提升機制動系統(tǒng)數(shù)字閥研究

1、提升機制動系統(tǒng)數(shù)字閥研究    摘要：礦井提升機的制動裝置直接影響到提升機的正常工作和安全，液壓盤式制動器采用傳統(tǒng)的制動調(diào)節(jié)方式，制動力調(diào)節(jié)不準確、液壓系統(tǒng)復雜和低可靠性。提升機制動系統(tǒng)采用數(shù)字控制，提高了制動系統(tǒng)的準確性和可靠性。通過對制動系統(tǒng)的實驗、建模、仿真分析和控制等研究，為機制動系統(tǒng)數(shù)字閥進一步設計提供理論依據(jù)。關(guān)鍵詞：制動系統(tǒng)，數(shù)字閥，仿真，控制，研究一、前言礦井提升機的制動裝置（簡稱制動器），是提升機一個非常重要的組成部分，直接影響到提升機的正常工作和安全。我國卷筒直徑2m以上的提升機均采用以液壓松閘彈簧作制動的盤式閘制動器。盤式制動系統(tǒng)的

2、主要特點是閘瓦不作用于制動輪，而是作用在制動盤上。它是礦井提升機上的一種新型制動器，用蝶形彈簧作制動力源，反應速度快，因此煤礦安全規(guī)程規(guī)定，它的制動空行程時間不得超過0.3S，比油壓制動器0.6S要短。盤式制動器的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)緊湊，閘的副數(shù)可根據(jù)需要靈活增減，我國目前生產(chǎn)的礦井提升機全都采用盤式制動系統(tǒng)。二、制動原理及控制方式制動器由幾組油缸裝置組成，每個油缸裝置由支架油缸體、蝶形彈簧、活塞、制動瓦等零件組成。當有壓力油充入時，通過活塞壓縮蝶形彈簧，同時推動制動瓦離開制動輪盤，形成松閘狀態(tài)。當卸壓時，油壓不斷下降，制動瓦塊在彈簧力的作用下，壓向制動輪盤達到制動目的。制動力的變化是根據(jù)油壓的改變而

3、改變的，當油壓力為零時，提升機處于全制動狀態(tài)。由此可見，提升機制動系統(tǒng)油壓的變化起著至關(guān)重要的作用，其靈敏度和準確度直接決定著制動力的大小，進而關(guān)系到提升機的安全穩(wěn)定運行。我國目前生產(chǎn)的液控盤式制動系統(tǒng)，其調(diào)壓部件是由溢流閥與噴嘴擋板系統(tǒng)組成的電液調(diào)壓裝置。其作用是根據(jù)提升機的實際制動力矩，限定最大工作油壓，即定壓和調(diào)壓。這種傳統(tǒng)的制動調(diào)節(jié)方式，需要配以復雜的液壓回路和各種電液閥的協(xié)調(diào)動作來實現(xiàn)工作制動力矩的調(diào)節(jié)和緊急制動時產(chǎn)生二級制動。這勢必帶來制動力調(diào)節(jié)的準確性和液壓系統(tǒng)的復雜性和低可靠性。三、提升機的計算機控制提升機制動系統(tǒng)采用數(shù)字控制，接口部件就是數(shù)字式調(diào)壓閥。從而去掉復雜的液壓回路，

4、可以提高制動力調(diào)節(jié)的準確性和制動的可靠性。數(shù)字式調(diào)壓閥（簡稱數(shù)字閥）實現(xiàn)了計算機對液壓執(zhí)行機構(gòu)的直接數(shù)字控制，而無需中間環(huán)節(jié)，并可以將參數(shù)給定、數(shù)據(jù)顯示、記錄等集中在一起，使系統(tǒng)操作方便，控制容易。數(shù)字閥的應用是提升機全數(shù)字化的一個重要組成部分。就目前掌握的資料情況來看，數(shù)字閥要應用于礦井提升機，至少還存在以下幾方面問題：對于控制閥芯式數(shù)字閥，它利用控制閥芯的轉(zhuǎn)動或軸向移動來控制節(jié)流口開口量，這種閥結(jié)構(gòu)較復雜，尺寸要求嚴格，存在加工困難。對于噴嘴擋板式數(shù)字閥，它利用步進電機控制擋板位置，其重復精度及抗污染能力差。目前的數(shù)字閥大都使用個人計算機或單片機控制，在電機頻繁啟停，大量使用繼電器的提升機

