矿井提升机减速转换装置电液控制技术_毋为虎.pdf

煤矿机械Coal Mine MachineryVol.44 No.5May.2023第44卷第5期2023年5月doi:10.13436/j.mkjx.2023050470引言对近几年来的煤矿安全事故进行统计发现，煤矿提升运输事故是仅次于顶板事故的第四大灾害。因此，矿井提升装置的研究成果可直接影响煤矿的生产安全。在现代化、智能化能源产业建设的过程中，相关行业对矿井升降安全标准提出了更为严格的要求。与之相对应，提升机控制技术的安全要求也越来越高。因此在对提升机控制进行设计时，会将安全性与可靠性放在首要位置。通过文献分析发现，矿井提升机减速转换装置作为关键的制动设备，其安全性至关重要。当前国内使用的最为先进的液压制动系统主要基于恒减速控制思想，可实现真正意义上的减速制动控制。我国矿井提升机减速转换装置的研究开始于60多年前，现已经取得较多的研究成果。在过去的研究中，部分专家提出了矿井提升机减速转换装置电液控制技术，但整体应用效果不佳，大部分控制技术对电压与油压变化的响应速度较慢，导致减速度响应过慢、提升机启动时出现冲击，造成设备故障，威胁工作人员的生命安全。为此，本文结合多种算法，提出一种针对矿井提升机减速转换装置的电液控制技术，以期改变当前减速转换装置控制的现状，保证矿产开发中的人身安全。1提升机减速转换装置选型与设定本文选取提升机减速转换装置为电磁比例溢流阀。在此元件的基础上完成电液控制。该电磁比例溢流阀结构如图1所示。矿井提升机减速转换装置电液控制技术*毋为虎（山西天地王坡煤业有限公司，山西 晋城048000）摘要：针对当前控制技术在矿井提升机减速转换装置中电压与油压变化的响应速度较慢导致减速度响应过慢、提升机启动时易出现冲击造成设备故障的问题，提出一种矿井提升机减速转换装置电液控制方法。将电磁比例溢流阀作为关键电液元件，并测定伺服阀流量。根据减速度计算原理及闭环控制增益原理，构建减速转换装置控制模型。增加盘形制动器，构建盘形制动器数学模型，完成减速转换装置电液控制。应用测试结果表明，该技术对电压与油压变化的响应速度较快，可在短时间内完成减速度响应，避免出现设备启动冲击现象。关键词：电液控制；矿井提升机；混合遗传算法；液压盘形制动控制中图分类号：TD534文献标志码：A文章编号：1003 0794（2023）05 0149 05Electrohydraulic Control Technology of Mine Hoist DecelerationConversion DeviceWu Weihu（Shanxi Tiandi Wangpo Coal Industry Co.,Ltd.,Jincheng 048000,China）Abstract:Aiming at the problem that the current control technology responds slowly to the change ofvoltage and oil pressure in the deceleration conversion device of mine hoist,which leads to the slowdeceleration response,and the impact when the hoist starts,which causes equipment failure,anelectrohydraulic control method for the deceleration conversion device of mine hoist was proposed.Tookthe electromagnetic proportional relief valve as the key electro-hydraulic component,and measured theflow of the servo valve.According to the deceleration calculation principle and the closed-loop controlgain principle,the control model of the deceleration conversion device was constructed.Added discbrake,built the mathematical model of disc brake,and completed the electrohydraulic control ofdeceleration conversion device.The application test results show that this technology has a fast responseto the change of voltage and oil pressure,and can complete the deceleration response in a short time toavoid equipment startup impact.Key words:electrohydraulic control；mine hoist；hybrid genetic algorithm；hydraulic disc brake control*山西天地王坡煤业有限公司项目（CG202105103）；山西省科技攻关计划资助项目（MQ2020-10）149图1电磁比例溢流阀结构示意图1.