基于比例阀和伺服阀的恒减速液压站的研究.pdf

Hv d r a u l i c s P n e u ma t i c s S e a l s ／ No ． 7 ． 2 0 1 1 基于比例阀和伺服阀的恒减速液压站的研究 谭兴福 徐翊锋 王先锋 中国矿业大学机 电工程学 院， 江苏徐州 2 2 1 1 1 6 摘要 本文分介绍了液压制动 系统在煤 矿上的应用情 况 ， 对二级制动时减速度进行 了简单 的分析 ， 并介绍 了二级制动和恒减 速制动 的工作原理和它们的区别。简要介绍 了电液 比例阀和伺服阀各 自的原 理和区别 。针对 E 1 4 1 A液压站介绍了恒减速液压站 的基本组成 和主要作用 ， 然后简要介绍 了该液压站在工作制动时的电气控 制原 理和液压原理 。最后 主要介绍 了安全制动 的工作过程 ， 并介绍 了他 的 电气和液压系统的控制原理 。 关键词 比例溢流 阀； 伺服阀； E 1 4 1 A ； 恒减速制动系统 ； 安全制动 中图分类号 T H1 3 7 ． 7 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 8 0 8 1 3 2 0 1 1 0 7 - 0 0 3 5 - 0 4 Re s e a r c h o n Co ns t a nt l y De c e l e r a t i n g Hy d r a u h c Br a k i n g S y s t e m Eq u i pp e d Pr o po r t i o n a l Va l v e a n d S e r v o Va l v e T A N Xi n g - f u XU Y i - f e n g WA N G Xi a n - f e n g C o l l e g e o f Me c h a n i c a l a n d E l e c t r i c a l E n g i n e e r i n g C U MT， X u z h o u 2 2 1 1 1 6 ， C h i n a Ab s t r a c t I n t h i s a r t i c l e ， i n t h e fi r s t p a rt， t h e a u t h o r i n t r o d u c e s t h e a p p l i c a t i o n o f t h e h y d r a u l i c b r a k i n g s y s t e m i n t h e c o a l mi n e s ， t h e n p u t a n me c h a n i c s a n a l y s i s d u rin g t w o s t a g e b a k e p e ri o d ， h a v e a d i s c u s s i o n o n t h e w o r k i n g p rin c i p l e a n d d i f f e r e n c e o f c o n s t a n t l y d e c e l e r a t i n g h y d r a u l i c b r a k i n g s y s t e m a n d t wo- s t a g e b r a k i n g s y s t e m． i n t h e s e c o n d p a rt ， t h e p a p e r d i s e r i b e s t h e p r i n c i p l e a n d d i f f e r e n c e o f p r o p o rt i o n a l v a l v e a n d s e lTo v a l v e ． i n t h e t h i r d p a r t t h e p a r t t h e a u t h o r g i v e s a n s i mp l y i n t r o d u c t i o n o f t h e c o mp o s