5、工作現(xiàn)場，干擾嚴重，導致步進電機不能正常運行。本論文試圖對現(xiàn)有提升機液壓制動系統(tǒng)的調(diào)壓閥進行分析，建立起比較完備的靜動態(tài)數(shù)學模型，完善數(shù)字閥的設計理論，并初步確定數(shù)字閥的結(jié)構(gòu)形式和控制方案，為數(shù)字閥的進一步設計研究提供一些理論依據(jù)。四、提升機調(diào)壓閥系統(tǒng)實驗提升機調(diào)壓閥系統(tǒng)實驗采用JTP一12型小型提升機，液壓系統(tǒng)如圖1所示，調(diào)壓閥系統(tǒng)實驗原理如圖2所示，提升機液壓站的最大工作油壓5.4Mpa；最大輸油量為99Lmin；工作液體采用40號稠化液壓油。圖1液壓站系統(tǒng)原理圖1郵箱；2電動機；3電夜調(diào)壓閥；4、5、9、13電磁閥；6網(wǎng)式過濾器；7葉片泵；8燒結(jié)過濾器；10綜合閥；11壓力表；12單向閥

6、；14壓力繼電器圖2調(diào)壓閥系統(tǒng)實驗原理主要儀器：位移傳感器ZZF6型電渦流式位移振幅傳感器；壓力傳感器CYZ型高輸出壓力傳感器；型號發(fā)生器1250頻率響應分析儀；數(shù)據(jù)采集裝置EPC2000型便攜式工業(yè)計算機，配有PCL818HD采集卡A/轉(zhuǎn)換。通過實驗得到調(diào)壓閥的靜、動態(tài)響應曲線如圖3、所示。圖調(diào)壓閥靜態(tài)特性實驗曲線                       

7、60;                       圖調(diào)壓閥動態(tài)特性實驗曲線實驗數(shù)據(jù)經(jīng)過整理、取舍、并結(jié)合靜態(tài)仿真數(shù)據(jù)，確定調(diào)壓系統(tǒng)動態(tài)模型辨識數(shù)據(jù)。時間=00.3（s），步長0.003（s）；節(jié)流口面積階躍輸入=2.3mm2，（=0），=5mm2，（>0）；壓力=0，0.0013，0.0164，4.0956，3.9852，4.0340（Mpa），共100個采樣點。通過M

8、ATLAB語言編制程序?qū)σ陨蠈嶒灁?shù)據(jù)作傳動函數(shù)模型辨識，辨識結(jié)果如下：=-.0015，0.513，-5.9715，25.8045；A=-.0001，0.0013，0.4147，3.9，14.3314；即調(diào)壓閥的傳遞函數(shù)辨識模型為：五、數(shù)字閥式調(diào)壓閥設計與分析計算機對電液控制系統(tǒng)進行實時控制，用數(shù)字信息直接控制閥，數(shù)字閥可直接與計算機接口，不需要D轉(zhuǎn)換器。增量式數(shù)字壓力閥組成：步進電機驅(qū)動機構(gòu)及先導閥組成的先導級和功率級主閥。數(shù)字閥先導級的設計：數(shù)字閥從步進電機的轉(zhuǎn)動輸入到數(shù)字閥的壓力輸出，必需要有合適的機械結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)這種轉(zhuǎn)換。對于溢流閥而言，機械轉(zhuǎn)換機構(gòu)主要考慮三個方面的性能，即響應速度、線性

9、度和復位靈活性。針對這三點要求，采用節(jié)流機構(gòu)孔交叉式節(jié)流機構(gòu)。它具有以下特點：1、結(jié)構(gòu)原理簡單，采用旋轉(zhuǎn)閥芯式，省去了角位移向直線位移的轉(zhuǎn)化環(huán)節(jié)；2、步進電機和旋轉(zhuǎn)閥芯采用剛性聯(lián)接，因此在響應速度和復位靈活性方面完全取決于步進電機，不存在機械滯后問題；3、采用兩個矩形孔道交又旋轉(zhuǎn)節(jié)流方式，可以充分保證閥芯角位移與節(jié)流面積變化問的線性關(guān)系。其結(jié)構(gòu)原理如圖5所示。圖5孔交叉式節(jié)流機構(gòu)功率級主閥設計：溢流閥主閥的設計己有了比較完整的設計理淪與方法，作為數(shù)字式溢流閥的設計可參照普通溢流閥的進行，在此不再贅述。值得一提的是溢流閥采用二級同心式溢流閥，優(yōu)點是工藝性好，加工精度和裝配精度容易保證，結(jié)構(gòu)簡單，