导磁体外壳2.非工作气隙3.控制线圈4.工作气隙5.前端盖极靴6.限位片7.导套8.支撑环9.隔磁环10.推杆当此元件工作时，电磁铁会产生相应的电磁力，根据电磁力对伺服阀的主阀进行控制。当前大部分减速转换装置的伺服阀采用三位四通的工作形式。装置稳态工作时伺服阀平衡方程Ei=ptd2cvdt2（O+Oc）cv（1）式中Ei伺服阀阀芯受力；pt阀芯与阀腔间的油液质量；cv阀芯位移；O阀芯弹簧刚度；Oc比例换向阀稳态液动力刚度。对式（1）进行整理，将其与电磁比例溢流阀基础结构有机融合，完成关键电液元件选型与设定。2构建减速转换装置控制模型在关键电液元件选型与设定的基础上，构建减速转换装置控制模型。在以往的研究中进行了大量的减速转换装置各部分传递函数计算及参数设定。因此本文将不对上述内容进行赘述，主要对其进行动态分析。在减速转换装置运行过程中，制动力对重物会产生相应的减速度，结合减速控制传递函数，得到减速转换装置闭环控制模型W=X0（z2k2+1）1+（Vz+1）（zk+1）（z2k2+2zk+1）K（2）式中X0开环控制增益；k控制系数；信号增益；z原始信号；V原始减速转换控制系数。将式（2）作为减速转换装置控制模型，在此基础上得到电液控制方法。3矿井提升机减速转换装置的优化电液控制方法设计为更好利用电磁比例溢流阀实现电液控制，需将其转化为盘形制动器，即在原有电磁比例溢流阀结构中增加调节螺母及碟形弹簧座、制动器筒体，保证对减速转换装置进行控制。盘形制动器结构如图2所示。图2盘形制动器结构示意图1.制动钳体2.活塞3.车桥部4.制动盘5.摩擦块盘形制动器可对装置中的流量进行连续控制，如想完成控制过程，需要构建相应的数学模型，并将其输入到减速转换装置控制终端，以此保证控制效果。盘形控制器数学模型构建分为两部分：（1）制动盘工作状态流入制动液压缸的流量H=（Ui+Uj）1+M1dzdt+CJdzdt（3）式中Ui制动器内泄漏系数；Uj制动器外泄漏系数；M1液压缸有效面积；z制动器活塞位移；C制动器油腔容积。（2）制动盘松弛状态HM1=md2zdt2+sdzdt+bz+bz0（4）式中m制动器活塞重量；s制动器活塞运动黏性阻尼系数；b弹簧刚度；z0制动器的预压缩量。以此为基础，开展电磁比例溢流阀的建模，以实现电液控制。以理想状态下电磁比例溢流阀的运动过程，即忽略先导阀芯的摩擦力建立模型，构建的先导阀芯平衡方程Fp=MpXp+BpXp+Kps（Xp+Xp0）KqpXp（5）式中Mp阀芯质量；Xp阀芯位移；Bp阀芯黏性阻力；Kps阀芯内弹簧的刚度系数；Xp0弹簧的压缩量；12345第44卷第5期Vol.44 No.5矿井提升机减速转换装置电液控制技术毋为虎进油口12345678910150Kqp阀芯所受液动力的等效刚度系数。先导阀进出弹簧腔的流量Q=CdAp2pp（6）式中Ap先导阀的过流面积；Cd流量系数；pp压差。对于先导阀节流口而言，其过流面积Ap=Np（-sin）Dp28XpDp2Ap=Np2（-sin）Dp28XpDp2|（7）2arccosDp-2XpDp()（8）式中Np圆孔个数；Dp圆孔直径。在理想状态下，忽略溢流阀受到的摩擦力，溢流阀力平衡方程paAa+pbAb+pcAc=MmXm+BmXm+Km（XmXm0）KqmXm（9）式中pa、pb、pc溢流阀阀口A、B、C的工作压力；Aa、Ab、Ac弹簧的作用面积；Mm主阀芯的质量；Xm主阀芯的位移；Bm主阀芯的黏性阻尼系数；Km主阀芯所受液动力的等效刚度系数。主阀弹簧腔的流量连续性方程AcXm+Cippb-QL=Cippc+Vccpc（10）式中Cip主阀的内泄漏系数；c油液的等效体积弹性模量；Vc主阀弹簧腔的容积。4应用测试分析（1）测试环境搭建为保证测试结果与实际应用结果一致，并对该技术的日常应用具有指导作用，在测试过程中将测试环境尽可能与实际应用环境一致。因此，将环境设定为矿井提升机减速转换装置测试平台。测试平台主要由电控部分及液压部分组成。液压站为测试平台提供动力源，最大输出油压为20 MPa。电控部分主体由光电隔离模块、电池阀驱动板组成，用于控制目标设备的运行状态。由于此次测试在实验室中完成，受到外界条件的限制无法对目标设备运行时的安全惯性力进行测试分析。因此，本次测试仅对电液控制技术的应用性能进行测试分析，保证目标设备在日常应用中的动态性能及安全性。测试前，对目标设备的运行参数进行统计，以便获取可靠性更高的测试结果，设备参数：制动液压缸流量/m3s-11.51提升机减速度/ms-20.65制动器内泄漏系数0.5制动器个数3液压缸有效工作面积/m29.5010-4减速装置摩擦半径/m1.0制动器油缸油腔容积/m31.510-4提升机变位质量/kg1.85活塞总质量/kg5.010-2活塞阻尼系数/Nm16.5在测试的过程中，需要采集相应设备的运行数据，以供电液控制技术的应用。经对比，选用LabjackT7 Pro数据采集卡对设备的运行信号进行采集。