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鮑店礦摩擦式提升機(jī)恒減速緊急制動(dòng)控制與速度分析


導(dǎo)讀

 

為進(jìn)一步探究摩擦式提升機(jī)緊急制動(dòng)時(shí)存在的安全隱患,以鮑店煤礦副井西車(chē)為研究對(duì)象,首先分析了西車(chē)恒減速制動(dòng)及 PID 控制原理,建立西車(chē)恒減速制動(dòng)系統(tǒng)傳遞函數(shù),從制動(dòng)系統(tǒng)傳遞函數(shù)框圖得出,固有頻率和阻尼比的適當(dāng)選取,對(duì)制動(dòng)系統(tǒng)的響應(yīng)速度和振蕩性能有重要影響。其次,現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行緊急制動(dòng)測(cè)試,結(jié)果表明:重載上提工況制動(dòng)初期減速度按預(yù)設(shè)值下降,之后減速度出現(xiàn)較大振蕩波動(dòng),隨后趨向平穩(wěn);重載下放工況制動(dòng)初期減速度沒(méi)有按預(yù)設(shè)值減小,反而增大,減速度呈近似正弦曲線(xiàn)波動(dòng)且振幅較大。最后,基于振蕩減速現(xiàn)象,分析了減速度振蕩曲線(xiàn)產(chǎn)生的機(jī)理,并給出了影響振蕩減速波動(dòng)的因素。

 

近年來(lái),隨著煤礦開(kāi)采深度、提升速度的增加,安全事故也隨之增多。礦山提升設(shè)備以及安全保障措施發(fā)展迅速,然而在提升運(yùn)輸期間,安全事故依舊屢屢出現(xiàn)。大多數(shù)事故的發(fā)生及其影響程度與提升機(jī)制動(dòng)系統(tǒng)故障或制動(dòng)方法不當(dāng)有直接關(guān)系。礦井提升機(jī)的緊急制動(dòng)減速度是衡量其制動(dòng)系統(tǒng)性能和響應(yīng)速度的重要標(biāo)準(zhǔn)之一。減速度的大小直接關(guān)系到提升機(jī)發(fā)生故障時(shí)能否快速、可靠、平穩(wěn)地制動(dòng)。盤(pán)式制動(dòng)器作為影響提升機(jī)安全運(yùn)行的關(guān)鍵部件,當(dāng)?shù)V井提升機(jī)在提升或下降過(guò)程中發(fā)生故障時(shí),緊急制動(dòng)系統(tǒng)會(huì)立即啟動(dòng),迅速切斷電源,電液比例閥控制系統(tǒng)回油,盤(pán)式制動(dòng)器則立即進(jìn)行緊急制動(dòng),使閘瓦迅速貼合。提升機(jī)運(yùn)行的安全保障主要有調(diào)速和制動(dòng)兩個(gè)方面,其中調(diào)速主要依靠電控系統(tǒng),制動(dòng)則依靠制動(dòng)系統(tǒng)。恒減速制動(dòng)系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于摩擦式提升機(jī),避免因緊急制動(dòng)減速度過(guò)大而造成滑繩等重大安全事故的發(fā)生。

隨著鮑店煤礦提升機(jī)工作量的加大,其緊急制動(dòng)系統(tǒng)安全狀況變得十分重要。在煤礦生產(chǎn)中,由于提升機(jī)經(jīng)常在低速、重載以及多振動(dòng)的特殊工況下工作,導(dǎo)致制動(dòng)系統(tǒng)可能會(huì)因?yàn)槎喾N原因發(fā)生故障。為了盡可能排除提升機(jī)在緊急制動(dòng)時(shí)存在的安全隱患,進(jìn)行了緊急制動(dòng)測(cè)試。測(cè)試結(jié)果表明,緊急制動(dòng)時(shí)速度曲線(xiàn)并不是按照預(yù)先設(shè)置的減速度值下降,而是呈現(xiàn)減速振蕩波動(dòng),存在較大的安全隱患,影響提升安全。所以本研究針對(duì)恒減速制動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行分析,為進(jìn)一步探明提升機(jī)緊急制動(dòng)速度振蕩波動(dòng)提供基礎(chǔ)。

