节能型提升机恒减速液压制动系统的研究.pdf

2 0 1 0年 1 1 月 第 3 8 卷 第 2 2期 机床与液压 MACHI NE T 00L ＆ HYDRAUL I C S NO V ．2 0 1 0 Vo 1 ． 3 8 No ． 2 2 D OI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 13 8 8 1 ． 2 0 1 0 ． 2 2 ． 0 2 1 节能型提升机恒减速液压制动 系统的研究 史书林 ，肖兴明 ，丁海港 ， 。 1 ．中国矿业大学机 电学院，江苏徐州 2 2 1 0 0 8 ；2 ．徐州 1 工业职业技术学院，江苏徐州 1 2 2 1 1 4 0 摘要 研究恒减速液压制动系统 ，以制 动减速度恒定为控制 目标 ，包含一级 和二级紧急制 动功能 ，能够在大 负载 范围 内实现安全制动 ，松 闸时能耗低。采用模糊神经 网络控制克服模糊规则不容易制定 的缺点 ，具有在 线学习收敛快 、可靠性 高的优点。 关键词 制动系统 ；恒减速 ；节能 ；模糊神经控制 中图分类号 T H 1 3 7 ；T P 2 7 3 ． 4 文献标 识码 B 文章编号 1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 0 2 2 0 5 8 3 Re s e a r c h f o r Co n s t a nt De c e l e r a t i o n Hy d r a u l i c Br a ki ng S y s t e m o f Ene r g y Sa v i n g Ho i s t S HI S h u l i n ，XI AO Xi ng mi n g ，DI NG Ha i g a n g ’ 1 ． S c h o o l o f M e c h a t r o n i c E n g i n e e r i n g ，C h i n a U n i v e r s i t y o f M i n i n g a n d T e c h n o l o g y ，X u z h o u J i a n g s u 2 2 1 0 0 8 ，C h i n a ； 2 ． X u z h o u C o l l e g e o f I n d u s t r y a n d T e c h n o l o gy ， X u z h o u J i a n g s u 2 2 1 1 4 0 ，C h i n a Ab s t r a c t T h e c o n s t a n t d e c e l e r a t i o n h y d r a u l i c b r a k i n g s y s t e m w a s r e s e a r c h e d b y t a k i n g c o n s t a n t b r a k i n g d e c e l e r a t i o n s p e e d a s a c o n t r o l g o a l ，a mo n g wh i c h t h e u r g e n t i u n c t i o n o f o n e s t e p b r a k i n g a n d t w o s t e p b r a k i n g we r e i n c l u d e d ．B r a k i n g i n e x t e n s i v e l o a d r a n g e c o u l d b e r e c ei v e d i n s a f e t y wi t h e ne r g y s a v i ng i n t h e c o n d i t i o n o f l o s i n g b r a k e．