液压伺服控制系统在采煤机上的应用.pdf

第 1 6卷 第 2期 总第9 9期 2 0 1 1 年 4月 煤 矿 开 采 Co a l mi ni n g Te c h n o l o g y V o 1 ． 1 6 N o ． 2 S e r i e s N o ． 9 9 Apr i l 2 01 1 液压伺 服控制 系统在 采煤机 上的应用 杨 国锐 ，路鑫 山东立业机械装备有限公 司，山东 新泰 2 7 1 2 0 0 [ 摘要] 为了更好地将液压伺服控制系统应用到煤矿开采设备上，逐步提升煤矿生产设备的 开采能力，通过对液压伺服控制系统的工作原理及液压传动优缺点分析，针对 目前煤矿开采的特殊环 境 ，设计 出一种数控液压伺服 系统应用到煤矿采煤机牵引部 ，以此来代替 了传 统的采煤机 牵引，提高 采煤机 的开机效率。基于对于液压伺服控制 系统工作原理的研究 ，进一步探讨液压伺服控 制系统在采 煤机上的应用方式。 [ 关键词 ] 液压伺服；控制 系统 ；工作原理 ；采煤机；牵引部 [ 中图分类号]T D 4 2 1 ． 6 9 [ 文献标识码]B [ 文章编 号]1 0 0 6 2 2 5 2 0 1 1 0 2 - 0 0 8 0 - 0 3 App l i c a t i o n o f Hy d r a ul i c S e r v o Co n t r o l S y s t e m i n Co a l Cut t e r 随着液压传动技术的不断完善和发展 ，液压传 动 已广泛地应用于我 国的各行各业 ，尤其在煤炭行 业 ，液压传动的应用已成为非常重要的环节 ，例如 现在的综采液压支架 、综掘机 、采煤机等全部应用 了液压传动技术 。随着煤矿行业机电一体化进程的 不断加快，生产装备 的工作性能 、反映速度和 自动 化程度的要求也越来越高 ，为了使液压控制技术更 好地服务于煤矿生产 ，本文分析了液压传动的优缺 点和液压伺服控制系统的优缺点 ，并进一步分析了 液压伺服控制系统在采煤机牵引部上的应用 。 1 液压传动的优缺点 液压传动是利用密闭系统中的压力液体实现能 量传递和转换的传动 。由动力源 、执行元件 、控制 元件 、辅助元件和工作液体 5部分组成。 目前常见 的有机械传动、气体传动 、电力传动和液压传动 ， 液压传动之所以能得到广泛的应用 ，是因为与其他 传动相比，优势 比较明显。 1 ． 1 液压传动的优点 1 液压传 动可以 比较方便地将 电动机 的旋 转运动转换成液压缸的直线运动 ，并得到相应较大 的液压缸的推力 。而且液压元件的安装位置要求不 是非常严格，可根据设备的实际情况选择合适的位 置 ，便 于实现远距离能量的传输及控制 。 2 质量轻 、体 积小。液压传 动与机械 、电 力等传动方式相 比，在输出同样功率的条件下，体 积和质量可以减少很多。例如相同功率的电动机的 体积是液压马达的 8～ 9倍。 目前的发 电机和电动 机的单位功率 的体积是液压泵和液压马达的 1 0倍 。 可借助阀或变量泵 、变量马达实现大范围内无级调 速 ，调速范围可达 1 2 0 0 0 ，并可在液压装置运行 的过程 中进行调速。 3 传 动平稳 ，负载变化 时速 度 比较 稳定。 液压装置非常容易实现过载保护 ，不会因过载而造 成主件损坏 ，使用安全可靠。借助于各种控制元 件，较容易实现复杂的自动化工作循环 ，而且可以 实现遥控。液体吸振能力较好 ，在液路中还可设置 缓冲装置 ，使传动更加平稳 ，便于实现频繁换向。 这也是采煤机牵引部采用液压传动的主要原因。 