矿山提升机液压控制系统的改进设计.pdf

第 3 O卷第 3期 2 0 0 9年 3月 煤矿机械 Co a l Mi n e Ma c h i n e Vo 1 ． 3 O No ． 3 Ma r ．2 0 o 9 矿山提升机液压控制系统的改进设计 杨保国 。梅瑛 中原工学院 信息商务学院， 郑州 4 5 0 0 0 7 摘要 针对现有矿山用提升机控 制机构及提升机构液压 系统进行分析 ， 设计一种泵控 电液 速度伺服控制 系统并对主系统进行改进 ， 增加 了补油冷却 系统 ， 提 高了系统的效率， 也提 高了速度 的稳 定性 。 关键词 提升机 ；液压 系统 ；伺服 系统；变量泵；马达 中图分类号 T D 5 3 4 文献标志码A 文章编号 1 0 0 3 0 7 9 4 2 0 0 9 0 3 0 1 4 0 0 3 M a i n S y s t e m I mp r o v e m e n t a n d Pr o p e r t i e s An a l y s i s o f Hy dr a u l i c El e v a t o r Co n t r o l S y s t e m YANG Ba og uo，M EI Yi ng I n f o r ma t i o n B u s i n e s s A ff a i r s C o l l e g e ， Z h o n g y u a n I n s t i t u t e o f T e c h n o l o g y， Z h e n g z h o u 4 5 0 0 0 7 ， C h i n a Abs t r a c t Th e c ha r a c t e r i s t i c s a n a l y s i s h a s b e e n ma d e a c c o r d i n g t o p r e s e n t h y d r a ul i c e l e v a t o r s u s e d i n mi n e c o n t r o l me c h ani s m an d t h e l i f t i n g me c h a n i s m．A k i n d o f p u mp c o n t r o l l e d l i q u i d v e l o c i t y s e r v o c o n t rol s y s t e m h as b e e n d e s i g n e d an d i mp r o v e d t h e ma i n s y s t e m．Th e n e w d e s i gn n o t o n l y a d d e d t h e f e e d o i l c o o l i n g s y s t e m ，b u t a l s o i n c r e a s e d the e ffi c i e n c y a n d t h e v e l o c i t y s t a b i l i t y o f the s y s t e m． Ke y wo r d se l e v a t o r；h y d r a u l i c s y s t e m ；s e r v o s y s t e m ；v a r i a b l e p u mp；mo t o r 1 提升机构液压传动系统分析设计 液压提升机具有液压传动与电控式提升机的众 多优点而广泛应用于矿山斜井作提升或下放人员 、 物料的主要设备 ， 液压提升机的提升绳系与电控式 提升机的提升绳系完全一样 ， 而其驱动系统则为全 液压系统 ，即变量液压泵控制定量液压马达的大功 k 提升不均匀系数 ， 取 k 1 ． 1 ； 提升能力富余系数 ， 取 k 1 ． 