液压防爆提升机发展面临的问题.pdf

2 0 0 1 年第 9期 煤 矿 机 械 韭 韭 。 墓专题 综谜 文章编号 1 0 0 3 - 0 7 9 ,,1 2 0 0 1 0 9 0 0 1 ． 0 4 液压防爆 提升机发展面 临的问题 彭佑多 ．张永忠 ．刘德顺 ．郭迎福 ．陈艳屏 1 ． 湘潭工 学院 机 电学院 ，湖南 湘潭 4 1 1 2 0 L 2 中国矿业大学 机电学院 ，江苏 徐洲 2 2 1 0 0 8 3 ． 株州谋矿机械厂 ，湖南 株州 4 1 2 0 0 0 摘要简要介绍了液压防爆提升机的技术特点， 指出并分析了液压防爆提升机进一步发展 蕾领加以研 究和解决的层位精度问题和乘 坐舒适性 问题 ， 为液压防爆提升机的进一步研 究提供一 定的理论依 据 。 关键词 液压防爆提升机 技术特点 ；控制分析 中图号 I T 5 3 4 ． I 文献标识码 A 1 引言 液 压防爆 提 升机 与 电控 式 防爆 提 升机 相 比 ， 存 在噪声较大、 效率较 低、 可靠性相对较差等不足 ， 但 其具有液压传动与 电控式提升机的众多优点 ， 如体 积小、 结构紧凑、 安装灵 活、 操作 简单及 良好 的防爆 性能、 良好的容积调速和恒扭矩输出特性 ， 因而广泛 应用于煤矿井下作提升或下放人员、 物料的主要设 备。在金属矿山及其他工程领域作非防爆 提升设备 也得到一定程度的推广应用。 本文简要介绍液压防爆提升机的技术待点与市 场前景， 指出并分析 丁液压防爆提升机进一步发展 须加以研究和解决的层 位精度和乘坐舒适性 问题 ． 为液压防爆提升机的进一步研究提供一定的理论依 据。 2 液压防爆提升机的技术特点 液压防爆提升机主要有全液压传动液压提升机 和液压～机械传动提升机两大类 全液压传动液压 提升机工作愿理如 图 l 所示 ， 它是 利用 鼠笼式 防爆 电动机 1 ， 双 向变量液压泵 2 ， 曲线低速大扭矩液 压 马达 3组成闭式 回路， 液 压马达直接与滚筒 4联接 拖动提升机运转 ； 液压一机械传动液压提升机 [ 作 原理 如 图 2所 示 ， 它 是 利用 鼠笼式 防爆 电动 机 l 带 动双向变量液压泵 2和高速液压马达 3组成 闭式回 路 ， 液压马达经行星齿轮减速器 4与提升滚筒 5联 接拖动提升机运转 ． 两者滚筒的正 、 反向运转依靠改 变液压泵输出液流的方 向来完成 ， 提升机的转速大 小由改变液压泵输入液压马达油量大小来调节 圈 1 全液压传动提升机工作原理 F i g ． 1 W o r k i n g p r i n c i p l e o f d r a u l i c J n n d e r l 电机2 主液压象3 随压马达4 蒗 崎 _ 姐 I．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 一 J 图2 液压一机械传动提升机工作原理 F i g ． 2 W o r k i ng p tS n c | p l e o l h y d r a u l i c m i d me c h a n k w i n n d e r 1 电机2 ． 主浓上 E 泵3 ． 1艟压马选4 减速器5 藩 筒 从控制理论角度来讲 ， 液压防爆提升机液压系 统是典型的非线性、 变载荷、 变参数的系统， 而乘坐 舒适性和较高的运行工作效率 又对其 位置控 制精 度 、 速度、 加 减 速度控制指标提出了较高的要求。 到 目前为止， 防爆液 压提升机控制系统 主要是容积 调速控制 ， 电液比例控制和电液伺服控制方式正处 于 研究和 试验 阶段 液压防爆提升机 由于采用液压传 动， 减少 r产 生电火花的元件， 空载直接启动 ， 完全由液压系统实 现调速 ， 电气控制设备简单， 便于实现防爆， 安全可 靠性好 ， 液压系统传递动力均匀平稳， 而且通过液压 变量泵能实 现无级变速 。 启动换向平稳 低速运转性 能好 ， 电控防爆提升机在 启动和低速提升时电阻器 消耗能量 ， 在低速重载下放B 寸 靠制动摩擦来实现谰 速。