T hi s b r a k i ng s y s t e m wa s c o n t r o l l e d by f u z z y n e u r a l ne t wo r k s a n d t h e s ho r t c o mi ng o f un e a s y t o ma k c f uz z y r u l e s wa s o v e r c o me ．I t h a s t h e me r i t s o f c o n v e r g e nc e i n o n l i n e s t u d y a n d hi g h r e l i a b i l i t y ． Ke y wo r ds Br a k i ng s y s t e m ；Co ns t a n t de c e l e r a t i o n；Ene r g y s a v i ng；F uz z y n e u r a l c o n t r o l 液压制动系统是矿井提升机的关键设备 ，其主要 作用是实现提升机 的正常工作制 动和 紧急 安全制 动 ， 保证矿井提升机 的安 全运行 。如果 制动减速 度太大 ， 会导致墩罐 、滑绳甚至断绳等事故的发生 ；相反 ，如 果制动减速度太小 ，会 降低提升机的运行效率 ，以及 由于制动过程过长而导致不 能及时制止 事故 的发 生。 因此 ， 煤矿 安 全 规 程 ⋯ 对 安 全 减 速 度 的要 求 为 1 ． 5 m／s 。a5 m／ s 。由于矿井 的提 升 负 载变 化 范 围较大 ，而 目前普遍采用 的二级制动和一级 制动均是 恒力矩制动方式 ，当负载过小时 ，其 实际减速度会超 过最 大的安全减速度而导致事故的发 生。以减速度恒 定为控制 目标的恒减速制动系统改善 了制动性能 ，但 市场上 已投入应 用 的恒减速 装置 存在 着调 压技 术落 后 、元件质量差 、维护 和操作难度高 、能耗大 、可靠 性低 等缺点 。作者所研究 的恒减速液压制动 系统 以先 导型 比例 电磁溢 流阀为核 心元件 ，克服 了上述 缺点 ， 具有节能、恒减速制动 、一级制动和二级制动等特点 。 1 节能型恒减速液压制动系统设计 作者所研究 的节能型恒减速液压制动 系统如图 1 所示 。虽然一级制动和 二级制动 的负载适应 能力差 ， 其制动减速度有可能超过安全范 围，但该制动方式结 1 过滤 器2 一 限压 式变 量泵3 、l 4 、l 6 、2 5 、2 7 一单 向阀 4 一 精 过 滤器卜 先 导型 比例 电磁 溢 流阀6 、8 、9 、2 0 、2 2 、2 6 、2 8 _ _ 二 位三 通 电磁换 向 阀 7 一 或 门型 梭 阀l 0 、2 4 -- 节 流阀l 1 、1 7 一 截止 阀 1 2 、1 3 一 电接 点压力 表1 5 一 污染 指示 过滤 器1 8 一制 动液 压缸 1 9 一 制 动盘2 卜一 背压 阀2 3 一 蓄能 器2 9 一加 热器3 O 一 温度 计 图 1 节能型提升机液压制定 系统原理 图 收稿 日期 2 0 0 91 0 1 0 作者简介 史书林 1 9 7 l 一 ，男 ，在读博士研究生 ，研究方 向为机 电系统智能控制 、高职教育研究 。电话 1 5 2 0 5 2 0 1 7 8 0 E ma i l z s 03 0 52 2 20 0 6 1 6 3． e o m。 第 2 2期 史 书林 等 节能型提升机恒 减速液压制动系统 的研究 5 9 构简单 、可靠性高 ，克服 了恒减速 制动系统的精度要 求 高 、容易出现故障 、所需减速距离 大的缺点 ，因此 设 计时保 留一 、二级制动方式作 为提升机安全制动 的 最 后保证 ，提高制动系统 的可靠性 。