0； 提升一钩运行时间， 取 T 2 1 2 ． 1 s ／ 次 。 根据委托可知年排矸量为 7 1 ． 5万 t ， 改造后实 际绞车年排矸能力为 7 0 ． 3万 t 。 3． 4轨 道 峒内 41 0 0 m 3 8型轨道与上方 4 3型轨道轨 形不一致， 并且年久磨损超限， 需更换 ， 其他不变。 3 ． 5钢 丝 绳 由原 6 7一 4 ． 5 m m增大为 6 7一 t O 2 6 m m。 由于钢丝绳直径增大， 绞车滚筒衬木需更换 ， 需 2套 耐磨塑质衬木。沿途各托绳轮 由原 O 0 m m变为 O 0 mm。 3 ． 6绞 车 电控 系统改造 绞车电控系统 由原 T K D系统 改造为全数字矿 井提升机四象限智能高压转子变频调速 电控系统 。 电机不变 ， 其他电控部分及高压柜全部更换 。 4应用及效益情况 系统改造后 ， 矸石山排矸能力将达到 7 0 ． 3万 t ／ ／ a ， 基本满足矿井生产发展需要 ， 为矿井的长远发展 提供保障。 1 应用情况应用后 ， 排矸能力 明显增大 ， 由 现场统计改造前月排矸能力为 3万 t ， 改造后月排矸 能力增至 5万 t 。新箕斗车运行正常 ， 无故障。 2 社会效益矸石 山排矸 能力 的提 升， 解 决 了制约矿井由年产 3 0 0万 t 向 5 0 0万 t 发展中存在 的瓶颈问题 ， 为提高产量和获得 长远经济效益做出 了积极贡献。 3 经济效益2 0 0 7年矿井原煤产量为 3 3 0万 t ， 2 0 0 8年预计完成 3 6 0万 t ， 新增原煤产量 3 0万 t， 增收 节支 总额约 1 2 0 0万元 ； 经济效益总额达 7 0 0 万元 。 作者简介 黄颖辉 1 9 6 8一 ， 河南 禹州人 ， 副教授 ， 1 9 9 0年 7月 毕业 于焦作矿业学院矿山机械专业 。现平顶山工业 职业技术学院从 事教学 和科研工作。电子信箱 y h h u a n g 6 6 6 s i n a ． c o rn． ．．． 1 4 0 ．- - 收稿 日期 2 0 0 81 1 0 4 第3 0 卷第3 期 矿山提升机液压控制系统的改进设计杨保国， 笠 _ V o 1 ． 3 0 N o ． 3 率时变负载液压主回路 ， 而不同的控制 回路控制则 有不同控制效果和性能。 1 ． 1 现有提升机液压系统控制结构特点 现有提升机系列产 品为全液压传动与控制结 构， 其液压系统的组成 、 工作原理基本相同， 其 中核 心部分是液压驱动控制系统。 系统为由变量液压泵一定量液压组成的液压驱 动容积调速系统。控制回路特点 1 由司机操作减压式 比例控制 阀向变量控制 系统的比例油缸输入信号 ， 改变变量泵的斜盘倾角 大小 ， 改变液压泵输出流量的大小和方向， 进而改变 液压马达的速度大小和旋转方 向， 实现对提升箕斗 或罐笼的升降。司机的操作方式方法 、 动作的连贯 性对速度的稳定性影响很大， 这就严重影响了提升 机运行效率 、 速度稳定性和乘坐舒适性。因此 由提 升机司机凭借工作经验来控制 液压提升机提升速 度、 加速度的大小 ， 显然是不科学的。 2 这类变量系统输 出的流量能随外部负载变 化而变化 ， 即提升机液压驱动系统是一个变负载的 时变大功率系统。由于变量液压泵的容积效率随系 统工作压力的升降而变化 ， 使泵的输出流量随负载 变化， 从而得不到精确的流量控制。这是任何液压 机械的共性问题。 3 由于主系统是双向变量泵与双向变量马达 组成的闭环系统 ， 在连续运转的过程中， 油的温度升 高， 黏度下降， 使系统内泄漏增大， 造成速度不稳定。 同时， 补油泵在油路中仅仅起补油作用 ， 其效率几乎 为零， 这是能源的浪费。 1 ． 2改进后提 升机 液 压 系统一 泵 控 电液 速度 伺服 控 制 系统 结构特 点 1 泵控电液速度伺服回路液压工作原理 图 1为泵控式电液速度伺服回路工作原理图。 