提升机运行速度的数字控制.pdf

2 0 0 3年第 5期 煤 矿 机 械 2 7 文章编号 1 0 0 3 ． 0 7 9 4 2 0 0 3 0 5 ． 0 0 2 7 ． 0 3 提升棚 运行 蘧度硇数字控毒 明 丁继斌 ．贾传 圣 徐州师范大学 工学院 ，江苏 徐州 2 2 1 0 1 1 摘要 分析 了老 式矿 井提 升机 运行 速 度控 制 中存 在 的 问题 ， 充 分 利 用脉 冲 编码 器 、 P L C、 工 控机 等 新技 术 ， 进行 了提 升机 运行 速度 的数 字化控 制研 究 ， 并 在煤 矿 生产 实践 中得到 了充分 的验证 和 肯 定。 关键 词 脉 冲 当量 ；P L C ；速 度 图 ；包络 线 ；低 频拖 动 中图号 T D 5 3 4 T P 2 7 3 文献 标 识码 A 1 引言 矿井提升机运行速度图是表示提升设备的运行 速度按 时 问变化 的规 律 。老 式矿井 提 升机 的运行 速 度 图如 图 1 所示 。由图 中可 知 t ， 为加 速 阶段 ， t 为 等速运行阶段 ， t 为减速阶段 ， t 为低速爬行阶段 ， t 为抱闸停 车阶段 ， 为休止阶段。老式矿井提升 机运行速度属于模拟量开环控制。实际生产 中它存 在着 以下 几个 方 面 的 问题 1 下 放重 物 时 ， 加 速 阶 段司机操作不 当时， 容易造成飞车事故； 2 等速 阶 段 只有 1 5 ％ 的过 速保 护 ， 继 电器为 J T 3 1 1电磁 式 继电器 ， 动作值难以进行精确整定 ， 运行 中受环境振 动 、 弹簧疲劳等因素影响， 动作参数容易变动 ； 3 煤 矿 现场 的 自动减 速装 置是装 在深 度指示 器上 的机 械 触点 式开 关 。在煤 矿 生产 实 践 中 ， 由 于钢 丝 绳 的滑 动、 蠕动、 受力伸长等因素会造成减速点滞后动作； 4 如果深度指示器断轴、 齿轮对 卡塞、 减速机构失 灵等， 都将造成 提升机不能 自动减速。如 司机未能 及时发现并立 即采取措施 ， 将会造成全速过卷事故； 5 传统提升机在井 口停罐时 ， 一次对罐不准确 ， 需 要 二次送 电对罐 ， 高 压 电机 启 动 对 电 网产 生 冲击 的 同时增加 了能耗 ； 6 老式提升机 的运行速度 ， 操作 司机难 以控制 ， 司机 在操 作 中紧 张疲 劳而 且 容 易 出 事故 。 图 1 矿井提升机运行速度图 Fi g． 1 M i l l e ho i s tmo v e v e l o c i t y 针 对 以上 问题 ， 必 须 彻底 改 进 提升 机 运行 速度 图 ， 因此 提 出并 研 制 了提升 机运行 速度 的数 字控 制 。 2提 升机 运行 速度 的数 字控 制 2 ． 1数 字控 制技 术 数字控 制 N u m e ri c a l C o n t r o 1 ， 简称 N C ． 是近代 发展起来的一种 自动控制技术。数字控制是相对模 拟控制而言， 数字控制系统中的控制信息是数字量 ， 而模拟控制系统 中的控制信息是模拟量。 数 字控 制 系统 有如下 特 点 1 用不 同的字长表示不同精度 的信息 ， 表达信 息 准确 ； 2 可以进行逻辑运算 、 数字运算 ， 可以进行 复 杂的信息处理 ； 3 由于有逻 辑 处理功 能 ， 可根 据 不 同的指 令进 行不同方式的信息处理 ， 从而可用软件来改变信息 处 理 的方式 或过 程 ， 而不 改 动 电路 或 机械 机构 ， 从 而 使 机械 设 备具有 “ 柔 性” 控 制 功能 。 2． 2提 升机 运行 速度 数 字控制 的构 成 控制系统主要由研华工业控制机及 V B编制而 成的计算机监控 、 管理 、 操作平 台； P L C和 C F r软件 编制而成的控制中枢； D P B一5 5 0 ／ 1 5 0型全数字交 一 交变频 、 低频电源 ； 高压换向系统 ； 由真空接触器组 成的起动柜； 司机操作台几部分组成 见图 2 。 