而液压提升机调速时元电阻器消耗电能， 且在 下放重载时向电网反馈电能。液压提升机不象电控 提升机那样频繁启动电动机 ， 与同功率 的电控防爆 提升机相 比， 结构简单 ， 体积小 ． 占用 硐室小 ， 运输 、 安装费用低 ； 安全保护设施齐全。 3 液压防爆提升机面临问题浅析 3 ． 1层位 控 制精度 液压提升机的层位控制精度是指提升箕斗或罐 笼在升降过程中要迅速 、 准确， 而不是靠 司机一次或 多次微动操作才能停稳在各要求位置 5 0 n m ， 层位控制精度与液压提升机的控制方式、 泵控马达 液压驱动系统特性、 主轴装置及提升钢丝绳绳系特 性等诸多因素有关， 在 主轴装置及提升钢丝绳绳系 特性一定的情况下， 主要取决于液压提升机控 制方 式与液压驱动系统的输出特性 ； 液压驱动系统是一 臼 一 维普资讯 煤 矿 机 械 2 0 0 1 年第 9期 个变量泵控制定 量液压马达的速度控制 回路 ， 液压 提升机的位置精度可以采用时间设计法和行程设计 法， 时问设计法是指在提升容器接近某个层位时， 输 入指令控制液压马达使提升箕斗或罐笼在规定的时 间内到达层位并停车 ； 行程设计法是指 规定液压 提 升机开始减速至停车层位的距 离， 即控制液压马达 使提升箕斗或罐笼减速运动规定行程到达层位并停 车 。 如图 3所示 ， 由变量液压泵一定 量马达及 液压 泵变量控制系统组成 的液压驱动系统 ， 司机操作减 压式 比例控制阀向变量控制系统的 比例油缸输入一 逐渐变化的压力油 ， 比例油缸 活塞位移控 制伺服阀 阀芯位移， 伺服阀又通过差动油缸控制摆动缸体 ， 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． 进丽改变液压马达 的速度大小和旋转 方 向， 实现对提升箕斗或罐笼的升降。 图 3 液压驱动 系统 ng ． 3 O t r ml 0 f h y d r a u 】 j c s y a n n 液压提升机 开始减速至停车过程 中， 司机根据 深度指示器的指示 ． 操作减压式 比例控制阀． 由大至 小改变变量泵的斜 盘倾 角直至为 0 ， 使输 入液压马 达的液压油流量按一定规律逐渐减小， 此时液压马 达的旋转速度也按相应规律减小． 实现对提升箕斗 或罐笼的减速后停车。因此 ， 其层位控制精度是一 种距离控制法。液 压提 升机 的提升 容器 在不 同水 平、 不同负载的情况下 ， 若提升司机输入相 同信号的 情况下 ． 液压驱动系统液压马达的减速度能按同一 规律变化， 雨深度指示器的指示深度也绝对准确 ， 则 层位精度也能得到较好保证。 因此， 此时液压提升 机的层位精度问题就转化为液压驱动系统的速度精 度控制问题。 而实际上 ， 液压提升机的变量泵采用常用的伺 服变量机构一位置直接反馈 比例排量调节 系统， 这 类变量系统输出的流量能跟随输入信号一 减压式 比 例阀闻芯位移作连续 比例变化 ， 但提升机液压驱动 系统是一个大功率时变负载、 时变粘度液压系统 ， 变 量液压泵的容积效率随系统工作压力的升降及液压 油的粘度变化而变化， 即液压泵的输出流量受负载 及油温的影响 ， 加之液压油 的可压缩 性、 管道 的弹 性 、 液压元件的泄漏等因素的影响 ， 从而使输入液压 马达的流量得不到精确的控制 ， 液压马达的输 出速 度难 以得到精确量 ； 又 由于液压驱动系统 没有构成 马达速度控制大 闭环 见 图 2 ， 不能形成速度负反 馈。因此， 液压马达输出转速也就难以得到精确控 制； 雨通过主轴装置、 提升钢丝绳绳系后提升箕斗或 罐笼的瞬态运行速度． 更难以达到预设速度要求， 从 雨提升箕斗或罐笼层位精度得不到精确控制。即使 在同水平或不同水 平但等距离水平之间升降运行， 若负载不 同， 即使指令完全一样 ， 也难 以精确停稳在 要求层位上， 只能靠 司机一次 或多次微动操作才可 能保证， 这就严重降低 了液压提升机的运行工作效 率。 