提升机构液压传动系统由双 向变量泵 5 、 双向定量 液压马达 l 3 、 安全阀 溢流阀 组 7、 补油单 向阀组 6 、 三位四通液控换 向阀 1 1和背压阀 溢流阀 1 2构 成的背压控制回路组成闭式油路 ， 通过改变变量泵 5的排量对液压马达 6进行调速。 提升机速度控制系统中变量泵的排量调节通过 电液伺服阀 2和双出杆双作用一斜盘倾角液压缸 3 组成的阀控式电液伺服机构 经常附设在变量泵的 内部 的位移调节来实现。在负载与指令机构间设 有测速电动机 速度传感器 l 5 ， 从而构成一个闭环 速度控制回路。当输入指令信号后， 控制液压源 4 的压力油经电液伺服阀 2向双杆液压缸 3供油， 使 液压缸驱动变量泵的变量机构在一定位置下工作； 另外系统中的补油泵不但 向系统补油， 也肩负了系 统的冷却。其工作原理是 补油泵 l 4通过补油单向 阀组 6向闭环回路中的低压油路 中补油 ， 高压侧单 向阀关闭， 低压侧单向阀打开， 进入油泵。当闭环回 路中高 、 低两侧的压差大于一定值时三位 四通液控 换向阀 1 1在压差的作用下变换到相应的工位 ， 使背 压阀 溢流阀 1 2与低压油路接通 ， 将部分工作过的 高温油从背压阀 溢流阀 1 2流回油箱， 使闭环系统 中的温度降低 ， 提高了系统的效率 ， 节约了能源。 图 1 泵 控 式 电液 速 度 伺服 回路 1 ． 伺服放大器2 ． 电液伺服阀3 ． 双杆液压缸4 ． 电液伺服阀供 油系统5 ． 双向变量泵6 ． 补油单向阀组7 ． 安全阀 溢流阀 组 8 ． 梭阀9 ． 压力表1 0 ．压力表开关I 1 ． 三位四通液控换向阀 1 2 ． 背压 阀 溢流 阀 1 3 ．双 向定量液压马达1 4 ． 补油泵 1 5 ． 测速电动机 速度传感器 1 6 ．位置传感器 2 变量液压泵控制定量液压马达系统特性 图 2所示变量液压泵控制定量液压马达系统 中， 溢流阀 7 起 限压作用， 在系统正常工作状态下 ， 处于关闭状态， 此时无溢流。因此， 变量泵输出的液 流全部进人液压马达 。 即 qb g 当不考虑回路的容积效率时， 马达的速度 n 与 变量泵的排量 的关系为 訾 ㈩ 式 1 表明 因马达的排量 不变 ， 当变量泵 的转速 n 不变， 则马达的转速 n 与变量泵的排量 成正 比， 是一条通过坐标原点的直线 ， 如图 2中曲线 1 所示。实际上 回路 的泄漏是不可避免的， 在一定 负载下 ， 需要一定流量才能启动和带动负载。所以 实际的 n 与 的关系如实线所示。 一 l 4l 一 圉 2 变量泵定量液动机窖积调速 回路特性 曲线 1 ． 理论曲线2 ． 实际曲线3 ． 4 ． n 3 系统特性分析 Vo 1 ．3 0 N o ． 提升 液压控制系统的改进设计杨保国， 等 第3 0 卷第3 期 泵控式电液速度伺服回路方块图如图 3 。 伺摄放大器 l ⋯ ⋯l l_⋯ -- I I l L 一 _ J l f l L - 速度传感器卜 _ j 图 3 泵控式 电液速度伺服回路方块 图 液压马达的输出速度 ∞由测速电动机检测 ， 同 时转换为反馈信号 ， 与输入指令信号相比较， 得出的 偏差信号来控制电液伺服阀的阀口开度 ， 从而使变 量泵的变量机构一斜盘倾角保持在设定值附近， 使 变量泵的排量基本不变， 最终保证液压马达 1 3在希 望的转速值附近工作。位置传感器 1 6构成 内部反 馈环节 ， 把液压缸 3的位移量信号传送到伺服放大 器 1 ， 伺服放大器与指令信号 比较后的误差信号经 放大器放大后 ， 其偏差电压经放大器放大后变为电 流信号， 去控制电液伺服阀， 电液伺服阀输 出的压力 油到液压缸 ， 液压缸推动液压泵的斜盘转动改变斜 盘倾角 ， 改变 马达 的供 油流量 ， 从 而控制马达的转 速。