T 3 8 0 固圈 砸壶圃一 ．．1 一 接触 器 厂 起动 6 0 0 0 f 塑亟圃I 巫画 砸固I 图 2 提 升机运行速度数字化控制 系统构 成图 F i g． 2 D i g i c o n t r o l s y s t e m c o mp o s i n g丘 g．o f wi nd i n g ma c hi n e mo v e v e l o c i t y 系 统 的工作 原理 井 口装 矿完 毕 ， 计量 装置 给 出 开车信 号 ， 系统 起动 运行 ， 起 动时 问 由 P L C设 定。 编码器检测出提升高度及运行 速度送人 P L C ． 同时 功率检测系统测量出负荷重量送人 P L C 。P L C根据 负荷大小计算 出减速信号 ， 高压电机脱离电网 ， 同时 维普资讯 ．2 8 ． 提升机运行速度的数字控制 丁继斌 ， 等 2 0 0 3年第 5期 低频投 入进行 低频 制动 ， 制 动速度 及制 动力 矩 由 P L C给 出 。当 速度 达 到 0． 5 m／ s时 ， 低 频 装 置 转 入 拖动爬行 。到停车位后 P L C发 出停车信号停车 ， 停 车后延时 1 s ， 罐笼 自动拉出至卸矿位 置， 自动卸矿 。 卸矿完毕 ， 罐笼 自动拉回垂直位置 ， 垂直延时 1 s系 统起 动运 行 。 提升机运行全过程的速度控制 由 P L C 、 计算 机 全数字化 自动控制。 2 ． 3提升 机数 字化 控制 速度 图 如 图 3所 示 ， 在 正 常情况 下 ， 提升 机运行 在 设定 曲线 上 。 全 程 速 度 由 P L C通 过 D ／ A数 模 转 换 器 给 定 。一但运行速度超 过给定速度 ， 工作 闸将 自动贴 闸皮。贴闸皮的松紧程度取决于运行速度和保护速 度的差值 ， 运行速度愈接近保 护速度 闸皮则贴得愈 紧， 迫使提升机运行速度按设定速度运行 。在特殊 情况下 ， 若运行速度大于或等于保护速度， 系统将执 行程序停机 ， 使提升机 实现安全 自动停车。该套 系 统实现了提升机全程包络线数字化控制 ， 在 P L C计 算机控制下实现全 自动运行方式 ， 不需要任何人工 干预 。 Fi g一 3 M j ne h o i s t d i gi t aI c on t r o l v e l o c i t y 2 ． 4脉 冲 当量 、 运行 速 度和运 行 高度 的计算 1 脉冲当量的计算 脉冲当量 是指轴脉冲编码器输出一个脉冲提升 机所经过的行程 ra m ， 是所有参 数设置 的基础 。 ①根据滚筒直径计算 1 O 0 0 r r D／ i k 1 式 中 D滚筒直径 ， m； ￡ 减速器传动比； 脉冲编码器每圈的脉冲数。 ②根 据 提升总 高度 计算 i O 0 0 H ／ n 2 式 中 提 升总高 度 ， m； n 总的脉冲数。 一 般来说 ， 首次进行参数设置时 ， 要根据滚筒直 径计算脉冲当量。在提升机运行几个全程后 ， 根据 系统 自动测量的提升高度总脉冲数 ， 再按照式 2 计 算脉冲当量 ， 并对计算机 中的脉冲 当量参 数进行修 正。当滚筒衬垫磨损较多， 或切削摩擦衬垫时 ， 应按 式 2 对脉冲当量进行校正。 2 提升机运行速度 的计算 3 n l ， 1 O 0 0 A t 3 式 中 n ． 单位时间内的脉冲个数 ； △t 计算机计量脉 冲的一个单位时间。 根据式 3 可以计算出提升机实际运行速度与速 度图中的设定曲线相比较， 来确定提升机的控制方式。 3 提 升高度 h的 计算 h 3 n I 1 0 0 0 式 中 n 计算机已检测到的脉冲个数 。 计算机根据计算 出的高度， 确定 自动减速点 、 过 卷保护是否动作 、 2 m／ s 限速保护的投入等 ， 并最 终 确定提升机在井 口的准确停车。 2． 5全 数 字 交一 交变频低 频 电源 全数字交一交变频低频拖动装置是矿井提升机 的配套设备， 主要用于交流提升过程的减速段制动 ， 爬行阶段拖 动。