1 提升機(jī)制動(dòng)減速度要求及控制原理

1.1 恒減速制動(dòng)減速度要求

為確保起重運(yùn)輸貨物時(shí)的人員安全和作業(yè)安全,規(guī)定制動(dòng)減速度如表1 所列。

表1 立井及傾斜井緊急制動(dòng)減速度取值

式中:az 為自然減速度;β 為井巷傾角,(°);為繩端載荷的運(yùn)行阻力系數(shù)。

1.2 恒減速制動(dòng)控制原理

鮑店煤礦副井西車(chē)恒減速緊急制動(dòng)時(shí),采用的控制器為 PLC,型號(hào)為 PLCS7-400,傳感器采集到提升機(jī)的實(shí)時(shí)減速度值后,與預(yù)設(shè)的理論減速度值進(jìn)行比較,通過(guò)電液比例閥控制制動(dòng)油壓。恒減速制動(dòng)原理如圖1 所示。

                                                                                                              圖1 恒減速制動(dòng)原理示意

1.3 提升機(jī)液壓制動(dòng)控制系統(tǒng)

鮑店煤礦副井西車(chē)液壓站采用了西瑪格液壓盤(pán)式制動(dòng)系統(tǒng)及其配套的電制動(dòng)控制系統(tǒng)。其中一套系統(tǒng)負(fù)責(zé)工作運(yùn)行,另一套系統(tǒng)則作為備用,以應(yīng)對(duì)可能出現(xiàn)的故障或維修需求。液壓制動(dòng)原理如圖2 所示。

                                                                         圖2 液壓制動(dòng)原理

1.油箱;2.過(guò)濾器;3.電動(dòng)機(jī);4.液壓泵;5.溢流閥;6.單向閥;7.電液比例換向閥;8.蓄能器;9.液壓缸;10.油壓傳感器。

鮑店煤礦液壓站設(shè)計(jì)為采用雙恒減速制動(dòng)機(jī)制,以確保在緊急情況下能夠迅速且平穩(wěn)地停止設(shè)備運(yùn)行。當(dāng)安全回路因故觸發(fā)跳閘保護(hù)時(shí),系統(tǒng)會(huì)立即響應(yīng),自動(dòng)關(guān)閉電動(dòng)機(jī)以及換向閥,從而切斷主電源,并啟動(dòng)恒減速制動(dòng)流程。

2 提升機(jī)制動(dòng)系統(tǒng)傳遞函數(shù)建立

2.1 PID 概述

在機(jī)械控制領(lǐng)域,PID 控制是應(yīng)用最廣泛的算法之一。它引入反饋機(jī)制來(lái)準(zhǔn)確捕獲偏差信號(hào),以偏差信號(hào)作為控制,實(shí)現(xiàn)被控對(duì)象的精確控制,構(gòu)成高效、靈活的控制策略。PID 控制原理如圖3 所示。

                                                                         圖3 PID 控制原理

2.2 電液比例閥傳遞函數(shù)建立

電液比例方向閥是提升機(jī)制動(dòng)液壓系統(tǒng)的關(guān)鍵元件,兼有流量控制和方向控制兩種功能,其控制原理如圖4 所示。

                                                                  圖4 電液比例換向閥控制原理

電液比例閥通過(guò)電反饋信號(hào)與傳感器測(cè)量的主閥值位移變化,形成閉環(huán)控制 (見(jiàn)圖5)。位移傳感器將主線(xiàn)圈位移信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào),然后與輸入控制信號(hào)進(jìn)行比較。最后送至比例放大器的輸入端。

                                                                      圖5 提升機(jī)制動(dòng)系統(tǒng)速度閉環(huán)控制

式中:mv 為滑閥組的質(zhì)量,kg;xv(t) 為滑閥隨時(shí)間變化的位移,mm;Bv 為閥芯與閥套間的摩擦因數(shù);Bf為滑閥芯的動(dòng)態(tài)阻尼系數(shù);Kf 為液動(dòng)力的等效剛度,N/mm;Pf 為滑閥控制油壓力,MPa;Fi 為任意負(fù)載力,N;Cd 為流量系數(shù);Cv 為速度系數(shù);W 為閥的面積梯度,mm;L 為閥芯位移;θ 為射流角。

系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為

電液比例換向閥電壓-位移傳遞函數(shù)為

式中:Kb 為比例換向閥位移增益;ωnh 為比例換向閥固有頻率;ξnh 為比例換向閥阻尼比。

2.3 提升機(jī)緊急制動(dòng)系統(tǒng)傳遞函數(shù)建立

通過(guò)分析恒減速制動(dòng)原理,建立摩擦提升機(jī)緊急制動(dòng)傳遞函數(shù)框圖,進(jìn)一步確定影響制動(dòng)系統(tǒng)的響應(yīng)速度、振蕩性能的相關(guān)參數(shù)。

