矿用无极绳绞车液压驱动系统设计与模拟分析_牛昊.pdf

煤矿现代化2020 年第 1 期总第 154 期 无极绳绞车具有提升能力大、 占地面积小、 使用 方便等特点， 是煤矿井下重要的运输辅助工具， 但是 绞车的控制大多是采用手柄控制方式，来实现对绞 车提升设备运输速度、 升降进行控制， 手动控制时存 在控制精度低、 缺乏监控、 安全性不高、 驱动装置受 到的冲击比较大等问题[1～3]。笔者根据煤矿井下常用 的 JKY 型号液压无极绳绞车为例， 重新对液压控制 系统进行构建，以便实现提升绞车的自动化控制水 平， 增强矿井绞车的安全使用系数， 降低井下工作人 员劳动强度。 1JKY 绞车控制原理 图 1绞车控制示意图 在对绞车进行控制时，井下操作人员通过采空 绞车控制手柄来实现对绞车变量泵体 （ZBS- H915） 转子偏心度进行控制， 从而控制变量泵体流量值大 小， 达到对绞车运行速度控制的目的[4～5]。具体的液 压绞车控制原理如图 1 所示。开环控制系统中未设 置相关反馈装置， 绞车操作人员需要不断的调节手 柄进行调节，从而实现对液压绞车运行速度的控 制。由于设备上未有相关反馈以及显示装置， 因此 绞车运行过程的中速度， 运行的平稳程度以及准确 性往往需要凭借绞车司机的经验进行判断[6]。 2液压控制系统设计 2.1系统自动控制原理分析 绞车工作存在三种状态绞车下方、上体以及 停止制动， 设计的系统中单片机可以根据控制手柄 输入信号大小以及控制手柄处于的状态来对绞车 的运行状态输入情况进行判断，并作出一定的相 应， 图 2 是系统的具体判别流程。 图 2绞车运行状态判别流程 矿用无极绳绞车液压驱动系统设计与模拟分析 牛昊 （大同煤矿集团有限公司 忻州窑矿 ， 山西 大同 037003 ） 摘要 针对井下常用的无极绳绞车存在控制精度低、 缺乏监控、 安全性不高、 驱动装置易受到的冲 击等问题， 在 PLC 单片机以及 PID 控制器基础上设计了一种新型液压驱动系统， 实现了对绞车运转 速度精准控制， 从而提高绞车的自动化控制水平， 采用 AMEsim 软件模拟结果也表明， 设计的系统调 速平稳， 具有较强的可靠性。 关键词 绞车 ； 驱动系统 ； 速度分割 ； PLC单片机 中图分类号 TD534文献标识码 A文章编号 1009- 0797 （2020 ） 01- 0114- 03 Design and simulation analysis of hydraulic drive system for mine endless rope winch NIU Hao （Xinzhouyaocoal mine DatongCoal Mine Group Co., Ltd. , Datong 037001 , China ） Abstract Aiming at the problems of lowcontrol precision, lack of monitoring, lowsafety and vulnerable impact of driving device of common endless rope winch in underground mine, a new type of hydraulic driving system is designed based on PLC single chip computer and PID controller, which realizes precise control of winch running speed and improves the automatic control level of winch. The results are simulated byAMEsimsoftware. It alsoshows that the designed systemhas stable speed regulation and strongreliability. Key words winch; drive system; speed segmentation ; PLCsingle chip computer 114 ChaoXing 煤矿现代化2020 年第 