10、通用性、互換性好。因此，數(shù)字閥的設計應考慮選用二級同心式。步進電機的動態(tài)特性分析：步進電機步距角與齒數(shù)，拍數(shù)之間均存在如下關(guān)系：所以轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為步進電機帶負載時運動方程式中步進電機的步進角速度；步進電機的轉(zhuǎn)矩；負載阻轉(zhuǎn)矩；步進電機的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量；負載轉(zhuǎn)動慣量；步進電機的加速轉(zhuǎn)矩，帶入轉(zhuǎn)速公式得：式中總的轉(zhuǎn)動慣量對于具體的步進電機和給定負載的情況下，可以求出電機的最大啟動頻率和最大穩(wěn)定運行頻率。在該頻率范圍內(nèi)，步進電機每得到一個輸入電脈沖都句以準確地旋轉(zhuǎn)一個步距角，從而帶動數(shù)字閥實現(xiàn)壓力調(diào)節(jié)。步進電機及其通常所配的斬波式驅(qū)動電源具有很小的重復誤差，而且?guī)缀醪皇軠囟鹊挠绊懀虼藬?shù)字閥具有比比例閥更高

11、的重復精度，另外，數(shù)字閥的滯環(huán)誤差也小于比例閥，一般在1以下，而比例閥的滯環(huán)誤差一般在27之間。這主要是因為步進電機的滯環(huán)遠小于比例電磁鐵的滯環(huán)?？梢?，數(shù)字閥的許多優(yōu)于其他液壓閥的性能都來源于步進電機及其驅(qū)動電路的性能，所以步進電機及其控制系統(tǒng)動態(tài)性能的研究應該成為數(shù)字閥研究的重要內(nèi)容。數(shù)字閥的動態(tài)模型及計算機仿真：數(shù)字閥的結(jié)構(gòu)框圖如圖6所示圖6數(shù)字式調(diào)壓閥系統(tǒng)框圖由于步進電機的動態(tài)向應時間常數(shù)要遠遠小于溢流閥，因此在近似動態(tài)特性分析中，可以把步進電機的傳遞函數(shù)寫為：式中步進電機轉(zhuǎn)角；輸入脈沖數(shù)；步進電機轉(zhuǎn)距，對于40齒，三相六拍工作方式為1.5°。對于節(jié)流機構(gòu)孔交叉式節(jié)流機構(gòu)，節(jié)流

12、閥芯轉(zhuǎn)角與節(jié)流口面積之間的關(guān)系為：式中節(jié)流口全開面積；調(diào)壓閥的傳遞函數(shù)辨識模型為：因此，根據(jù)傳遞函數(shù)、得到數(shù)字式調(diào)壓閥系統(tǒng)傳遞函數(shù)框圖為：圖7數(shù)字式調(diào)壓閥系統(tǒng)傳遞函數(shù)框圖在MATLAB環(huán)境中，調(diào)用（）函數(shù)對作單位階躍仿真，結(jié)果如下。圖8數(shù)字閥動態(tài)響應計算機仿真曲線圖中所示為數(shù)字閥系統(tǒng)在步進電機接受一個脈沖信號時的輸出壓力響應清況。由圖可以得到：上升時間tr=0.07s，最大超調(diào)量Mp=4%，調(diào)整時間tp=0.15s。仿真結(jié)果顯示，該模型的各項性能指標基本符合提升機制動系統(tǒng)的調(diào)壓要求。六、提升機數(shù)字控制系統(tǒng)提升機制動裝置對提升機系統(tǒng)的穩(wěn)定、安全運行起著至關(guān)重要的作用，提升機數(shù)控制動系統(tǒng)的組成部分

13、如圖9所示。圖9提升機數(shù)控制動系統(tǒng)步進電機驅(qū)動電路：采用VMOS高頻恒流斬波驅(qū)動電路。該電路解決了雙級型晶體管因二次擊穿而造成的故障，提高了可靠性，采用脈寬調(diào)制PWM技術(shù)，將斬波頻率固定在1520z，解決了電機鎖定時的電磁噪聲問題，同時伺服驅(qū)動系統(tǒng)各繞組參數(shù)趨于致，且不依賴于電機繞組中的電感參數(shù)。數(shù)字閥的計算機控制：其核心仍然是對步進電機的控制。步進電機的控制包括定時、步進（脈沖分配）功能、方向和步數(shù)控制、升降頻率控制等問題?？刂浦饕腥齻€重要參數(shù)，即轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)角和轉(zhuǎn)向。步進電機采用PLC控制，由于步進電機的轉(zhuǎn)動是由輸入脈沖信號控制，所以轉(zhuǎn)速是由輸入脈沖信號的頻率決定，而轉(zhuǎn)過的角度有輸入脈沖信號的脈沖個數(shù)決定，轉(zhuǎn)向由環(huán)形分配