i t i o n a n d f u n c t i o n o f t h e E1 4 1 A c o n s t a n t l y d e c e l e r a t i n g h y d r a u l i c b r a k i n g s y s t e m， b a s i c c o mp o s i t i o n s a n d t h e ma i n f u n c t i o n s o f e a c h p a rt， d e s c ri b e s t h e p r i n c i p l e o f e l e c t r o n i c a n d h y d r a u l i c c o n t r o l s y s t e m d u rin g wo r k i n g b r a k e ． i n t h e p a rt ， t h e a u t h o r d i s c u s s e s t h e p rin c i p l e o f e l e c t r o n i c a n d h y d r a u l i c c o n t r o l s y s t e m d u ri n g s a f e t y b r a k e Ke y W o r d s p r o p o r t i o n a l r e l i e f v a l v e ； s e r v o v a l v e ； E1 4 1 A； c o n s t a n t l y d e c e l e r a t i n g h y d r a u l i c b r a k i n g s y s t e m； s a f e t y b r a k e O 引言 提升机是煤矿用于提升煤 、 人员 、 矸石及设备 的设 备 ， 是煤矿正常运行不可缺少 的设备 ， 提升机液压制动 收稿 日期 2 0 1 1 - O l l 7 作者简介 谭兴 福 1 9 8 7 一 ， 男 ， 汉族 ， 山东潍坊人 ， 中国矿业大 学机电学 院研究生 ． 方 向机械电子。 - 一 - - - 一 - 一 一 - 件归类 ， 依据下列方法重新组合选配。 经检查如果阀芯 、 阀体属于均匀磨损 ， 工作表面没 有严重划伤或局部严重磨损 ， 则依照有关手册 ， 选择出 具有合适间隙的阀芯 、 阀体重新装配 。如果阀芯 、 阀体 磨损不均匀或工作表面有划伤 ．通 过上述方法 已经不 能恢复液压 阀功能 ，则选择满足加工余量要求 的过盈 量 的一对 阀芯 、 阀体 孔尺寸小的阀体与外径尺寸大的 阀芯 ， 对 阀体孔进行铰削或磨削 ， 对阀芯进行磨削 ， 达 到合理的形状精度配合精度后装配。 系统则是矿井提升机的重要组成部分 ，它 的性能和可 靠性直接影响到煤矿的效率和安全 。 国内制动系统安全制动分为二级制动和恒减速制 动两种制动方式 。所谓二级制动就是将提升机所需的 全部制动力矩分二级进行施加 ， 它采用开环控制方式 。 第一级制动使系统 的减速度符合 煤矿安全规程 ， 确 保提升系统安全平稳可靠 ， 当提升机速度降为零 ， 再施 一 一- - -- 一 - 卜 一 - 一- - 一 一 一 - - 一一 - - 卜 - 一- 一 - 卜 - - 一 一 参 考 文 献 【 l 1 张利平 ， 等． 液压 气动技术速查手册[ M] ． 北京 化学工业 出版 社 ． 2 0 0 6 ． [ 2 ] 姚春东， 等． 液压传动实用技术[ M ] ． 北京 石油工业出版社 ． 2 o01 ． [ 3 】 刘 小群 ， 等． 机械设计 基础[ M】 ． 北京 人 民 邮电出版社 ， 2 0 0 7 ． [ 4 ] 关子杰． 润滑油与设备故障诊 断技术【 M ] ． 北京 中国石 化出版 社 ． 2 0 0 7 ． [ 5 ] 黄志坚． 液压故障诊断的思路 fJ 1 ． 液压气动与密封， 2 0 0 9 ． 【 6 】 李春． 液压故障分析与改进措施【 J 1 ． 液压气动与密封 ， 2 0 0 8 ． 