盤(pán)式制動(dòng)器活塞受力的平衡方程為

式中:Ah 為活塞有效工作面積,mm2;P 為液壓腔壓力,MPa;xh 為碟形彈簧位移,mm;x0 為碟形彈簧預(yù)壓縮量,mm;mt 為活塞驅(qū)動(dòng)質(zhì)量,kg;Bt 為活塞的速度阻尼系數(shù);Kt 為碟形彈簧剛度,N/mm。

電液比例閥對(duì)盤(pán)式制動(dòng)器傳遞函數(shù)的控制流程如圖6 所示。

                                                       圖6 電液比例閥控制制動(dòng)器傳遞函數(shù)

根據(jù)圖6,得到電液比例閥閥芯位移和制動(dòng)器充油腔壓力 P 為輸出的傳遞函數(shù):

式中:Klw 為電磁比例閥的流量-位移增益;ωz 為慣性環(huán)節(jié)轉(zhuǎn)折頻率,rad/s;ωh 為比例閥控液壓缸固有頻率,rad/s;ξh 為比例閥控液壓缸阻尼比。

由式 (9) 可知,隨著 ωz 的增大,系統(tǒng)的響應(yīng)在低頻區(qū)域的幅值減小。ωh 越大,系統(tǒng)的高頻響應(yīng)越明顯,在高頻下,系統(tǒng)可能更容易發(fā)生振蕩或不穩(wěn)定。阻尼比 ξh 對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和響應(yīng)特性有重要影響。增大 ξh,會(huì)使系統(tǒng)更加“平滑”,減小振蕩;減小 ξh,會(huì)使系統(tǒng)在接近共振頻率時(shí)更容易發(fā)生振蕩,導(dǎo)致系統(tǒng)的響應(yīng)過(guò)慢。因此,頻率 ωzωh 和阻尼比 ξh 對(duì)系統(tǒng)的響應(yīng)速度和穩(wěn)定性有重要影響。

綜上所述,鮑店煤礦提升機(jī)制動(dòng)系統(tǒng)速度反饋調(diào)節(jié)傳遞函數(shù)如圖7 所示。

                                                            圖7 提升機(jī)制動(dòng)系統(tǒng)速度閉環(huán)傳遞函數(shù)

分析圖7 可知,當(dāng)速度調(diào)節(jié)信號(hào)輸入時(shí),系統(tǒng)存在偏差,若偏差過(guò)大,則會(huì)影響提升機(jī)制動(dòng)系統(tǒng)的制動(dòng)性能,嚴(yán)重影響提升安全;要使制動(dòng)系統(tǒng)具有高的動(dòng)態(tài)性能指標(biāo),需要選擇合適的阻尼比和固有頻率。提高固有頻率可以提高制動(dòng)系統(tǒng)的響應(yīng)速度,增大阻尼比可以降低制動(dòng)系統(tǒng)的振蕩性能,減少制動(dòng)系統(tǒng)的超調(diào),但會(huì)增加上升時(shí)間和峰值時(shí)間。所以,要使制動(dòng)系統(tǒng)偏差減小,具有滿(mǎn)足制動(dòng)系統(tǒng)的響應(yīng)速度,應(yīng)該減小制動(dòng)系統(tǒng)超調(diào)量,提高制動(dòng)性能。

3 提升機(jī)緊急制動(dòng)測(cè)試與分析

對(duì)鮑店煤礦副井西車(chē)進(jìn)行提升機(jī)緊急制動(dòng)測(cè)試,配合工作人員將相關(guān)儀器安裝在對(duì)應(yīng)位置,分別測(cè)試重載上提和重載下放工況。副井西車(chē)緊急制動(dòng)重載上提、重載下放速度曲線(xiàn)如圖8 所示。

                                                           圖8 不同工況下的速度曲線(xiàn)