假设 1 忽略液压泵、 液压马达回路问 的管道 损失 ； 2 埔E 压泵、 液压马达及泵的变量控制系统 的 泄漏为层流； 3 操作控制系统为恒压油源 ； 4 液压 马达 回油背压恒定 ， 只有高压侧压力变化 。 据此可得泵一马达 回路的动态方程。 泵一 马达回路的流量方程 一P， 孥 J 式 中 泵的排量梯度； 泵的转速； P I 泵、 马达高压腔压力； 日 马达转角 ； 油液等效容积弹性模量； 泵变量机构摆角； D 马 达排量 ； c ． 泵 一 马达 回路 总 的流量 泄漏 系数 ； ％泵 一 马达回路中的高低压管路的总 容积 。 马达 的力 矩平衡方 程 村 D 仙警 G I T 2 式中 ， r一 马达与负载折算到马达轴上的总的转 动 惯量 ； c 负载扭转弹簧刚度； 【 _一 折算到马达输出轴上的负载力矩 ； B 。 马达与负载折算到马达轴上的粘性摩 擦系数。 设制动 闸在提升机减速行驶 过程 中不进行 制 动 ， 只实现停车后 制动， 将式 1 、 式 2 作拉 氏变 换 ， 消去中问变量， 在忽略诸多因素 ， 如变量机构斜 盘位置系统、 泵 一 马达系统 的扭转弹性、 粘 性摩擦 等情况下 ， 并考虑开始减速的零时刻为初始条件 ， 即 0 棼一 蠢 ，P I0 T L t得 到 液 压 马 达 的 输出角速度 的传递 函数 维普资讯 ■ 2 0 0 1 年第 9期 煤 矿 机 械 s 盏 s 卜 幽 r 必 、． D D 一 D D 罢 s l ’ ∞ ∞ 。 J t V 1 f n k p j c t s 3 、 D 一 。 sJ sI 式中O J 泵 一 马达回路液压固有频率， ／ 口 D J ． ； e 泵 一 马达回路液压阻尼比， 一 ／ ． 一 2 D V o ’ ， 减压式 比例阀阀芯位移； 油泵斜盘位置系统 比例系数。 由式 3 可知这是一个 典型的衰减振荡系统 ， 和 为其 2 个特征量 。 式中第 2 、 第 3 项是与输入 无关的初始项 ， 它们的时域响应是衰减振荡 ， 即 一 c c 一 s i n 甜 √ _ 二 _ 一a r c 一 r 旦 。 上 r 旦 也 虫 、 1 。 fl D ～, o D 一 s √ I 4 √ l 一 当振荡一定时间后 ， 逐渐衰减为 0 ， 也就是说提 升机减速过程中， 泵 一 马达驱动系统输出总是存在 振荡 ， 这不仅会引起钢丝绳、 提升卷筒及液压马达的 附加负荷 ， 而且液压驱动系统输出停 车信号后 ， 提升 容器因钢丝绳弹性影响必定要振荡～定时间后才能 停稳。 对提升层位精度的快速性有影 响。 另外 ， 即使在提升钢丝绳特性一定的情况下， 液 压提升机开始减速准备停车 时， 司机根 据深度指示 器的指示 ， 操作减压式比例控制阀向系统发出停车 指令， 实质上其层位精度控制是一种距离控制法 ， 由 于深度指示器所指示 的深度误差和提升 司机手动操 作的误差， 若把提升机滚筒与钢丝绳分离点作为绳 系激励输人点 ． 则 与液压驱动系统固连 的提升滚筒 输出的速度 、 加速度必定存在误差 ， 加上提升钢丝绳 弹性的影响， 提升容器的速度误差会更大， 则其层位 精确度误差必将较大。 综上所述 ， 因液压驱动系统 ， 即提升卷筒的输出 速度是典型的二 阶振荡 系统 函数， 由于从深度指示 器指示深度的误差和手动操作减压式 比例阀引起阕 芯位移 的误差 ， 又由于提升钢丝绳 弹性 的影响， 使提升容器的停车位置精度和停车速度精度有较大 偏差 。 由液压驱动系统所对应的框图 见图 4 更进一 步清楚知道 ， 这种直接反馈排量调节变量泵控制液 压马达系统 ， 因液压泵的输出流量的不稳定 ， 而系统 又没有设置马达输出速度检测与负反馈控制回路 ， 系统不能 自动消除负载变化等多种因素引起的液压 马达输出速度误差 ， 所 以难 以实现液压提升机层位 的精确 控制 。 围4 液压驱动系统控制方框围 F i g ． 