1 期总第 154 期 绞车在提升相关设备以及材料过程中，控制手 柄处于向上推动状态， 推入量越大， 运转速度越快， 此时设备中三位四通电磁阀运行状态是处于左侧， 两位两通电磁阀运行状态是处于右侧， 两位两通电 磁阀处于完全开启状态， 用以绞车制动的制动器处 于松闸， 驱动电机处于正转状态， 带动钢丝绳将设 备以及材料进行提升， 系统中的 PID 控制设备以及 PLC 单片机共同作用来根据手柄推入大小通过控 制驱动电机的转速来对绞车卷筒转速进行控制； 当 绞车下方设备或者材料时， 三位四通电磁阀、 两位 四通电磁阀、 两位两通电磁阀与绞车提升状态时的 位置正好相反， 分别处于右侧、 左侧及关闭状态。 经 过 1.5s 时间后， 两位两通电磁阀开启， 绞车的液压 制动器处于松闸状态， 驱动电机发转， 下放设备材 料， PID 控制设备以及 PLC 单片机同样通过控制驱 动电机运转速度来达到对绞车下放速度的控制。 当 绞车需要停止运行时， 控制手柄处于未处于动作状 态， PID 控制设备以及 PLC 单片机协同将绞车卷筒 的运转速度降低至 0，并控制液压制动器，使其处 于开启状态。当绞车需要进行紧急停车时， 也可以 通过手动拉起设备旁的制动拉杆， 来实现停止卷筒 运转目的。 2.2速度自动调速分析 2.2.1转速控制分割 绞车控制手柄进行操作时，单片机中的模数转 换器对目标读数进行读取，并与驱动电机目前的运 转速度进行比对， 差值取值为△w。当控制手柄操作 需要的转速与当前驱动电机转速方向一致时，单片 机将△w绝对值除以 20r/min， 取得的数值即为需要 的目标转速， 将目标转速进行取整， 并记作 i， 并将目 标转速分割成 （i1 ） 个阶段目标运转速度， 前 i 个阶 段的目标转速度控制时间均保持为 1s。当取得的 △w值为正数时， 在前 i 个阶段， 每个阶段驱动电机 的运转速度增加 20r/min， 一直持续到第 i 阶段结束， 在第 i 阶段结束以后，目标转速增加到控制手柄需 要的转速；当取得的△w值为负数时，在前 i 个阶 段，每个阶段驱动电机的运转速度减少 20r/min， 一 直持续到第 i 阶段结束， 在第 i 阶段结束以后， 目标 转速增加到控制手柄需要的转速。 当控制手柄目标转速与当前驱动电机转动方向 正好相反时， 目标转速的控制分为两个大的阶段， 第 一阶段是先将目标转速变成 0，然后与当前驱动电 机转速取差值， 求得△w， 最后再将目标转速进行分 割； 第二间断， 将目标转速变成控制手柄需要速度， 然后与 0 转速进行作差求得△w， 最后再将目标转速 进行分割。 2.2.2PID 调速控制 系统中的 PLC 单片机完成对控制手柄目标转速 度分割之后， 在每一个速度分割阶段之内， 单片机将 目标转动速度分割值转变成目标速度，随后通过与 角速度传感器获得当前驱动电机的运转速度，计算 出运转速度与当前阶段目标速度之间的差值，差值 信号经过数模转换器之后的编程模拟信号传输到 PID 控制器，进而将驱动电机的运转速度调整到目 标速度， 经过 （i1 ） 个阶段的速度调整之后， 驱动电 机的运转速度调整至控制手柄的目标速度，完成对 绞车运转速度的精准控制。 3模拟验证 3.1模型建立 为了对建立的系统运行效果进行分析，采用 AMEsim 软件进行验证。 在 AMEsim 软件中建立绞车 液压控制自动控制模拟，在模拟运行环境中对 PID 控制参数进行赋值， 设定 K1为 50， Kp 为 1300， KD为 1000，绞车驱动电机的最大拉力值设定为 600kg， 模 拟 输 入 转 速 从0r/min～- 40r/min以 及 从 - 50r/min～0r/min 等情况下的绞车驱动电机的相应情 况以及转动速度的控制情况。模拟开始时间均设置 为 0s， 采样间隔时间均设置为 0.01s， 模拟仿真总时 间分别为 7s、 23s。 3.2模拟结果分析 当控制手柄的目标转速设定为 - 40r/min 时， 绞 车驱动电机的运转速度响应情况如图 3 所示。当控 制手柄目标转速设定为 0r/min 时，绞车驱动电机的 运转速度从 - 50r/min 的转速到 0r/min 的响应曲线如 图 4 所示。 