矿用卷缆装置三级调速液压系统研究.pdf
扫码移动阅读 第45卷 第4期 2 0 1 9年4月 工矿自动化 In d u s t r y a n d M i n e A u t o m a t i o n Vo l . 4 5N o . 4 A p r . 2 0 1 9 文章编号1 6 7 1-25 1 X(2 0 1 9)0 4-00 5 9-04 D O I1 0. 1 3 2 7 2/ j . i s s n. 1 6 7 1-25 1 x. 2 0 1 8 1 2 0 0 0 3 矿用卷缆装置三级调速液压系统研究 李朋朋1, 张丹2, 孟祥强1, 曹连民1, 孙宝海3 ( 1. 山东科技大学 机械电子工程学院,山东 青岛 2 6 6 5 9 0; 2. 山东交通技师学院 交通工程学院,山东 临沂 2 7 6 0 1 7; 3. 益和电气集团股份有限公司,山东 青岛 2 6 6 5 9 0) 摘要 针对电缆卷放速度与连续采煤机行进速度不能同步的问题, 在分析卷缆装置三级调速液压系统原 理的基础上, 建立了三级调速液压系统仿真模型。该系统利用节流阀与压力补偿阀组合设计降低了设计复 杂性, 避免了压力补偿阀不工作时带来的能量损耗; 实现了液压马达1 1 0,8 0,5 0r/m i n三级转速变化, 从而 实现了卷缆装置变速调节功能, 保证了电缆卷放速度与连续采煤机行进速度的同步性。仿真和测试结果表 明, 节流阀控制较灵敏, 回路流量变化较稳定; 虽然在节流阀导通和截止瞬间管道流量存在轻微波动, 但不影 响整体控制效果; 在压力补偿阀的作用下, 系统管道压力基本稳定在1 4MP a, 达到了较好的稳压、 控压效果; 测试得到的液压马达转速和转矩变化趋势与仿真结果基本吻合, 三级调速效果较为明显。 关键词 连续采煤机;矿用卷缆装置;三级调速液压系统;变速调节;液压马达;节流阀;压力补偿阀 中图分类号T D 6 3 2 文献标志码A 收稿日期2 0 1 8-12-04; 修回日期2 0 1 9-03-10; 责任编辑 胡娴。 基金项目 首 批 国 家 虚 拟 仿 真 实 验 教 学 项 目 (2 0 1 8 0 6 0 2 2) ; 矿 业 工 程 国 家 级 实 验 教 学 示 范 中 心 ( 山 东 科 技 大 学 )开 放 基 金 项 目 (KY S F 2 0 1 8 0 2 0 6) ; 山东科技大学教育教学研究“ 群星计划” 项目(Q X 2 0 1 8 Z 0 5) 。 作者简介 李朋朋(1 9 9 3-) , 男, 山东巨野人, 硕士研究生, 研究方向为机电液一体化, E-ma i l5 3 2 0 6 0 2 2 5@q q . c o m。 引用格式 李朋朋, 张丹, 孟祥强, 等.矿用卷缆装置三级调速液压系统研究[J]. 工矿自动化,2 0 1 9,4 5(4) 5 9-62. L I P e n g p e n g,Z HANG D a n,ME NG X i a n g q i a n g, e t a l . R e s e a r c h o n h y d r a u l i c s y s t e m w i t h t h r e e-st a g e s p e e d r e g u l a t i o n o f m i n e-us e d c a b l e w i n d i n g d e v i c e[J]. I n d u s t r y a n d M i n e A u t o m a t i o n,2 0 1 9,4 5(4) 5 9-62. Re s e a r c h o n h y d r a u l i c s y s t e m w i t h t h r e e-st a g e s p e e d r e g u l a t i o n o f m i n e-us e d c a b l e w i n d i n g d e v i c e LI P e n g p e n g 1, ZHANG D a n 2, ME NG X i a n g q i a n g 1, CAO L i a n m i n 1, S UN B a o h a i 3 ( 1 . C o l l e g e o f M e c h a n i c a l a n d E l e c t r o n i c E n g i n e e r i n g,S h a n d o n g U n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y, Q i n g d a o 2 6 6 5 9 0,C h i n a;2. S c h o o l o f T r a f f i c E n g i n e e r i n g,S h a n d o n g T r a f f i c T e c h n i c i a n C o l l e g e, L i n y i 2 7 6 0 1 7,C