4 C o r o l p I d mr t 0 f h y d r mfl i c s y s t e m 要提高液压提升机的层位控制精度 ， 必须改变 液压提升机的控制方式， 即液压提升机不能再是简 单的手动操作比例式减压阀操作 与控制 了， 而应是 计算机控制为主的电液比例控制 、 P I D控制、 自适应 控制或更进一步 的模糊控制 、 神经阿络控制及其复 台控制， 到时液压提升机不仅仅是层位精度高了， 其 他的综合性能也将得 到大幅度地改善， 这也是今后 液压提升机控制的发展方向。 3 ． 2 液压提升机的乘坐舒适性 目前在矿井 中广泛使用的液压防爆提升机有相 当的部分用作提升或下放工作人员 的主要 设备， 而 这些液压提升机运行速度曲线的设计主要考虑的是 提升机的运行工作 效率与安全规程 ， 忽 视了乘坐人 员的乘坐舒适性 。 目前提升机 的速度曲线 主要是六 阶段速度 图 箕 斗提 升或五 阶段速度 图 罐 笼提 升 ， 如 图 5所示为罐笼提升五 阶段速度 围， f I 、 t 2 、 t t 4 、 t 5 分别对应加速阶 段、 等速 阶段 、 减速 阶段 、 爬行阶段和停车休止阶段。 { ’ { l ，‘ 图 5 提升机五阶段速 度围 ng ． 5 Hv e s l e p s s p e e d d i a g r a m 0 f t n n d e r 对矿井提升机而言． 影响乘坐舒适性最大的是 加 减 速度及其变化率 加速度和振动 包括提 升容器的垂直振动和横向振动 ， 乘坐不舒适感主要 发生在提升机的起动加速与减速制动阶段 ． 为保证 维普资讯 4 煤 矿 机 械 2 0 0 1 年第 9期 P f s i n 、 f卢一 r 2 a r c I g 詈 6 其 中 M 麦 D m n 警]z [ r／． p D 一c 。 ／ 1 一 ] } { 一咄 篇 警 这些方 程本身都具有衰碱振荡特性 ， 形式上与 n 1 一c 0 s 不同， 因此， 合理确定提升司 机的输人指令就显得相当重要。 而司机 的操作指令 具有较大随机性。 因此 ， 满足人员乘坐舒适性的提升 机控制也应是计算机控制为主的电液比例控制 、 HD 控制、 自适应控制或更进一步的模糊控制、 神经网络 控制及其复合控制。 4 结语 J 如何提高液压提升机的层位控 制精度和乘 坐舒适性 ， 则是液压防爆提升机所面临的新问题 ． 这 也是保证 液压提 升机运 行效率 和运 行可靠性的关 键 。 2 提高液压提升机的层位控制精度与液压提 升机的乘坐舒适性的关键是液压提升机不应是简单 的手动操作 比例式液压阀的开环控制 ， 而应是计算 机控制为主的电液比例控制、 P I D控制、 自适应控制 或更进一步的模糊控制、 神经网络控制及其复合控 制 这也是今后液压提升机控制的发展方向。 参考文献 1 ] 晏辉簿 ． 祧压绞车[ M ． 北京 煤战工业出版杜 1 9 8 9 ． 2 ] 关世勇． 橱雨亭． 马新锁团外大型提升设备裆势[ J l煤崴科学 技术， 1 9 9 3 ． 8 l 5 55 8 [ 3 。 3 - 占林近代液压控制[ M] ． 北京 机槭工业出版社、 1 9 9 3 ． 4 提升机的运动工作效率 又不 降低其乘坐舒适性 ， 就 必须确定加速度曲线 及其极 值， 加速度变化率反映 提升机的加速度的变化 ， 它对人体的影响极其敏感 ， 有研 究表 明 提升 机运 动 中如 果 加 速度 变 化 率 不超 过 2 m ／ s 2 ， 则不舒适感可以碱到最小程度， 当加速度 变化率超过5 n s 2 时， 就会使人感到不舒适 。 振动对 人体的影响主要取决于振动的强度， 而振动强度一 般是用加速度有效值计量的 ， 除振动强度外 ， 振动频 率及承受振动的时问也对舒适性有影 响， 对提升机 而言 ， 由于提升钢丝绳系为一弹性系统 ， 因此振动引 起 的不舒 适感 变得较 微弱 。 为了全面考察提升机的舒适性及运动效率 ， 通 常用提升机的速度 曲线、 加速度曲线及加速度变化 率曲线来表达。 