电动铲运机卷缆控制系统的研究.pdf

中图分类号 U D C 硕士学位论文 学校代码 密级 电动铲运机卷缆控制系统的研究 R e s e a r c ho f c a b l e - - r o l l i n gC o n t r o l S y s t e mo f t h e E l e c t r i cL 皿 作者姓名 学科专业 研究方向 学院 系、所 指导教师 黄爱国 控制工程 控制理论及其在自动化工程中的应用 信息科学与工程学院 粟梅 论文答辩日期丝 竺 中南大学 2 0 1 4 年5 月 答辩委员会主席兰场 万方数据 M ST H E S I S 胁明础o r c 枷e - r 珊则o n t r o - 燃嬲 S y s t e mo ft h eE l e c t r i cL H D S p e c i a l t y C o n t r o lS c i e n c ea n dE n g i n e e r i n g M a s t e ro fE n g i n e e r i n gd e g r e es t u d e n t H u a n gA i g u o S u p e r v i s o r P r o f ．S uM e i I n s t i t u t eo fI n f o r m a t i o nS c i e n c e E n g i n e e r i n g C e n t r a lS o u t hU n i v e r s i t y C h a n g s h a ，H u n a nP r o v i n c e ，C h i n a J u l y 2 ，2 0 1 0 1 1 万方数据 诚信声明 声明所呈交的这篇学位论文是本人在导师指导下，结合自己 的工作实际经验撰写的，不存在弄虚作假、虚构的情况，对于由于业 务水平的限制，可能存在严谨性不够等问题，希望批评和指出。尽我 所知，除了论文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中南大学或其他单 位的学位或证书而使用过的材料。 作者签名 参茏7 巩 学位论文版权使用授权书 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校 有权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文， 允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科 学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库， 并通过网络向社会公众提供信息服务。 ⅡI 万方数据 摘‘要 芬兰汤姆洛克 T A 凇O C K 公司生产的T O R o 一1 4 0 0 E 型电动 铲运机2 0 0 5 年2 月开始在铜陵有色金属集团公司冬瓜山铜矿使用，它 是矿山的主力铲出矿设备。国外厂家知识产权保护意识强，它们只供 操作、保养和维修的基础技术支持，对T o R o 一1 4 0 0 E 型电动铲运机 的其它重要方面，如独特的漏电保护器件原理及连锁控制、尤其是卷 缆控制系统不涉及，这给卷缆控制系统故障查找和排除带来许多困难。 电动铲运机卷缆压力控制过程是个滞后、非线性的过程，压力变化 的机理非常复杂，不易用数学推理方法建立被控过程的数学模型，本文 作者在多年实际应用和不断总结的基础上，从硬件选型和软件设计两 方面，对T O R o 一1 4 0 0 E 型电动铲运机卷缆控制系统进行了研究，详 细分析了卷缆系统的基本组成、基本要求和工作模式，从液压系统的 众多参数中，选择卷缆马达进口的压力作为卷缆液压系统被控参数， 根据卷缆压力的控制要求，确定控制检测器件，重点以油门位置传感 器A 3 0 1 为例，详细分析它的控制算法设计，研究了它的动态响应， 从理论上揭示了卷缆系统控制原理和方法，探究了影响卷缆控制系统 性能的因素，阐述了卷缆系统的调试、保养和维修的重要性、主要故 障的原因及处理方法，这些工作对卷缆控制系统故障排查及以后的国 产化，具有很大的研究意义和推广价值。 关键词电动铲运机；卷缆系统；压力控制；P L C ；阀V A ；阀V B I V 万方数据 A B S T R A C T E l e c t r i cL H I t y p eT O R O 一1 4 0 0 E ，m a d eb yT A M R O C KC o m p a n y i nF i n l a n d ，c a m ei n t ou s ei nF e b r u a r y2 0 0 5i nD o n g g u aM o u t a i nC o p p e r M i l l eo fT o n g l i n gN o n f e r r o u sM e t a l sG r o u pC o m p a n y ，i ti st h em a i n e q u i p m e n t t os h o v e lm i n eo r e ．C o n s i d e r i n gi n t e l l e c t u a lp r o p e r t y p r o t e c t i o n ，f o r e i g nm a n u f a c t u r e r so n l yp r o v i d e b a s i ct e c h n i c a ls u p p o r tl i k e o p e r a t i o n ，m a i n t e n a n c e ，r e p a i r , e c t ．B u t o t h e ri m p o r t a n ta s p e c t so ft y p e T O R O 一14 0 0 Ee l e c t r i cL H D ，s u c ha st h ep r i n c i p l eo fe l e c t r i cl e a k a g e p r o t e c t i o nd e v i c e sa n dl i n k a g ec o n t r o l ，a n di t ’sp e c u l i a rc a b l e r o l l i n g c o n t r o ls y s t e ma r en o ti n v o l v e d ．T h i sb r i n gl o t so fd i f f i c u l t yi ns e e k i n gf o r a n de l i m i n a t i n gt h ec a u s eo fm a l f u n c t i o no ft h ec a b l e r o l l i n gc o n t r o l s y s t e m ． A se l e c t r i cL H D c a b l e r o l l i n gp r e s s u r ec o n t r o lp r o c e s si sa d e l a y i n g ，n o n l i n e a rp r o c e s s ，t h ep r e s s u r ec h a n g i n gm e c h a n i s m i sv e r y c o m p l e xa n dd i f f i c u l tt ou s em a t h e m a t i c a lr e a s o n i n gm e t h o d t oe s t a b l i s h t h em a t h e m a t i c a lm o d e lo f t h ec o n t r o l l i n gp r o c e s s ．