h i n a;3. Y i h e E l e c t r i c G r o u p C o .,L t d .,Q i n g d a o 2 6 6 5 9 0,C h i n a) A b s t r a c tI n v i e w o f t h e p r o b l e m t h a t c a b l e w i n d i n g s p e e d c a n n o t b e s y n c h r o n i z e d w i t h s p e e d o f c o n t i n u o u s s h e a r e r,b a s e d o n a n a l y s i s o f p r i n c i p l e o f h y d r a u l i c s y s t e m w i t h t h r e e-st a g e s p e e d r e g u l a t i o n o f t h e c a b l e w i n d i n g d e v i c e,s i m u l a t i o n m o d e l o f h y d r a u l i c s y s t e m w i t h t h r e e -st a g e s p e e d r e g u l a t i o n w a s e s t a b l i s h e d .T h e s y s t e m u s e s c o m b i n a t i o n d e s i g n o f t h r o t t l e v a l v e a n d p r e s s u r e c o m p e n s a t i o n v a l v e t o r e d u c e d e s i g n c o m p l e x i t y a n d a v o i d e n e r g y l o s s w h e n p r e s s u r e c o m p e n s a t i o n v a l v e d o e s n o t w o r k.T h e t h r e e-st a g e s p e e d r e g u l a t i o n o f 1 1 0,8 0,5 0r / m i n o f h y d r a u l i c m o t o r i s a c h i e v e d,a n d s o s p e e d a d j u s t m e n t f u n c t i o n o f t h e c a b l e w i n d i n g d e v i c e i s r e a l i z e d,a n d s y n c h r o n i z a t i o n o f t h e c a b l e w i n d i n g s p e e d a n d t h e c o n t i n u o u s s h e a r e r t r a v e l i n g s p e e d i s e n s u r e d .T h e s i m u l a t i o n a n d t e s t r e s u l t s s h o w t h a t t h e t h r o t t l e c o n t r o l i s s e n s i t i v e a n d t h e c h a n g e o f l o o p f l o w i s s t a b l e;a l t h o u g h t h e r e i s s l i g h t f l u c t u a t i o n o f p i p e l i n e f l o w a t t h e o p e n i n g a n d c l o s i n g m o m e n t s o f t h e t h r o t t l e v a l v e,i t d o e s n o t a f f e c t t h e o v e r a l l c o n t r o l e f f e c t; u n d e r t h e a c t i o n o f p r e s s u r e c o m p e n s a t i o n v a l v e,t h e p i p e l i n e p r e s s u r e o f t h e s y s t e m i s b a s i c a l l y s t a b l e a t 1 4MP a,w h i c h a c h i e v e s g o o d r e g u l a t i o n a n d c o n t r o l e f f e c t o f p r e s s u r e;t h e t e s t r e s u l t s o f s p