如圖8(a) 所示,當(dāng)以最大運(yùn)行速度制動(dòng)時(shí),重載上提的速度曲線(xiàn)出現(xiàn)“振蕩波動(dòng)”。在 95.0~95.3 s 時(shí),制動(dòng)減速度不斷減小,在重載上提時(shí),重物自然減速度大于控制系統(tǒng)給定值,使得速度正常減小;95.3~95.5 s 時(shí),“速度閉環(huán)”系統(tǒng)在發(fā)出減速信號(hào)后,液壓站的響應(yīng)時(shí)間滯后,導(dǎo)致速度沒(méi)有在規(guī)定時(shí)間內(nèi)減??;95.5~97.0 s 時(shí),制動(dòng)減速度時(shí)大時(shí)小,這是由恒減速制動(dòng)系統(tǒng)存在的控制精度誤差和液壓系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間滯后,共同作用形成的。

如圖8(b) 所示,在 32.00~32.18 s 時(shí),制動(dòng)減速度沒(méi)有按照預(yù)期下降,反而變大,原因主要有兩方面。首先,緊急制動(dòng)時(shí),制動(dòng)初期盤(pán)式制動(dòng)器與制動(dòng)盤(pán)之間的間隙沒(méi)有消除,導(dǎo)致閘瓦貼向制動(dòng)盤(pán)動(dòng)作不及時(shí),造成制動(dòng)初期減速度值偏離預(yù)設(shè)值,速度超調(diào)量過(guò)大,進(jìn)而影響整個(gè)恒減速制動(dòng)系統(tǒng)的閉環(huán)控制;其次,重載下放時(shí),重物的慣性力導(dǎo)致制動(dòng)減速度加大。32.18~32.30 s 時(shí),速度傳感器檢測(cè)到制動(dòng)減速度過(guò)大,超出預(yù)設(shè)值,控制系統(tǒng)進(jìn)行速度調(diào)節(jié),使制動(dòng)減速度減小。32.30~34.30 s 時(shí),由于盤(pán)式制動(dòng)器性能較差,彈簧回彈不足,導(dǎo)致制動(dòng)油回流速度慢,“抱閘”作用時(shí)間延長(zhǎng),而總緊急制動(dòng)時(shí)間為固定值。制動(dòng)后期,制動(dòng)力矩過(guò)大,如果制動(dòng)減速度較大,則速度會(huì)產(chǎn)生劇烈振蕩;之后,減速度趨于穩(wěn)定,直至為零。

為進(jìn)一步探明導(dǎo)致緊急制動(dòng)減速度產(chǎn)生振蕩波動(dòng)的因素,在提升機(jī)緊急制動(dòng)時(shí),分別測(cè)試運(yùn)行速度CH3 為 4 m/s 重載上提和重載下放工況的油壓 CH1和閘瓦偏擺 CH2,具體結(jié)果如圖9 所示。

 

                                                              圖9 多通道信號(hào)緊急制動(dòng)測(cè)試結(jié)果

如圖9(a) 所示,提升機(jī)在緊急制動(dòng)前,閘瓦偏擺有輕微波動(dòng),屬于正?,F(xiàn)象,緊急制動(dòng)瞬間,在95.00~95.20 s 閘瓦偏擺變化較大,之后趨于穩(wěn)定。油壓在 95.00~95.10 s 內(nèi)迅速減小,制動(dòng)力達(dá)到最大值,彈簧帶動(dòng)活塞移動(dòng),閘瓦貼向制動(dòng)盤(pán),對(duì)制動(dòng)盤(pán)施加制動(dòng)力矩,使提升機(jī)減速。減速度在 95.00~95.25 s 不斷減小,油壓在 95.25 s 升高,之后的減速時(shí)間,油壓的大小隨著減速度的變化而變化,減速度為 0,油壓迅速下降,但油壓不會(huì)下降為 0,油液不會(huì)全部排回油箱,部分油液存在于制動(dòng)系統(tǒng),隨著緊急制動(dòng)次數(shù)的增加,制動(dòng)系統(tǒng)內(nèi)的殘余油液變多,嚴(yán)重影響制動(dòng)性能。圖 9(a)、(b) 相似,油壓和閘瓦偏擺都是可能造成減速度振蕩的重要因素。

結(jié)合測(cè)試結(jié)果,在緊急制動(dòng)階段,重載下放工況鋼絲繩動(dòng)張力較大,重載上提鋼絲繩動(dòng)張力小,主要是由于罐籠在重載上提和重載下放的慣性力方向不同,導(dǎo)致制動(dòng)減速度變化也不同。鋼絲繩動(dòng)張力