原始信号采集过程中会受到外界信号的干扰，因此在此部分信号使用前需要对其进行降噪处理。信号处理完成后，将其导入测试平台的控制终端中，为本文技术的应用提供数据基础。（2）电液控制技术应用测试在矿井提升机减速转换装置的应用过程中，电液控制技术的应用性能直接影响到设备的使用效果。因此，有必要对此技术的控制精度进行测试与分析。使用上位机进入测试界面，启动测试平台，通过测试界面输出电信号，此时电信号为测试过程中最大电信号。当油压信号稳定后，输入电压比例的阶跃信号，如图3所示。t/s图3阶跃信号输入值使用数据采集卡采集经过目标设备的电压信号与油压数据，并将其进行降噪处理，得到电液比例上升响应测试结果，如图4所示。为更好地完成测试过程，对该技术使用后的阶跃时域进行分析。当提升机的运行过程中出现阶跃信号时，该技术可对电液比例波动进行及时的响应，第44卷第5期Vol.44 No.5矿井提升机减速转换装置电液控制技术毋为虎电压/V123456701.51.00.50-0.5-1.0-1.5151保证上升曲线的平滑性。虽然在上升的初始过程中会出现小幅度波动，但整体波动时间较短，可保证矿井提升机减速转换装置在此环境中运行的稳定性。对电液比例下降过程展开响应测试，结果如图5所示。t/s图4电液比例上升响应测试结果1.油压2.电压信号t/s图5电液比例下降响应测试结果1.油压2.电压信号根据已获取的测试结果，对电液比例下降条件下该技术使用后的阶跃时域数据进行统计，结果如表1所示。表1电液比例下降条件下的阶跃时域由表1可看出，该技术使用后可在较短时间内将目标设备的运行状态恢复到平稳状态。将其与电液比例上升响应测试结果融合分析可确定，该技术的响应效率符合相关设备运行安全规程。根据2组测试结果，绘制该技术应用后的矿井提升机减速转换装置减速度曲线，如图6所示。由图6可知，应用该技术后，微处理器会根据不同电液比例计算出目标设备的油压大小，并根据此计算结果进行减速控制，避免由于电液比例不同导致目标设备启动时出现冲击。综合以上测试结果可确定，该技术具有较高的响应能力以及减速控制能力。t/s图6矿井提升机减速转换装置减速度响应曲线1.下降曲线2.上升曲线为进一步对其性能进行验证，本文选取文献4方法作为对比，开展对比实验，测试应用2种方法后矿井提升机的减速控制效果。实验中控制参数如表2所示。表2实验控制参数表设定空载上提与满载上提的加速度均为-3 m/s2，获得其加速度响应曲线如图7、图8所示。t/s图7空载上提状态下加速度响应曲线1.本文方法2.文献4方法t/s图8满载上提状态下加速度响应曲线1.本文方法2.文献4方法由图7、图8可知，应用本文方法无论是在空载状态，还是在满载状态，在上提减速的过程中响应速度较快，约1.3 s就可达到理想状态，且后续速度较为稳定；而应用文献4方法在空载状态下响应速度第44卷第5期Vol.44 No.5矿井提升机减速转换装置电液控制技术毋为虎油压/MPa电压/V测试项序号1234测试项目下降时间/s滞后时间/s响应时间/s最大超调量/MPa测试结果0.100.0050.1950.120减速度/ms-2参数Bp/NKpsKqp值150.10.3参数BmKmCip值150.10.05加速度/ms-2加速度/ms-2油压/MPa电压/V1234567076543211212345670765432112123456703.53.02.52.01.51.00.51200-0.5-1.0-1.5-2.0-2.5-3.0-3.50.51.01.52.02.53.03.5121200-0.5-1.0-1.5-2.0-2.5-3.0-3.50.51.01.52.02.53.03.5152第44卷第5期Vol.44 No.5矿井提升机减速转换装置电液控制技术毋为虎较慢，在满载状态下不仅响应速度慢，而且其速度变化也不稳定，受外界条件影响较大，应用效果并不理想。综上所述，应用本文方法控制矿井提升机效果更好。5结语针对当前矿井提升机减速转换装置控制在应用过程中出现的问题，提出了新型电液控制技术，经应用测试证实了该技术具有较高的应用价值。由于实验室空间的限制，此次应用测试整体过程较为简单。在日后的研究中需设定更为真实的测试环境对该技术进行大规模分析，以此保证可应用在多种矿物开采的过程中。参考文献：1李娟莉,闫方元,梁思羽,等.基于卷积神经网络的矿井提升机制动系统故障诊断方法J.太原理工大学学报,2022,53(3):524-530.2李龙斌,王福忠,韩素敏.矿井提升机传动系统远程维护平台研究J.煤矿机械,2022,43(1):54-56.3刘旭,朱宗玖,杨明亮.基于小波包与隐马尔可夫的矿井提升机主轴故障诊断J.煤炭技术,2022,41(1):214-216.4熊璐,杨兴,冷搏,等.无压力传感器下的电子液压制动系统轮缸液压力控制J.同济大学学报(自然科学版),2020,48(8):1199-1207.5李东民,朱士明,赵元志,等.煤矿钻机自动防卡钻电液控制系统研究J.重庆大学学报,2022,45(2):114-124.6张梅,胡雪雪.矿井提升机节能运行的行程控制方法J.工矿自动化,2021,47(2):75-79+108.作者简介：毋为虎（1981-），山西泽州人，工程师，本科，研究方向：煤矿井下机电智能化.责任编辑：刘宝胜收稿日期：20220916153