e e d a n d t o r q u e tr e n d o f h y d r a u l i c m o t o r a r e b a s i c a l l y c o n s i s t e n t w i t h t h e s i m u l a t i o n r e s u l t s,a n d t h e t h r e e-st a g e s p e e d r e g u l a t i o n e f f e c t i s o b v i o u s . K e y w o r d sc o n t i n u o u s s h e a r e r;m i n e-us e d c a b l e w i n d i n g d e v i c e;h y d r a u l i c s y s t e m w i t h t h r e e-st a g e s p e e d r e g u l a t i o n;v a r i a b l e s p e e d a d j u s t m e n t;h y d r a u l i c m o t o r;t h r o t t l e v a l v e;p r e s s u r e c o m p e n s a t i o n v a l v e 0 引言 目前, 国内外电缆卷放装置逐步升级, 不断向智 能化、 自动化方向发展, 较为常见的是液压泵与液压 马达配套式电缆卷放装置[ 1-2]。与传统的电动机控 制电缆卷放方式相比, 采用液压系统控制电缆卷筒 旋转的方式具有以下优点 优化了电缆卷放装置整 体结构, 简化了液压系统回路设计, 提高了装置运行 稳定性和可靠性; 采用液压马达传动, 有效提高了传 动功率, 适用于井下矿用电缆卷放; 液压系统防爆性 能好, 可更好地避免电火花现象, 提高了人员和生产 的安全性[ 3-6]。液压泵是液压系统的动力元件, 按排 量是否可调分为定量泵和变量泵。定量泵只能为电 缆卷筒提供恒定转矩和转速, 虽然整体较为稳定, 但 无法实现变速收缆功能[ 7-9]。而变量泵控制回路复 杂, 精度要求高, 难以推广。本文以1 2 CM 1 5型连 续采煤机卷缆装置为例, 在分析卷缆装置三级调速 液压系统原理的基础上, 结合采煤机速度变化特点, 建立了三级调速液压系统模型, 并通过仿真和测试 分析验证了其可行性。该系统通过增加节流阀与压 力补偿阀实现三级调速功能, 设计简单、 控制方便, 可实现变速卷缆, 达到了电缆卷放速度与采煤机行 进速度同步的效果。 1 系统工作原理 矿用卷缆装置三级调速液压系统原理如图1所 示。该系统主要通过液压马达带动电缆卷筒旋转实 现电缆卷放功能。在实际工作中, 采煤机前进速度 多为三档控制, 因此, 需设置电缆卷筒转速为三档, 以保证卷缆状态与采煤机行进状态的同步性[ 10-11]。 图1 矿用卷缆装置三级调速液压系统原理 Fi g . 1 P r i n c i p l e o f h y d r a u l i c s y s t e m w i t h t h r e e-st a g e s p e e d r e g u l a t i o n o f m i n e-us e d c a b l e w i n d i n g d e v i c e 系统根据采煤机行进速度变化改变调速阀开口 大小, 调节整体回路流量, 以控制液压马达转速变 化, 进而改变电缆卷筒转速, 使电缆卷缆速度与采煤 机行进速度保持一致。为保证调速阀控制精度, 降 低整体设计复杂性, 在系统中并联3个调速阀, 根据 转速和流量变化要求, 分别设定3个阀芯开口大小, 当采煤机行进速度变化时, 通过控制3个调速阀的 通断状态, 实现液压系统变速调节功能。 2 仿真分析 2. 1 仿真模型 根据矿用卷缆装置三级调速液压系统原理, 利 用 AME S i m 仿真软件建立系统模型, 如图2所示。 1-液压泵;2-压力补偿阀;3-节流阀1;4-节流阀2; 5-节流阀3;6-电磁换向阀1;7-电磁换向阀2; 8-电磁换向阀3;9-液压马达;1 0-溢流阀 图2 矿用卷缆装置三级调速液压系统模型 Fi g . 2 M o d e l o f h y d r a u l i c s y s t e m w i t h t h r e e-st a g e s p e e d r e g u l a t i o n o f m i n e-us e d c a b l e w i n d i n g d e v i c e 由于调速阀模型的基础模块较多, 为简化回路 设计, 建模时采用3个节流阀与1个压力补偿阀组 合的方式代替3个调速阀并联连接方式, 这样既大 大简化了模型, 又避免了压力补偿阀不工作时带来 的能量损耗, 减小了其对分析结果的影响[ 12-13]。 模型参数 液压泵额定转速为1 0 0 0r/m i n, 排 量为5 0m L/r; 节流阀1、2、3的调定流量分别为1 1, 8,5L/m i n; 调速阀额定压降为0. 