3 5 液 压 气 动 与 密 封 ／ 2 01 1年 第 7期 加第二级制动 ， 满足 煤矿安全规程 对最大制动力矩 的要求， 从而使提升系统处于可靠地静止状态。 虽然二级制动在一定程度上缓解了对设备和人员 的冲击 。但是对于提升系统载荷重量变化大的副井来 说 ，即使采用二级制动仍不能时刻满足安全规程的要 求 ， 现在对提升机提升重物时 ， 受力情况分析如图 1 所 示 ． 根据达朗贝尔定理有 mt g ml a Tl mz g I “2 一 T 1 R M 式中m 左侧质量 ； m厂右侧质量 ； 左侧钢丝绳张力 ； 如一右侧钢丝绳张力 ； 一 制动力矩 R 钢丝绳到滚筒 中心的的距离 加速度。 图 1 提 升机 制 动 时 受 力 分 析 图 通过上式解得 一丝 二 r l l , 1 t o 【 ， n’ 十 对于开环控制系统 ， 制动力矩 是固定不变 ， 由制 动油压决定 ， 从公式 中可 以看 出， 加速度 口随着 m， 和 m 的大小和差值不断变化 ，比如当空载与两侧都载有 重物时， 虽然 m 一 r t b g R都 为零 ， 但是 m， m 相差特别 大 ． 因此加速度差别特别大 。或是对于下放重物 ， m 一 m。 为负值 ， 加速度特别大。通过现场了解 ， 由于载荷的不 同．及配重的不合适导致制动减速度不能满足安全规 程要求的情况也时常发生 。同时过大 的减速度对于人 员和设备的安全性都构成 了极大地危害。因此现在新 建的矿井和大型矿井都采用恒减速液压站。 恒减速制动系统是以减速度作为反馈信号的闭环 控制系统 ， 通过实时调节制动油压达到恒减速度制动。 它从根本上改善制动性能 ，提高提升机安全制动时的 可靠性和安全性。 1 比例阀和伺服阀的简介 电液 比例阀性能介于普通 阀和伺服阀之间 ．他既 可以根据输入信号的大小实现对油液压力 、流量和方 向的控制 ，同时在制造成本和抗污染方面比伺服阀要 高的多。 但是它工作的死区大 ， 死区占额定电流的 1 0 ％ ～ 2 5 ％， 动态响应比较慢。 伺服阀是液压伺服系统 和电子技术结合的产物 ， 与电液 比例阀类似 ， 能根据控制信号进行连续的控制 ， 它根据输人信号和输 出反馈信号连续成 比例的控制压 力和流量的液压控制阀，能将微弱的电信号转换成大 功率的液压信号 流量 、 压力 ， 实现对被控对象位移 、 速度 、 加速度及力的控制。它具有控制精度高 、 响应速 度快 可以高达 2 0 0 H z左右 、 线性度高， 死 区小或无死 区 。 比例阀和伺服阀在控制回路中都可用于开环和闭 式控制系统 中， 但是比例阀一般用于开环系统 ， 或要求 控制精度 不高或者对相应速度要求低 的闭环控制 系 统 ， 而伺服 阀主要用于控制精度高， 响应速度快的闭式 控制系统。因此工作制动使用电液 比例溢流阀， 通过改 变输入线圈的电流的大小 ． 控制电磁铁的吸力 。 改变先 导阀前腔的压力 ，从而对 阀出 口或进 口的压力进行调 节。恒减速制动环节采用伺服换向阀 ， 能够实时根据反 馈信号控制阀芯的位置。 2 基 于 E 1 4 1 A 系统 的恒 减 速制 动 系统 分析 2 ． 1 系统 工作原 理简 介 该液压站主要有以下几种功能 ，首先他可 以在提 升过程中参与速度 的控制即工作制动 ．在提升过程中 如果出现意外事故可以进行安全制动 ，当实行安全制 动时 ． 如果检测提升容器不在井 口， 系统执行恒减速制 动方式 ．当恒减速 出现故障时还可以立即转到二级制 动当检测到在井 口位置时 ，为 了防止出现过卷等事 故 ， 实行一级制动。 2 。 2系统组成简介 如图 2所示 ， E 1 4 1 A恒减速液压站主要由液压泵 、 油压传感器 、 蓄能器 、 滤油器 、 比例溢流阀 、 伺服阀 、 电 磁换 向阀、 制动液压缸 盘式制动器 等组成 ， 比例溢流 阀是工作制动的核心元件 ，伺服阀是恒减速制动的核 心元件 ，电液 比例溢流阀主要用于控制工作制动时系 统油压 ．伺服阀和蓄能器主要用于调节恒减速时的制 Hv d r a u l i c s P n e u ma t i c s S e a l s ， NO ． 7 ． 