图 3- 40～3 0r/min 调速过程转速响应曲线 从图 4 中可以看出，当驱动电机的运转速度由 0r/min 变成 - 40r/min 过程中，制动闸的开启时间延 迟 1.5s， 在整个速度下放期间， 转速没有发生较大幅 115 ChaoXing （上接第 113 页） [1] 王琦， 李术才， 李智等．煤巷断层区顶板破断机制分析及 支 护 对 策 研 究[J]．岩 土 力 学 ， 2012， 33（10） 3093- 3102． [2] 康红普， 冯志强．煤矿巷道围岩注浆加固技术的现状与 发展趋势[J]．煤矿开采， 2013， 18 （03） 1- 7． [3] 侯朝炯．深部巷道围岩控制的关键技术研究[J]．中国矿 业大学学报， 2017， 46 （05） 970- 978． [4] 刘泉声， 卢超波， 卢海峰等．断层破碎带深部区域地表预 注浆加固应用与分析 [J]． 岩石力学与工程学报， 2013， 32 （S2） 3688- 3695． [5] 郝育喜， 王炯， 王浩等．深井断层破碎带穿层软岩巷道锚 网索耦合控制对策[J]．采矿与安全工程学报， 2016， 33 （02） 231- 237． 作者简历 陈文云 （1986-） ， 男， 陕西榆林人， 工程师， 现在同煤集团 晋华宫煤矿综采四队从事技术管理工作。 （收稿日期 2019- 10- 25） 煤矿现代化2020 年第 1 期总第 154 期 度的波动， 系统的速度的调节总耗时在 3.7s， 最终的 绞车驱动电机的运转速度稳定在 - 39.60r/min，较目 标值小 0.40r/min， 远小于误差允许值 1r/min。 图 4- 50～0r/min 调速过程转速响应曲线 从图 4 中可以看出，当将绞车驱动电机的运转 速度由 - 50 r/min 调整至 0 r/min 的过程中， PLC 单片 机将目标转速的调整划分为 3 个阶段，分别是转速 从 - 50r/min 调整到 - 30 r/min、 - 30r/min 调整到 - 10 r/min 以及速度从 - 10 r/min 调整到 0 r/min。在 PID 控制器将转速从 - 50r/min 调整到 - 30 r/min 过程中 总耗时长为 1s，将转速 - 30r/min 调整到 - 10 r/min 时， PID 控制器转速调节耗时为 1s， PID 控制器将转 速从 - 10 r/min 调整到 0 r/min 过程中， 总耗时为 4s。 在对绞车驱动电机进行调速控制时，绞车的运行速 度未出现较大幅度的波动， 运行较为平稳。 表明设计 的绞车驱动控制系统是切实有效可行的。 4总结 设计的无极绳绞车液压驱动控制系统同通过 PLC 单片机以及 PID 控制器来实现绞车运行速度的 平稳控制， 当绞车控制手柄完成操作后， PLC 单片机 完成对绞车运行状态的综合判断，从而控制对各液 压阀进行控制， 对目标速度进行分割， PID 控制器通 过绞车驱动电机转速的控制完成对绞车转速的有效 调节，采用 AMEsim 软件对设计的系统进行模拟验 证， 结果也表明， 设计的系统能够对绞车运行速度进 行平稳调节。设计的制动系统可以提高了绞车的自 动化控制水平，解决了靠个人经验对绞车速度进行 控制存在的问题。 参考文献 [1] 秦亚洲. 矿用液压绞车结构设计与性能分析[D].安徽理工 大学,2018. [2] 秦亚洲,王传礼,杨林建.液压绞车电液控制系统设计及性 能优化[J].煤炭技术,2018,37 （04） 267- 269. [3] 许智远. 限载矿用双速绞车的设计与研究[D].中国矿业大 学,2017. [4] 黄成章. 重型液压牵引绞车的建模仿真及实验验证[D].浙 江大学,2017. [5] 徐胜轲,赵继云,丁海港,朱瑞,韩国芝,石高亮.防爆液压绞 车电液控制系统设计及试验 [J]. 液压与气动,2014 （07） 19- 21. [6] 李瑞斌. 液压驱动作业绞车设计及其工作性能研究[D].大 庆石油学院,2008. 作者简介 牛昊 （1985.10～） ， 男， 山西大同人， 2015 年 7 月毕业于辽 宁工程技术大学采矿工程专业， 大学本科， 助理工程师， 技术 员， 从事煤矿机电管理工作。 （收稿日期 2019- 3- 8） 116 ChaoXing