3MP a; 液压马达 额定转速为1 0 0 0r/m i n, 额定转矩为1 0 0 0Nm; 溢流阀调定压力为7MP a。 2. 2 仿真结果分析 仿真时3个节流阀的通断分别由电磁换向阀控 制 0~3s, 电磁换向阀1接收电信号, 节流阀1导 通; 3~6s, 电磁换向阀2接收电信号, 节流阀2导 通; 6s之后, 电磁换向阀3接收电信号, 节流阀3导 通。在R u n模式下运行仿真模型, 得到3个节流阀 流量变化曲线和液压马达转速变化曲线, 分别如 图3和图4所示。 06 工矿自动化 2 0 1 9年第4 5卷 (a)节流阀1 (b)节流阀2 (c)节流阀3 图3 节流阀流量变化曲线 Fi g . 3 F l o w c u r v e s o f t h r o t t l e v a l v e s 图4 液压马达转速变化曲线 Fi g . 4 S p e e d c u r v e o f h y d r a u l i c m o t o r 由图3可知,0~3s时, 采煤机向液压系统传递 快速 前进信号, 节 流 阀 1 导 通, 达 到 设定流 量值 1 1L/m i n, 节流阀2、3截止, 流量均为0; 同理, 在 3~6s和6s之后这2个时间段, 分别是节流阀2、3 导通并达到设定流量值8L/m i n和5L/m i n。由 图4可知, 在三级调速控制下, 液压马达分别实现了 1 1 0,8 0,5 0r/m i n三级转速变化; 由转速变化曲线 的趋势可知, 节流阀控制较为灵敏, 回路流量变化较 为稳定; 虽然在节流阀导通和截止瞬间管道流量存 在轻微波动, 但不影响整体控制效果, 实现了液压马 达三级调速功能[ 14]。 液压系统管道压力变化曲线如图5所示。在压 力补 偿 阀 的 作 用 下, 系 统 管 道 压 力 基 本 稳 定 在 1 4MP a, 达到了较好的稳压、 控压效果, 体现了系统 设计的优越性。 图5 液压系统管道压力变化曲线 Fi g . 5 P i p e l i n e p r e s s u r e c h a n g e c u r v e o f h y d r a u l i c s y s t e m 3 测试分析 为进一步验证矿用卷缆装置三级调速液压系统 的可行性, 搭建试验台进行测试, 测试装置包括电动 机、Y B 1-1 0 0液压泵、Q-F6 D-P调速阀、 BM 2-25 0 液压马达、 速度传感器、 力矩传感器。通过手动开关 调速阀实现液压系统变速调节, 利用速度传感器和 力矩传感器检测液压马达转速和转矩, 并将测试结 果与仿真结果进行对比, 结果如图6和图7所示。 考虑实际应用中流量波动变化大, 稳定时间长, 将测 试时间改为1 0 0s。 图6 液压马达转速仿真和测试结果对比 Fi g . 6 C o m p a r i s o n o f s i m u l a t i o n a n d t e s t r e s u l t s o f s p e e d o f h y d r a u l i c m o t o r 图7 液压马达转矩仿真和测试结果对比 Fi g . 7 C o m p a r i s o n o f s i m u l a t i o n a n d t e s t r e s u l t s o f t o r q u e o f h y d r a u l i c m o t o r 由图6和图7可知, 虽然测试得到的转速和转 矩数值偏大, 仿真测得的转速和转矩偏小, 但二者变 化趋势基本吻合, 且转速差值稳定在3 0r/m i n, 转矩 差值稳定在3 0Nm, 三级调速效果较为明显, 符 合设计要求, 验证了三级调速液压系统的可行性。 16 2 0 1 9年第4期 李朋朋等 矿用卷缆装置三级调速液压系统研究 4 结论 ( 1)针对卷缆装置电缆卷放速度与连续采煤机 行进速度不能同步的问题, 对卷缆装置液压系统进 行优化设计, 通过并联3个调速阀并改变每个调速 阀开口大小来调节回路流量, 实现了三级调速功能, 保证了电缆卷放速度与采煤机行进速度的同步性。 ( 2)节流阀与压力补偿阀组合设计降低了设计 复杂性, 提高了系统稳定性; 通过 AME S i m 建模仿 真和测试分析验证了三级调速液压系统的可行性, 为卷缆装置液 压调 速 系统 优化 设 计 提 供 了 理 论 依据。 ( 3)由于仿真条件与实际工况存在一定差异, 为提高重型连续采煤机卷缆装置三级调速液压系统 的可行性和现场应用价值, 下一步考虑进行现场试 验验证, 以提高卷缆装置的适应性及实用性。 参考文献(R e f e r e n c e s) [1] 王家臣, 刘峰, 王蕾.煤炭科学开采与开采科学[J].煤 炭学报,2 0 1 6, 4 1(1 1) 2 6 5 1-26 6 0. 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