2 01 l 动力矩 ， 液压泵主要用于为系统提供动力源 ， 为了保证 系统能够可靠地运行 ， 防止因管路堵塞影响生产 ， 煤矿 上 的液压制动系统一般都采用双泵供油 ，当一个泵 出 现故障时 ， 可以立即切换到另一个泵 ， 提高系统的可靠 性 ， 液压缸是系统的执行元件 。 1 一 油箱2 一 电接点 温度计3 、 1 3 、 2 5 、 3 0 一 滤油器4 一 液位计 5 一 空气滤清器6 、 1 0 、 2 1 、 2 3 一 溢 流阀7 、 1 1 - 液压泵 8 、 1 2遥控 电动机9 、 1 4比例溢流阀 1 5 、 2 2 、 2 7、 2 8 、 2 9 一 两位 四通 阀 1 6 一 单 向阀 l 7 一 压力表1 8 一 电接 点压力表1 9、 3 2 一 截止阀 2 0 一 节流阀2 4 一 伺服换 向阀2 6 一 蓄能器3 1 一 压力传感器 3 3 一 盘式制动器 图 2 E 1 4 1 A液压系统原理图 2 ． 3工 作制 动分 析 工作制动就是在减速阶段及下放重物时 ，参与提 升机的控制。虽然随着 电力 电子技术 的发展 ， 交流变频 调速和直流调速取得 了巨大的进展 ，在许多煤矿液压 站已不再参与工作制动 ，但是在液压系统中它的功能 还一直保 留着。由于在提升或检修时， 需要提升容器停 在不 同的位置 ， 因此一般采用手动操作 ， 开环控制 ， 因 此采用 比例溢流阀参与工作制动。比例溢流阀与常规 的溢流阀相 比基本相同， 两者 的区别在于 ， 比例溢流阀 通过使用 比例电磁铁代替常规溢流阀中的调压螺钉控 制 出口压力。因此操作 司机通过控制系统操作 台手柄 的位置来控制比例溢流阀的控制电流。 由于控制 系统的电信号一般是弱电信号 ，与 电磁 阀动作所需要 的功率有一定差距 ， 因此如图 2所示 ， 一 般在 比例阀前 面， 一般都有一个 比例放大器 ， 比例放大 器是一个能对弱 电信号进行功率放大 、整形和运算的 元件。通过 比例放大器将控制信号送到 比例溢流阀 ， 从 而控制 比例溢流阀的最高压力 ， 实现调速功能 。 三 F _ 1 竺查 竺 H些 型 塑 垫 图 2 手动控制 比例溢流阀流程图 系统通过 阀 1 5得电和失电 。 选择泵 7或 9参与工 作 。 因此工作制动时液压油走向为 液压泵 7 9 滤油器 1 3 ． 1 1 3 ． 2 电磁换 向阀 1 5 _ 电磁换 向阀 2 9 Gl 得 电 一 滤 油器 3 0 _截止 阀 3 盘式制动器 3 3 2 ． 4安全 制 动 闭环 分 析 E 1 4 1 A的恒减速制动系统是一个压力和速度的双 闭环控制系统 。系统输出的控制电信号与测速 电动机 1 1 反馈 的信号构成一个整体反馈 ，同时还增加 了一个 局部反馈 ， 即油压反馈环节。 如图 3所示 ， 正常工作时， 继 电器 Kl 安全 回路 处 于闭合状态 ， 测速 电动机 1 1 输出正 比于滚筒转速的电 压 ， 经过放大之后输入积分函数发生器 2中。当出现故 障 安全回路断 电 时， 继 电器触点 K 1断开 ， 积分 函数 发生器 2的输出电压按事先调好 的斜率降低 。控制 阀 芯 的位移 ， 同时输出电信号与测速机 l l 反馈的电信号 进行 比较 ， 差值经速度调节器 3调节之后 ， 与油压传感 器 9的反馈值 比较 ，然后差值经过伺服放大器 6放大 处理 ， 然后控制伺服阀 7 ， 控制系统的制动力矩 。 此时液 压系统走向为 见 图 2 盘式制动器 3 3 截止阀 3 2 滤油器 3 O 电磁阀 2 8 一伺服换 向阀 2 4 - 油箱 1 如果系统油压下降过快 ， 制动减速度过大 ， 用蓄能 器 2 6为 系统 补油 蓄能器 2 6 滤油器 2 5 一伺 服换 向阀 2 4 电磁 阀 2 8 滤油器 3 截止阀 3 2 盘式制动器 3 3 当检测到速度为零后 ， 系统油压就会迅速降到零 。 