4 液压传动 的参数 ，如压力 、速度 、运动 方 向和位移量等控制简单 ，参数变化速度快 ，有利 于控制 自动化。 5 由于采用液压油作为工作介质 ，使液压 传动装置能 自动润滑 ，因此 ，元件 的使用 寿命 较 长 。由于液压元件易于实现系列化 、标准化和通用 化 ，因此，便于液压元件的设计和大批量生产 ，从 而可提高生产率 、提高产品质量 、降低制作成本。 1 ． 2液压传 动 系统 的主要缺 点 1 液压传动是 以液压油或乳化液为工作介 质，在相对运动表面问泄漏是不可避免的，同时油 液几乎是不可压缩的 ，因此 ，不宜应用在传动比要 求严格的场合 。在使用过程中，一旦出现故障 ，需 要对各部件进行拆卸才能实现检测排除故障，难度 较大。而机电系统 ，可以方便的使用万用表和示波 器等电子仪器来检查故障，维修也比较方便 。 2 液压传动对油或液的温度变化反映较敏 [ 收稿 日期 ]2 0 1 0 1 1 ～ 1 5 [ 作者简介]扬国锐 1 9 7 6 一 ，男， 山东新泰人，工程师，主要从事矿山机电设备维修方面的研究。 8 0 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 杨 国锐等 液压伺服控制 系统在 采煤机 上的应用 2 0 1 1年第 2期 感。温度变化时，油或液的黏度随温度的改变而改 变 ，严重影响了传动系统的稳定性 ，因此 ，不宜在 高温或低温的环境下工作 。 3 液压元件制造 精度要求 高。由于元件 的 技术要求较高且装配 比较困难 ，因此 ，制造 、维护 保养较困难 ，费用较高 ，对于煤炭行业这种较差的 工况环境 ，无疑是困难 的。 4 液压传动易 于发热 ，损失功率 ，传动效 率较低 。 根据以上对液压传动优缺点的分析 ，优点还是 主要的，随着 机械制造工艺 和维护水平 的不断提 高 ，液压传动技术将更广泛的应用到各个行业中。 2 液压伺服控制系统的特点 液压伺服系统又称跟踪系统 ，是液压传动技术 领域 中重要的分支 ，是根据液压传动的工作原理建 立起来 的一种 自动控制系统 ，以其优 良的动态性能 广泛应用于各行各业。在这种系统中，执行元件能 自动地 、快速而准确地按照输入信号的变化规律而 动作，同时，系统还有信号功率放大的作用，这种 由液压元件组成的系统称为液压伺服控制系统。 2 ． 1 伺服控制系统的结构组成 伺服控制系统一般 由比较环节 、控制器 、执行 环节、被控对象 、检测环节 5部分组成。 1 比较环节是将输 入的指令信号与 系统 的 反馈信号进行 比较 ，从而获得输 出与输入之问的偏 差信号的环节。 2 控制 器通 常是计算 机或 P I D控制 电路 ， 其主要任务是对 比较元件输出的偏差信号进行变换 处理 ，以控制执行元件按要求动作 。 3 执行环 节 的作用 是按 控制 信 号的要 求 ， 将输入的各种形式的能量转化成机械能 ，驱动被控 对象工作。 4 被 控 对 象是 位 移 、速 度 、加 速 度、力 、 力矩等机械参数。 5 检测环节是指 能够对输 出进行测量并 转 换成 比较环节所需要的量纲 的装置。 2 ． 2 液压伺服 系统的分类 1 按控制信号 可分 为机液 、电液 和气 液 3 种伺服系统 。 2 按控制方式可分 为阀控 系统和变量泵控 系统 ，其中阀控系统又分为转 阀式 、滑阀式 、喷嘴 挡板式和喷管式 。 3 按功用 可分为实现方形 的伺服 系统、实 现放大 的伺服系统和实现 同步的伺服系统。 4 按所控制的物理量可分为速度控制系统 、 位置控制系统 、力控制系统和其他控制系统。 2 ． 