有研究表明 ， 当提 升机卷筒激 励加 减 速 度 n f s i 时 加、 碱速时间一般6～8 s ， 钢丝 一 1 0 绳系的动态 冲击力和提升容器加速度冲击均为有限 值 ， 而 。 f 1一c o s 钢丝绳系的动态 冲击 ‘ 1 0 很小 ， 提升容器无加速度冲击， 虽两者都满足提升容 器的振荡加速度对时间的变化曲线连续、 没有突变 的舒适性基本要求 ， 但 1一c 0 s 是首 ‘ 』 0 选激励加、 减速度信号 由式 2 可知， 在系坑各参数设计确定后 ， 能否 满足乘坐舒适性要求则 主要取决于操作输 出信号。 若从减速停车过程的最恶劣情况考虑， 即提升机不 实行减速， 而是当罐笼接近准备停车位置时 ， 提升司 机手动操作碱压式 比例手柄使 阀芯位移由 突然 变为 0 ， 此时提升 机的瞬态速度值与式 3 相 同， 而 加速度及其变化率则分别是式 3 的一 阶、 二阶导 数； 同样 ， 在提升机加速起动瞬间， 若输 入的 也是阶 跃信号， 则液压提升机卷筒的加速度、 加速度瞬态方 程分别为 s in ∞ √1 一 卢 曼 5 一 作者简卉彭佑多． J 9 6 5年生． 副教授． 中围矿业_学博 研究 生． 1 9 9 0年毕业于 中南工 k 大学． 获硬士学位 现为湘弹 工学 院振动 、 冲击 与诊断研究所副所长 ． 参与 非线性冲击部件动态瓦演设计 与试 验研究 ” 囤家 自然科学 基盘 、 液 压提 升机 械协 同 、 平 衡控 制技 术 例南省教委青年基金评题 等 题 8 项 ， 发鞋学术论文 2 o采篇 。 收稿 日期 2 0 0 1 - 0 4 - 1 3 Th e a na l y s i s o f t e c h ni qu e o n e x p l o s i o n - proof hvnraul l C W I nner P E N G Y o u ． d u o ． Z H A N G Y o n g - z h o n ， L I U D e - s h u n ， G U O Y i n g - ． C H E N Y a n ． p i n g J 1 ． n n 日 a n P o l v I e c I m i c U n i v e r s i t y ， X i a n g t a n 4 1 1 2 0 1 - C h i r a ； 2 ． C h i n a U n i v e r s i t y o f Mi n i n g＆T e e h n al o g y ， X u z h n u 2 2 1 0 0 8 - C h i n a ； 3 Z h u z h o u C o a l M i n e M a c h i n e r y P 1 a n t - Z h u o u 4 1 2 0 0 3 - C h i n a Ah s t r a c t Th i s p a p e r br i e f i n t r o dt c e s／ h e t e c h n i q u e s p e c i a l l y d i s c u s s e s s i t t i n g c o mf o r t a nd l o c a t i o n p r e c i s i o n o f i n e x j s l e n c e h o i s t i n g wi n d e r a n d p r o v i d e d t h e o r y b a s e f o r mo t e r e s e a r c h． Ke y wo r d s e x p l o s i o n p r o o f h y d r a u l i c w i n d e r t e c h n i q u e s p e c i a l t y ； c o n t r o l l a n a l y s i s 一 维普资讯