系统 中没有 了人为的因素 ， 从而提高系统 的控 制精度。 4 液压伺服控制系统供油回路 在液压提升机液压控制系统中， 溢流阀 1 是控 制系统压力的关键元件， 溢流阀的稳态特性对控制 系统的性能影响较大 ， 在液压控制系统 中采用调压 偏差为零的溢流阀可显著改善系统特性。 图 4提 升机控 制系统局部原理图 I ． 溢流阔2 ． 二位三通 电磁换向阀3 ． 减压阀4 ． 液压泵 控制系统局部原理如 图4所示 ， 溢流阀 1的作 用是调整控制系统压力 ， 该压力值 由制动器所需压 力决定 ， 减压阀 3的出口接伺 服阀 P 口， 控制液压 泵的伺服变量机构， 由伺服变量机构控制变量泵输 出流量的方 向和大小， 从而控制提升机的升降及速 度。为了使制动器的响应时间可控 ， 以便使提升机 起动 、 松闸协调动作 ， 希望油泵的出口压力保持为定 值。在提升机恒速运行时 ， 伺服阀关闭， 流经减压阀 3支路 的流量为零 ， 主系统 中主供油变量柱塞泵的 斜盘倾角不便 ， 全部流量从溢流阀溢流 ， 当改变提升 机的提升速度时， 流经减压阀支路有流量通过 ， 仍有 一 部分流量从溢流阀溢流， 在起动提升机时 ， 制动器 由制动状态变为松闸状态， 电磁换向阀 2通电， 泵输 出的一部分油液通过阀 2进入制动系统 ， 此时流经 减压阀 3支路也有流量通过 ， 余下的流量仍然从溢 流阀溢流。因此在提升机整个工作过程中， 溢流阀 总是开启的， 溢流阀起定压作用 ， 但通过溢流阀 l 的 流量依据提升机运行状态而变。 控制系统中的溢流阀采用 G型兀桥溢流阀，G 型兀桥溢流阀液阻网络为先导控制回路的溢流阀， 很容易实现调压偏差为零， 即溢流 阀的控制压力与 溢流量无关。将该溢流阀应用在提升机控制 系统 中， 当改变提升机运行工况时 ， 虽然流经溢流阀的流 量发生变化 ， 但泵出口压力保持不变 ， 有利于提高控 制系统效率和改善控制系统品质。 2结语 1 提升机控制系统 的最大压力由松闸压力决 定 ， 采用 G型兀桥溢流阀 ， 系统压力降低的现象发 生 ， 因此溢流阀整定压力可降低。同时 ， 泵的斜盘倾 角不变 ， 马达的输出速度保持一定值。 2 改进液压传动系统控制 回路中， 补油泵不 但向系统补油 ， 也肩负了系统的冷却 ， 提高了系统效 率 ， 也提高了速度的稳定性。 3 马达的工作压力取决于负载转矩的大小， 提升机在升降过程中， 负载是一定的， 因此， 泵 、 马达 的工作压力 高压 回路 p ， e o n s t ， 泵 的吸油 口、 马 达的回油压力 P 由背压阀 1 2 见图 1 控制 ， 因补油 泵 l 4向系统补油 ， 背压阀 1 2阀口常开溢流 ， 起定压 作用， 所以P e o n s t 不变， 马达的输 出转矩 理论 上是恒定的， 与变量泵的排量 无关 。但实际上由 于泄漏和机械摩擦等的影 响， 也存在一个 “ 死区” 。 这是导致提升机启制动时低速度不稳定的一个主要 原 因。 参考文献 [ 1 ] 彭佑多．液压提升机发展 中须解决 的若 干技术问题 [ J ] ． 煤炭科 学技术， 2 0 0 1 7 ． [ 2 ] 彭佑多．提 高液 压提升 机速度 特性 的几 种伺 服控 制方 案 比较 [ J ] ． 液压与气动 ， 2 0 0 1 1 2 ． [ 3 ] 张 利平． 液 压控 制 系统 及设 计 [ M] ． 北 京 化 学 工业 出版 社 ， 2 0 0 6 ． 6 ． [ 4 ] 樊瑞． 液压技 术[ M] ． 北京 纺织工业 出版社 ， 1 9 9 9 ． [ 5 ] 路 甬祥． 液压气动技术手册[ K] ． 北京 机械工业出版社 ， 2 0 0 2 ． 作者简 介 杨保国 1 9 6 4一 ， 河 南郑州人 ， 副教授 ， 主要从 事机 械设计的科研和教学工作． 一 l 4 2 一 收稿 日期 2 0 0 81 1 2 0