在设计 时还考虑 了以下 因素 1 能够 实现 制动 系统与传 动 系统的 协 调一致 ，当提升电机 的输 出转矩大 于所需 的提升力 矩 时 ，制 动 系统应 及 时 松 闸 ，降低 闸瓦 的磨 损 与 发 热 ；当传 动 系统切 断 电源时 ，能迅 速 切换 到制 动 模 式 ，实现及时制动 ； 2 当系统停 电时 ，恒 减速 制 动 系统仍 可正常工作 ，此时 以蓄能器 为动力 源 ，用后 备 U P S电源 给电磁 阀和 P L C机 供 电； 3 制动 系统 应有 一定 的安全裕 量 ； 4 在松 闸时应处 于节 能状 态 。 2液压制动 系统工作原理分析 1 动 力回路 该 回路 由两套系统 组成 ，正 常工作 时一 套运 行 ， 另一套备用。当正在运行的动力源出现故障时，启动 备 用动力 源 ，通过梭 阀 7实现快速切换 。每套 系统 由 过滤器 1 、限压 式变 量泵 2 、单 向 阀 3 、精 过滤 器 4 、 先 导型 比例电磁溢流 阀 5和换 向阀 6组成 。此处 的 比 例溢 流阀起 到安全阀的作用 。此外 ，当包含梭 阀以外 的系统出现故障时 ，电磁 阀 6断 电，泵 的输 出流量 通 过溢 流阀实现卸 荷 。单 向阀的作用是 阻止 系统的冲击 传 到液压 泵 ，保 护液压泵 。 2 恒减速制 动回路 该 回路通过 控制制 动液 压缸 1 8有杆 腔 的油压 实 现松 闸和制 动。当需要 松闸式 ，迅速增大 比例 电磁 溢 流 阀 5的 电流到 所需 值 ，进 而 增 大溢 流 阀 的开 启 压 力 ，使升压后 的液压流 由液压泵 流经单 向阀 3 、过滤 器 4 、梭阀7 、单向阀 1 6 、截止阀 1 7到达制动缸 1 8 的有杆腔 ，当油 压产生 的推力 F p A P为油压 ， 为有杆腔 的有 效作 用 面积 大 于无杆 腔 内蝶 形 弹簧 的推力 F 2 k x k为弹簧 刚度 ， 为弹簧的压缩量 时实现松 闸。当需要制 动时 ，可线性地减小溢流 阀的 电流 ，使制动缸 1 8内的液压油 流经过 滤器 l 5 、梭 阀 7 、溢流 阀 5回到油 箱 ，使 制动 缸 内的油压 与溢 流 阀 的电流成 比例地 减小 ，实现系统 的恒减速制 动。 该回路中单向阀 1 6的弹簧刚度很小，只起到使 阀芯复位 的功能 ，使液 压油顺 利地通过该 阀流入制 动 缸 。由于制动缸活塞杆 的伸 出与缩 回会把外界 的灰尘 带进缸 内 ，精过滤器 1 5的作用是过滤制动 缸的 回油 ， 避免对油液污染较为敏感 的比例 溢流阀 5的堵塞。单 向阀 1 4的弹簧 刚度较 大 ，有一 定 的开启 压力 ，当滤 油器 1 5堵塞较严 重时 ，才 打开单 向阀 1 4 ，保证 系统 顺利制动 ，同时过 滤器 1 5发 出警报 ，提示 维修或 更 换 。 3 一级制动和二级制动 回路 为 了避免 因一个 电磁 阀出现故障或一路油管堵塞 而不能保证安全 紧急制 动 ，该 系统设 置了两条一级制 动 回路 。当需 要 紧急 制动 时 ，使 电磁铁 4 Y A或 电磁 阀 2 Y A失 电 ，制 动 缸 1 8内 的液 压 油迅 速 流 截 止 阀 l 7 、过滤器 1 5 、电磁 阀 8或 电磁 阀 2 8回油箱 ，快速 降低缸 内油压 ，实现一级制动 。 启 动 二 级 制 动 时 ， 电 磁 铁 2 Y A、4 Y A、5 Y A、 6 Y A、7 Y A得 电 ，同时使液压 泵 2停止运 行。