该装置采用高档先进 的 1 6位单 片 机 实 现全 数字 控制 ， 是 目前 国内独 有 的全数 字 、 无 噪 音 的无 环 流静 止式 变频装 置 。 2 ． 6脉 冲编 码 器断线 和丢 脉 冲保 护 编码器是本系统最重要的检测元件 。当发生断 线或丢脉冲时 ， 要立即采取保 护措施。编码器保 护 分 软 件保 护 和硬件保 护。 软件保护的根据是提升机运行时间， 可以自行计 算 出单位时间内的脉冲数与检测到的脉冲数并且相 比较， 若接近或相当， 则说明脉冲编码器运行正常。 L L 一 感 应 开 关 中 断 信 弓 U [ j U编 码 器 脉 冲 数 图 4脉冲编码器保护 Fi g． 4 Pu l s e c o de r pr o t e c t 硬件脉冲编码器保护措施如图 4所示 ， 编码 器 保护采用中断技术 ， 可实现全程保护 ， 编码器脉冲输 入到计数器， 在编码 器轴上， 装一 凸轮， 并 安装一 个 感应开关 ， 感应开关信号输入到中断模块 ， 电机每转 一 转 ， 编码器 输出 n 。 个脉 冲， n 。 是 由编码器型 号 来确定的 ， 中断模块 中断一次， 一个 中断脉冲对 应 n 。个编码器脉冲。若编码器脉冲小于 n 。 ， 即编码器 出现故障。 3结 语 C K1 9型全数字矿井交流提升机控制系统 ， 以计 算机、 P L C和全数字控制器为核心 ， 配备先进的检测 系统 ，实现 了矿井提升机的全数字包络线运行速度 维普资讯 2 0 0 3年第 5期 煤 矿 机 械 2 9 留 问恿 探讨 田 文章编号 1 0 0 3 0 7 9 4 { 2 0 0 3 0 5 ． 0 0 2 9 0 3 构件疲劳破坏的数值模拟分析 * 徐 尚龙 ．爵河 。王 晓丽 西安科技学院 ， 陕 西 西安 7 1 0 0 5 4 摘要 简单介绍 了基 于有限元分析结果进行疲劳 寿命估算的基本理论和思路 。 运用 A N S Y S 程序对一典型构件进行有限元数值模拟 。 得到应力强度 因子 ， 并进行 了疲劳寿命估算。得 出不同裂 纹长度的应力强度 因子幅值 、 裂纹扩展率和疲劳寿命。分析 结果与用解析法的计算结果基本相近 ， 同 时体现了有限元法在构件疲劳寿命评估和“ 损伤容限” 设计领域的优越性和可靠性。 关键词 有限元 ；疲劳寿命 ；A N S Y S 中图号 0 2 4 2 ． 2 1 T G 1 1 1 ． 8 文 献标 识码 A 1 引言 大量工程实践表明， 疲劳是造成煤矿机械构件 破坏最主要的原因， 一方面由于局部应力集中， 在循 环载 荷作 用下 局 部 塑性 变 形 并 积 累 ， 形 成 裂 纹导 致 断裂。另一方面 ， 许多工程构件 ， 由于各种原 因， 比 如腐蚀坑、 锻造缺陷、 焊接裂纹、 表面划伤、 非金属夹 杂等在长期交变应力作用下生成疲劳裂纹 ， 并发生 疲 劳裂纹 扩展 ， 最终 导致 突 发 性 断裂 事 故 。 目前 采 用 的静强 度 设 计 和 疲 劳 设 计 大 都 假 定 构 件 是 完 整 的， 而利用数值模拟技术进行表面裂纹的萌生 、 扩展 等作详细的研究还不常见n 】 。 对于疲劳寿命估算 ， 由于缺陷分布往往是随机 的。 缺陷尺寸和部位也是变化的 ， 再加上残余应力作 用 ， 在作损伤计算和寿命预测时 ， 不可能对每一缺陷 基金项 目 陕西省教育厅专项科研基金资助项 目 0 1 J K 2 1 7 部位的应力应变进行理论分析 和实际测量 ， 用名义 应力法估算疲劳寿命会 出现较大的误差。要提高疲 劳寿命估算精度通常用局部应力代替名义应力。有 限元法的应用 ， 即可方便地求出各处的应力应变 ， 以 及缺 口根 部 的应 力 应 变 场 强 度 ， 并 在 此 基 础 上 利 用局 部应 变法 进行 断裂 疲 劳分 析 。 本文 借助有 限元 软 件 A N S Y S ， 对 含 表 面 裂 纹 典 型构件进行有 限元数值模拟 ， 主要探讨了基于 A N ． S Y S计算程序的疲劳裂纹扩展阶段寿命估算方法。 