式中:F1 為重載下放側(cè)鋼絲繩動(dòng)張力,N;F2 為重載上提側(cè)鋼絲繩動(dòng)張力,N;a 為制動(dòng)減速度。

由式 (10)、(11) 可知,提升機(jī)緊急制動(dòng)在上提、下放時(shí),罐籠及重物質(zhì)量和重力加速度是確定的,鋼絲繩動(dòng)張力不斷變化,制動(dòng)減速度也隨之變化。提升和下放的載荷越大,張力波動(dòng)越大,進(jìn)而制動(dòng)減速度波動(dòng)也越大。此外,隨著提升容器載重和制動(dòng)減速度的變化,PID 控制的相關(guān)參數(shù)也要變化,保證恒減速制動(dòng)時(shí),閘盤(pán)能迅速貼合制動(dòng)盤(pán),便于改善制動(dòng)初期減速度振蕩波動(dòng),進(jìn)而保證提升安全。

對(duì)制動(dòng)減速度產(chǎn)生“振蕩減速”現(xiàn)象進(jìn)行分析,給出可能使鮑店煤礦副井西車(chē)減速度產(chǎn)生振蕩波動(dòng)的因素。

(1) 空動(dòng)時(shí)間長(zhǎng)。緊急制動(dòng)信號(hào)發(fā)出后,閘瓦在貼合制動(dòng)盤(pán)的過(guò)程中延誤了較長(zhǎng)時(shí)間,造成調(diào)速滯后,減速度值無(wú)法及時(shí)控制。

(2) 殘壓過(guò)高。恒減速緊急制動(dòng)時(shí),油液不能全部排回油箱,有部分會(huì)留在液壓系統(tǒng),隨著緊急制動(dòng)次數(shù)過(guò)多,殘余油液在制動(dòng)系統(tǒng)增多,導(dǎo)致殘壓升高。殘壓的高低將直接影響松閘合閘的快慢,從而引起制動(dòng)失效。

(3) 制動(dòng)盤(pán)偏擺,導(dǎo)致制動(dòng)力不能全部施加在制動(dòng)盤(pán)上,制動(dòng)力矩不是恒定值,減速度值無(wú)法得到有效控制。

(4) 盤(pán)式制動(dòng)器液壓缸中的碟形彈簧在頻繁制動(dòng)時(shí),由于超出其疲勞極限,會(huì)出現(xiàn)失效現(xiàn)象,進(jìn)而導(dǎo)致制動(dòng)力減小。

(5) 電磁比例閥的磁滯效應(yīng),導(dǎo)致不能及時(shí)輸入制動(dòng)力,進(jìn)而使減速度沒(méi)有按照預(yù)期下降。

(6) 制動(dòng)盤(pán)和閘瓦的摩擦因數(shù)太大或者太小,都會(huì)影響提升機(jī)的制動(dòng)性能。

4 結(jié)論

(1) 建立了鮑店煤礦副井西車(chē)傳遞函數(shù),適當(dāng)選取電液比例閥的固有頻率和阻尼比,可以提高制動(dòng)的響應(yīng)速度,減小系統(tǒng)的振蕩性能。

(2) 緊急制動(dòng)瞬間,重載上提工況減速度按預(yù)期下降,這是由于重物的自然減速度大于預(yù)設(shè)值,所以提升機(jī)正常減速。重載下放工況減速度先增大,沒(méi)有按照預(yù)設(shè)值下降,這是由于空動(dòng)時(shí)間過(guò)長(zhǎng),貼閘不及時(shí),加之重物在下放過(guò)程中產(chǎn)生慣性力,兩者共同作用形成的。制動(dòng)系統(tǒng)的響應(yīng)速度滯后,導(dǎo)致減速度呈近似正弦波曲線(xiàn)振蕩減速。

(3) 由于影響鮑店礦副井西車(chē)提升機(jī)恒減速緊急制動(dòng)減速度振蕩波動(dòng)的因素較多,筆者僅是基于制動(dòng)減速度產(chǎn)生的波動(dòng)現(xiàn)象,結(jié)合恒減速制動(dòng)特性對(duì)減速度波動(dòng)進(jìn)行分析。空動(dòng)時(shí)間、殘壓過(guò)高、閘瓦偏擺、盤(pán)式制動(dòng)器蝶形彈簧的失效等可能是減速度振蕩波動(dòng)的影響因素,這為進(jìn)一步探究緊急制動(dòng)減速度振蕩波動(dòng)提供了參考。

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