此时液压油走向 盘式制动器 3 3 截止阀 3 2 滤油器 3 0 电磁阀 2 7或 2 8 油箱 l 3 7 液 压 气 动 与 密 封／ 2 0 1 1年 第 7期 图 3安 全 制 动 反馈 系统 腺 理 为 了 ’ 提高系统的可靠性 ，系统增加了逻辑反馈环 节 ， 并安装 了另外一台测速电动机 1 9与测速电动机 1 1 相互监视 ， 只要下面事件发生就会解除二级制动 ① 两 个电动机测得信号差值大于设定值 ；②通过积分 函数 发生器 2的输 出电压与测速机 1 1的反馈值差值大于 设定值 ； ③ 函数发生器 2与函数发生器 1 7的输 出差值 大于设定值。系统就会发出解除恒减速制动信号， 断开 反馈 ， 立即实行二级制动 。 二级制动就是先将油压降到一个设定值 ，该设定 值通过溢流阀 2 l设定 ，然后系统 以恒力矩方式制动， 此时系统回路为 盘式制动器 3 3 一截止阀 3 2 一 滤油器 3 0 一 电磁 阀 2 9 右位 一电磁换向阀 2 2 右位 一溢流阀 2 1 一油箱 1 。 延 时一段时间后 此时系统速度减为零 ， 阀 2 7的 G 3断电， 阀 2 8的 G 4得电， 系统油压迅速回零 ， 使系统 可靠地制动 盘式制动器 3 3 一截止 阀 3 2 一 滤油器 3 0 一 电磁 阀 2 7或 2 8 一油箱 1 当检测到提升容器在井 口位置时， 如果发生事故 ， 系统就断开反馈环节 ， 阀 2 7断电， 阀 2 8得电 ， 直接实 行一 级制动 盘式制动器 3 3 一截止 阀 3 2 一 滤油器 3 0 一 电磁 阀 2 7或 2 8 一 油箱 1 3 结束语 煤炭是我国的主要能源 ，液压站的可靠性对于正 常的生产存在至关重要的作用 ，恒减速液压站的应用 会越来越多， 逐渐成为提升系统的首要选择。凶此了解 液 压 站 的基 本 原 理 对 于 系 统 的维 护 和 改 进 有 重 要 帮 助 ， 虽然本文针对 E 1 4 1 A液压站进行介绍， 但是对于 _ r 解和熟悉其他液压站也有很大的指导意义。虽然本文 针对提升机制动系统进行介绍 ，对于其他行业也可以 提供一些借鉴 ， 比如系统在关键位置都采用双回路 ， 提 高系统可靠性 ，在恒减速制动时为获得合适减速度采 用伺服阀和蓄能器共同作用等 。 参 考 文 献 [ 1 】 黎启柏． 电液 比例控制 与数字控制 系统【 M】 一E 京 机械 业出 版 社 ． 1 9 9 7 ． 【 2 J 吴根 茂 ， 邱敏秀 ， 王庆丰 ， 等． 新编 实用电液 比例技术I M1． 杭 州 浙 江 大学 出版 社 ． 2 0 0 6 ． I 3 l 时统军 ， 陈继 勇， 王新栋 ， 等． E 1 2 8恒减速液 制 动系统的原 理及应用【 J 】 ． 煤矿机械 ， 2 0 0 5 1 1 ． [ 4 1 桑安 乐． A B B液压站原 理及应用 分析l J 】 ． 淮南 职业技 术学院 学报． 2 0 0 7 1 ． [ 5 ] 胡成名 ， 肖兴 明 ， 王美娜 ， 等． 摩 擦提升机防滑装置 的没计⋯． 煤炭科学技术 ． 2 0 0 8 4 ． 『 6 】 韩常俊． 塔式摩擦提升机安全制动减速度 的防滑验算I J ] ． 煤矿 机电 2 0 0 6 6 ． 『 7 1 谷松 山， 侯胜龙． 矿用提升机液压站故 障分析 L j 处理． 煤矿 机 械． 2 0 0 8 7 ． 机械工业“ 十二五“ 期间主攻五个重点领域 一 是大力发展高端装备 。包括先进高效电力设备 ， 大型石化设备， 大型冶金及矿山设备 ， 现代化农业装 备， 高效低排放内燃机 ， 数字化、 智能化仪器仪表和 自动控制系统等 。 二是新兴产业装备。包括新能源汽车 ， 核电、 风电 、 太阳能发电等新能源发电设备 ， 智能电网设备 ， 高档 数控机床及精密加工设备 ， 智能印刷设备 ， 海洋工程装备 ， 工业机器人与专用机器人， 大型智能工程建设机 械 ， 节能环保设备等。 三是 民生用机械装备。包括安全应急救灾设备 ， 医疗设备 ， 消费品现代化生产和流通的“ 完整解决方 案” ， 现代文办设备等。 四是关键基础产品。包括大型及精密铸锻件 ， 高档传动部件等关键基础零部件 ， 高端刀具等加工辅具 ， 特种优质专用材料等。 五是基础工艺及技术。包括铸 、 锻 、 热处理、 表面处理等基础工艺和先进设计技术 、 控制技术等基础技术。 38