3 液压伺服控制 系统的优缺点 液压伺服系统分为机械液压 、电液和气液 3种 伺服系统。其指令信号分别为机械信号 、电信号和 气压信号。电液伺服系统特点是电气控制灵活 ；气 液伺服系统的特点是 比较适合防爆的环境或容易获 得气压信号的地方 。目前以高压液体作为动力源的 液压伺服系统应用较 为广泛 ，基于多年在工作中对 液压控制技术的应用和研究 ，现对液压伺服系统优 点和缺点进行总结。 液压伺服控制系统优点 同其他伺服系统相 比 较 ，液压伺服系统工作 稳定 ；对指令信号反应快 ； 稳态误差小 ；抗干扰性能好 ；较容易通过液压缸实 现大功率的直线伺服驱动，而且结构简单 ；功率一 重量 比大；力矩惯量 比大 ，一般回转式液压马达的 力矩惯量 比是 同容量电动机的 1 0倍至 2 0倍 。 液压伺服控制系统存 在的缺点 使用不方便 ， 维护困难 ；液压系统常出现泄漏 ；抗 污染能力差 ， 成本较高 ，噪声大。 2 ． 4 液压伺服控制系统的主要特点 1 液压伺 服系统是一个 位置跟 随系统 ，系 统的输出量能 自动地 、快速而准确地复现输入量 。 2 系统 可以将输 入较小功率 的输入 信号放 大为输出较大功率 的信号。因此 ，作为功率放大装 置 ，由液压能源供给功率放大所需的能量 ，供给能 量的控制是根据伺服系统偏差大小 自动进行的。 3 液压伺服 系统 正常工作必须设有反馈装 置 ，如果没有反馈装置 ，则输出信号不能与输人信 号进行 比较 ，也就不能产生随动运动 。 4 液压伺 服系统设有 误差 比较 系统 ，输 出 与输入信号通过该系统实时 比较 ，随着误差的逐渐 消除 ，系统随之停止运动 ，否则将一直运动下去 。 根据以上所述 ，液压伺服控制系统的工作原理 就是通过反馈装置得到偏差信号 ，系统再利用偏差 信号去控制液压能源输入到系统的能量 ，使系统向 偏差小的方向变化 ，从而使系统实际输出与希望值 相符 的流体动力反馈控制。随着科技的进步 ，液压 伺服系统逐渐发展为以机电一体化为主流的伺服系 统 ，以及随着计算机在液压系统 中的广泛应用 ，使 液压伺服系统的应用前景更加广阔。 3 液压伺服控制系统在采煤机牵引部的应用 为使采煤机在额定功率条件下 ，安全 、高效地 进行截割 ，现在大部分采煤机牵引部采用了压力反 81 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 总第 9 9期 煤 矿 开 采 2 0 1 1 年 第 2期 馈的液压控制和速度反馈的电功控制的液压控制系 统，根据外负载的变化 ，自动调整牵引速度 。但如 何根据采煤机的工况 ，调节其液压控制系统 ，使采 煤机在最佳状态下工作 ，这一关键问题并未很好地 解决 ，以下就该问题提出一些看法和方法。 采煤机牵引部液压传动系统不但能传递动力 ， 而且还进行速度控制 。系统通过牵引部电动机带动 油泵排 出压力油 ，压力油经过控制油路的控制阀驱 动马达，油马达再经减速齿轮系统驱动牵引链轮。 实现牵引的换 向和牵引速度的调整 ，必须通过改变 油泵的排油方向和排油量大小改变油马达的旋转方 向和转速。在液压系统 中必须安装安全 阀和溢流 阀，以防止牵引力过载 ，起到保护系统的目的。 由于要求调速伺服系统在采煤机截割情况下实 现其牵引速度 自动调整的目的，所以在设计液压牵 引部 自动调速伺服系统及选用元件时，必须首先考 虑和分析伺服系统在载荷不断变化作用下的动态稳 定性和可靠性 。