不同加速度提升机的速度曲线，在加速和减速过程中，超调量随加速度增大而增大，且达到稳态的时间也越长。图1-2 中，提升机电磁转矩总体上为上升，主要是因为单位长度的首绳质量小于尾绳，在提升阶段的载荷不断增大，对电磁转矩的要求也不断增大。因速度曲线出现突变的情形，造成在加速、减速开始和加速、减速结束过程中，提升机电磁转矩振荡明显的情况，且电磁转矩、转矩的振荡幅度均随加速度的增大而增大。

1.2 加速度曲线的影响

上述分析中，当提升机采用恒定加速度时，无论加速度为多少，都会出现加速度突变的现象，引起系统振动和冲击。本节中，对比研究梯形、正弦及恒定加速度对提升系统的影响规律，设置最大加速度是0.8m/s2、最大速度是8 m/s，如图2 所示。

图2 不同加速度曲线下的提升机运行状态

图2 为不同加速度曲线下的提升机转速、转矩曲线。图2-1 中，当采用不同的加速度曲线时，加速完成的时间也不一样。正弦加速度曲线达到最大速度所需时间最长，恒定加速度用时最短，梯形加速度居中。在恒定加速度下，转速存在一定的超调，而正弦和梯形加速度的转速基本无超调。图2-2 中，对比分析提升机的转矩曲线，当采用连续变化的加速度曲线时，显著改善了提升机转矩的超调和速度波动现象，但是在加速和减速过程中，采用梯形加速度曲线的提升机转矩仍出现一定的波动，而采用正弦加速度的转矩变化相对稳定。

综上分析，加速度曲线明显影响提升机运行的稳定性，加速度波动越大，在加速度突变时提升机的超调越大，但是在提升机实际运行中，仍尽可能选用较大的加速度，保证提升系统的运行效率。梯形、正弦加速度能够明显降低提升系统的波动，且正弦加速度的效果更为显著。

1.3 负载干扰的影响

矿井提升机在实际运行中，经常会发生负载波动的现象，因此，为保证提升系统在负载干扰下能够正常运行，本文对比研究其在有无负载干扰下的运行情况，其中，干扰设置为给滚筒施加20 000 N 和10 Hz的噪声干扰，如图3 所示。

图3 负载干扰下提升机运行状态

图3 为提升机转速和转矩曲线。图3-1 中，负载扰动下，总体上可实现对速度曲线的跟随，但还是不能避免因负载扰动产生的波动。当有负载扰动时，恒定和正弦加速度下的提升机速度响应也存在波动，且波幅值与速度曲线类型无关。图3-2 中，在负载扰动下，提升机转矩也存在脉动现象，当提升机减速停车后，制动器抱闸，转矩波动消失。