2疲劳 分析 的基本 思 路 疲劳分析的最终 目的是要确定结构件的疲劳寿 命 ， 要计算疲劳寿命必须有精确的载荷谱 ， 材料特性 或构件的 ．S 一 Ⅳ曲线 ， 合适 的累积损伤理论和裂纹 扩展理论等。疲劳寿命估算的主要步骤 1 根据载 荷和几何结构计算 中的应力应变历史计算动态应力 应变响应 ； 2 建立合理的损伤模型 ； 3 利用该应力 应变响应结合材料性能参数和损 伤 模 型计 算 疲 劳 控制 ， 实 现 了矿井 生产 的智 能化 控制 和管 理 。具 有 全 自动化 操作 的功 能 ， 不 需要 人 工 干 预 ， 安 全 性 好 ， 运行 稳定 ， 噪 音小 等优 点 。多 个 矿井 2 a多 的运行 除 充分显示上述优点外 ， 还显示出维修费用低， 维护方 便 。仅节能一项 2 a 可回收设备投资 ， 具有 良好的性 能价格比。深受矿 山现场技术人员和广大操作及维 修工人的好评 。 参考文献 [ 1 1 贾传圣 ． 矿井提升机综合预防过卷措 施f J 1 ． 矿 山机械 ， 2 0 0 1 ． 8 4 04 1 ． [ 2 ] 贾传圣 ． 提升机新型 自动减速装置 的研究 与应用 [ J ] ． 煤炭科学 技 术 ， 2 0 0 1 ， 1 2 3 63 7 ． [ 3 ] 中国矿业学院 ． 矿井提升设备[ M] ． 北京 煤炭工业 出版杜 ． 1 9 8 0 ． 作者简 介丁继斌 1 9 6 6一 ， 江苏徐州人 ． 工程师 、 讲 师 ， 1 9 8 9年 毕业 于西安公路学 院汽 车工程专 业 ， 现 在江苏理 工大学攻 读机械 制 造 及其 自动化 方 向硕士 学位 ， 主要从 事机 械制 造和 自动控 制工 作 ．T le 】 O 5 l 67 7 0 6 3 1 9． 收稿 日期 2 0 0 2 ． 0 9 1 2 Nu me r i c a l c o n t r o l 0 f I n 0 v e f o r wi n d i n g ma c l l i n e DI NG J i b i n。 J I A Ch u a n s h e n g E n g i n e e r i n g C o l l e g e o f X u z h o u N o r m a l U n i v e r s i t y 。 X u z h o u 2 2 1 0 1 1 。 C h i n a Ab s t r a c t I n t h i s p a p e r 。 b y a n a l y z i ng t h e p r o b l e m i n t h e c o n t rol o f o l d mi n e h o i s t mo v e v e l o c i t y。 a n d f u l l y u t i l i z i n g n e w t e c h n o l o g y。 l i k e p u l s e c o d e r 。 P LC。 i n d u s t r i a l c o n t rol ma c h i n e 。 e t c． 。 e n u me ric al c o n t r o l r e s e a r c h o f wi n di n g ma c h i n e mo v e v e l o c i t y wa s d o n e。 an d i t i s f u l 1 i t wa s f ul 1 v a l i d a t e d a n d a ffi r me d i n t h e c o a l mi n e p r o d u c t i o n p r a c t i c e． Ke y wo r d s i mp u l s e e q u i v a l e n t ；P LCv e l oc i t y p l a n；n e v e l o p e l i n e；l o w f r e q u e n c y d rag 维普资讯