为 了充分发挥采煤机 的效率 和功 能，有效地避免机器过载，使采煤机始终处于最佳 工作状态，凡是液压牵引的采煤机全部设计安装各 种不同的 自动调速伺服系统，这些系统根据整机或 牵引部负载的变化， 自动地调节采煤机 的牵 引速 度 ，使采煤机经常处在额定工况下工作 ，有效提高 采煤机的工作效率和稳定性。 工作原理 当采煤机处于要截割状态时，换向 阀处于相应工作位置 ，液压马达转动并通过减速装 置带动传动轮与销轨不断啮合 ，从而达到牵引采煤 机的 目的，如果采煤机的牵引力发生变化 ，则液压 系统主油路的工作压力将随之发生变化，这样就必 然破坏伺服滑阀的平衡状态而使其阀芯运动 ，随之 引起伺服液压缸 的活塞动作 以改变变量泵的摆角 ， 造成变量泵输出的油液量改变 ，因而导致液压马达 的输出转速改变，并且通过一系列齿轮传动改变了 传动轮的输出转速，也就是改变了采煤机的牵引速 度。综上所述 ，只要作用在传动轮 上的负载有变 化 ，就将引起泵的变量机构动作 ，从而引起牵引速 度变化 ，达到液压恒功率调速控制的目的。 整个系统 中，影响其稳定性最大的环节是泵控 马达 系 统 ，当 选 择 了 合 适 的 阻 尼 孔 直 径 d 2 mm ，系统将更加稳定可靠 ；由于在系统 中采用 恒功率变量泵，该泵使用先导控制 ，并设置了适当 的阻尼孑 L ，因而具有 良好 的静态特性和动态品质。 4 结 束语 随着科学技术不断发展 ，液压技术在煤矿生产 装备中的作用越来越重要 ，掌握液压控制技术已成 为实现煤矿开采机械 自动化的重要环节。通过研究 液压伺服控制原理及液压传动的优缺点，不断改革 液压传动系统，并结合采煤机牵引部的特点，把液 压伺服控制系统有效地应用到采煤机牵引部中，逐 步提升采煤机的性能及工作效率 ，使液压传动技术 更好地服务于高速发展的煤矿生产机械 自动化。 [ 参考文献] [ 1 ]蒋志勤 ．ML S 一 3 1 7 0采煤机牵 引部 液压恒功率调速伺 服系统 的数学模型及稳定性 分析[ J ]．煤矿机械 ，1 9 8 2 0 6 ． 【 2 ]王显正 ，等 ．控制理论基础 [ M]．北京 国防工业 出版社 ， l 9 8 0 ． [ 3 ]秦亿 ，等 ．现代交流伺服系统[ M]．武汉 华中理工大学 出版社 ，1 9 9 9 ． [ 4]许宏 ，赵王定 ．P C M控 制的液体 固定 节流体联控伺 服系统 的建模与仿真研究 [ J ]．机床与液压 ，2 0 0 0 0 4 ． [ 5 ]王宣银，朱世强，丁凡 ．流体调制技术及其在流体伺服控 制中的应用[ J ]．机床与液压 ，2 0 0 0 0 4． [ 6]刘 庆和 ，等 ．斜轴式恒 功率变量泵控 制机构 的理 论分析及 数 字仿真[ J ]．工程机械，1 9 8 6 3 ． [ 责任编辑 王兴库 ] 上接 1 5页 [ 3 ]齐庆新 ，窦林名 ．冲击地压理论 与技术[ M]．徐 州中国矿 业大学出版社，2 0 0 8 ． [ 4 ]石必 明，俞启香，周世 宁 ．保护 层开采 远距 离煤 岩破裂变 形 数值模拟 [ J ]．中国矿业 大学学报 ，2 0 0 4 ，3 3 3 ． [ 5]石必 明，刘 泽功 ．保护 层 开采上 覆煤 层 变形 特性 数值 模 拟 [ J ]．煤炭学报 ，2 0 0 8 ，3 3 1 1 7 2 2 ． [ 6 ]涂敏 ，缪协兴，黄 乃斌 ．远程 下保护层 开采被保 护煤层 变 形规律研究 [ J ]．采矿 与安全工程学报 ，2 0 0 6，2 3 3 ． [ 7 ]李明好 ．下保护层开采卸压范围及卸压程度的研究 [ D] 淮 南 安徽理工大学 ，2 0 0 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