蓄能器 2 3的高压油通 过节 流阀 2 4 、换 向阀 2 2 、背压 阀2 1回 到油 箱 ，制动缸的高压油通过截止 阀 1 7 、滤油器 1 5 、 换向阀2 0 、背压阀2 1回到油箱，使系统的压力维持 在背压阀 2 1的调 定值 ，实现二 级制 动 中的第一 级制 动 ，此时系统 的保持压 力 由蓄 能器 2 3提供 。延 时一 段 时 问后 ，电磁 铁 2 Y A、4 Y A失 电 ，制 动缸 内的液 压油流经截 止阀 1 7 、滤 油器 1 5 、换 向 阀 8和换 向阀 2 8迅速 回 到油 箱 ，蓄 能器 2 3的 高压 油 通过 节 流 阀 2 4、换 向阀 2 2 、换 向阀 2 0 、换 向阀 8和换 向阀 2 8迅 速 回到油箱 ，由蝶形弹簧产生 的制动力矩 全部加 到制 动盘 1 9上 ，实现二级制 动中的第二级制动 。 4 缓 冲制动 回路 当电磁 铁 5 Y A失 电后 ，制动 缸 内 的液压 油 流经 截止阀 1 7 、滤油 器 1 5 、节 流 阀 1 0换 向 阀 9回到油 箱 。由于节 流阀的作用 ，该 回路的制动减速度介于一 级制 动和二级制动之 间，主要用于减少一级制动和二 级制 动之间的制动距离 。也可选择该 回路完成一级制 动 ，降低制 动冲击 ，避免滑绳等事故的发生 。 5 停 电后 的恒减速制 动 回路 为了防止提升系统停 电后发生事故 ，停 电后利用 蓄能器作 为 动力源 。此 时 由备 用 电源 U P S使 电磁 铁 2 Y A、3 Y A、4 Y A、5 Y A 得 电 ， 同 时 电 磁 铁 6 Y A、 7 Y A失电 ，蓄能 器 内的 高压油 通过 节 流 阀 2 4、换 向 阀 2 6分别流入制动缸 1 8和 比例溢 流 阀 5 ，调节溢 流 阀 5的压力便可实 现停 电状 态下的恒减 速制动 。 6 紧急制动 电接点 压力表 1 2的调定压 力 P ， 略低于正 常松 闸 时 的工作压力 ，当盘形制 动器传感 器检测到提升时的 松 闸压力低 于压力 P 压力表 1 2动 作 ，产生 紧急制 动 ，避免 因松 闸距离不够 而酿成 的事故 。电接点压力 表 l 3的调定压力p 。 作用是在接到 “ 开车”或 “ 停 车” 后 ，如果 在 限定 的时 间 内压力 不 能升 到或 下 降 到压力 p 。 值 ，压力表 1 3动 作 ，产生 紧急制动 ，防止 提升机过早启动而产生较大 的能耗 ，或 防止 因制动力 矩不够而导致制动不及 时。 7 冷却装置 由于液压油 的黏度对温度 比较敏感 ，为了维持 系 统的稳定性 ，油温 应保持在 2 5℃左 右。该 系统利用 加热器 2 9与风冷 式冷却 器交替工作保持油温恒定 。 6 O- 机床 与液压 第 3 8卷 3制动 系统 的节 能分析 采用 双速电机驱 动 的液压 制动 系统 ，在 松 闸后 电机低速 运 行 ，减 小 泵 的输 出 流 量 ，降 低 节 流 损 失 。 由于 电机 的速 度转换 电路 过 于复杂 ，切换 速 度 时容 易 引起 短 路 故 障 。该 系 统 采 用 限 压 式 变 量 泵 ，由图 2知 ，松闸后使 液压 泵工 作在 能够 提供 较 高压力和较低 流量 补 充泄 漏量 的点 c，使流 过 溢流 阀 5的流量 最 小 接 近 于零 ，大 大减 小 节 流 能耗 。制动时通 过减小 溢 流阀 5的控制 电流 ，使控 制压力 由 P o , x 按照设定 的速 率减小到 P ，实现 恒减 速 制动。为 了适应 不 同的工 况 ，调节 弹簧 3可调 节 点 c的压 力 P 一 并 使 B C段左 右平移 ；调节 弹簧 4 可改变最大 流量 g 『11 a ，使 A B线上下 平移 ；更换 弹簧 3 ，可改变弹簧 刚度 ，使 B C段斜 率随着 弹簧 刚度 的 增大 而变小 平缓 。图中 P m 1． 是 比例 溢流 阀跨 过死 区的最小 压 力 a 工 作原 理 b 压 力流 量特 性 l 一 流量 调 节螺钉2 一 压 力调 节螺 钉 3 一 压力 调节 弹簧 O 一 转子 中心Oz 定 子中心 图 2 限压式 变量泵工作原理网 4 模糊神经网络 自学习控制 由于提升机 的传动和制动系统是 一个高阶 、非线 性、大时滞 、时变以及随机干扰严重的系统 ，传统的 控制方式难 以达到完美 的协调控制 。模 糊神经 网络 自 学习控制不但能够处理结构化 的知识 ，即由专家给 出 的 “ 规则” ，同时也具有 自学 习 、自适 应 的能力 ，克 服了模糊控制中有效的知识规则和隶属 函数不易获得 的缺 点 。该 系 统 所 采 取 的 控 制 结 构 如 图 3所 示 。J 。 图 3 模糊神经网络 自学习控 制图 图 中的 为反 映设定速 度的 电压变 化曲线 ，设 定速度的初始速度 和恒定 的下降速率均根据现场调试 确定 ；V i 为测得 的提升机 的实 际速度 。 与 。 比较 后所得 的偏差 e 及其变 化率 e c 经过 模糊神 经 网络 控 制器调 节后得 到 11 , t ，把 “ t 放大后 去调节 比例 电 磁溢流阀的进 口压力 ，即控制缸 的油压 。图 中 G P F N 表示高斯势 函数 网路 ，它是一个 双输入单输出的三层 网络 。G P F N网路的输人为 ， ，输 出为 。 ， ， ，其输出关系表示如下 h, j ， 一p 一 [ 一 ‘】 v N x 。 ， x 2 ∑ ∑ 一 ， ， 式 中h ， 。 ， 表示 隐层节 点的输 出 ， ， 为网络 隐层到输出层的连接权值 。整个神经网络的输 出为 t 『 上 ／ Z一1 K3 x U l ， 2 ，n T≤ ≤ n1 G P F N网路 的学 习过程是通 过调整 网络权值和 网 络参数 n 。 ，b ． 、 。 ，6 ，使被控 过程 的输 出值 逼近期望输出。为了加快 网络学 习过程的 收敛速度 ， 先对网络进行 离线学 习，从而获得一个能够基本反映 系统要求 的网络 ，然后 再将这一 网络加 到系统 中去 ， 在 系统 的运行过程 中采用在线 学习。当期望输出与实 际输 出的偏差达到一定 程度 时 ，用在线算法对网络进 行修正 。这样既能提高收敛速度 ，又能保 证控制器 的 稳定性 。 5结论 节能型提升机恒减速液压制动系统 以减速度恒定 为控制 目标 ，以比例电磁溢流阀为核心元件 ，包含 了 一 级 和二级应急制动 ，不但满足 r 安全制动的减速度 范 围的要求 ，而且减少 了制动 冲击 ，适用 的负载范 围 大 。利用限压式变量泵使制动系统在松闸过程 中的流 量接近于零 ，大大降低 了能耗 。采用模糊 网络控制技 术 ，既吸收了模糊控制 可利用专 家经验 知识的优点 ， 又克服 了模糊控制的控制规则制定 的主观性和不准确 性 。采用离线学习和在线学 习相结合的算法 ，提高 了 收敛速度 和可靠 性 ，便 于实 现和 提升 系统 的协调 控 制 。 参 考文献 【 1 】孙玉荣， 法孔． 矿井提升设备[ M] ． 北京 煤炭上业出 版社 ， 1 9 8 7 ． 【 2 】王增才． 瑞典 A S E A提升机制动液压站系统原理分析及 改进 [ J ] ． 液压与气 动 ， 2 0 0 2 5 3 1 3 2 ． 【 3 】王耀南． 智能控制系统[ M] ． 2版． 长沙 湖南大学出版 社 ， 2 0 0 6 ， 7 2 5 2 2 7 3 ． 【 4 】庞科旺． 提升机恒减速制动系统的模糊控制[ J ] ． 工矿 自动化 ， 2 0 0 5 6 1 51 7 ． 【 5 】郝建功． 矿井提升机动力制动过程中的模糊控制[ J ] ． 2 0 0 3， 2 8 1 9 61 0 0．