B a s e do n p r a c t i c a la p p l i c a t i o na n ds u m m a r i z i n gc o n s t a n t l yf o rm a n yy e a r s ，t h e a u t h o rh a ss t u d i e dt h ec a b l e r 0 U h 唱c o n t r o ls y s t e mo f t h et y p eT O R O - 14 0 0 Ee l e c t r i cL H D c a b l e r o l l i n gs y s t e mf r o mt w oa s p e c t s ⋯h a r d w a r e a n ds o f t w a r ed e s i g n ，t or e v e a lt h ep r i n c i p l ea n dm e t h o do ft h e c a b l e r o U i n gc o n t r o ls y s t e m ，t om a k ec l e a rw h i c h f a c t o r si n f l u e n c e t h ec a b l e r o l l i n gs y s t e m H o wd ot h e s ef a c t o r si n f l u e n c et h e s y s t e m W h a t ’St h ee x t e n to f t h ef a c t o r s ’i n f l u e n c e S o l v i n gt h e s e p r o b l e m sh a sg r e a ts i g n i f i c a n c ea n dl o c a l i z a t i o nv a l u e ． K E YW O R D S - e l e c t r i cL H D ，c a b l e - r o l l i n gs y s t e m ，p r e s s u r ec o n t r o l ， P L C ，v a l v ev A ，v a l v eV B V 万方数据 目录 摘要⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯Ⅳ A b s t r a c t ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．V 第一章绪论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 1 ．1 选题背景⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯l 1 ．2 电动铲运机的应用与发展现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 1 ．3 电动铲运机卷缆控制系统的研究意义⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 1 ．4 本文的主要工作⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 第二章电动铲运机简介⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 2 ．1 电动铲运机的基本组成⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 2 ．2 电动铲运机的工作原理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．8 2 ．3 电动铲运机的主要特点⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 2 ．4 电动铲运机的主要技术参数⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯9 2 ．5 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 l 第三章电动铲运机的卷缆系统⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 2 3 ．1 卷缆系统的基本组成⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 2 3 ．2 卷缆系统的工作原理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。1 7 3 ．3 卷缆系统的基本要求⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一1 7 3 ．4 卷缆系统的工作模式⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 7 3 ．4 ．1 一般放缆模式⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 8 3 ．4 ．2 一般收缆模式⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯18 3 ．4 ．3 特殊放缆模式⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 9 3 ．4 ．4 特殊收缆模式⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 9 3 ．5 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一2 0 第四章电动铲运机卷缆控制系统⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．j ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 l 4 ．1 被控参数的选择⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。2 1 4 ．2 卷缆压力的控制要求⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 1 4 ．3 卷缆压力控制系统元器件的选型与设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一2 1 4 ．3 ．1 卷缆压力闭环控制系统的组成⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 1 4 ．3 ．2 被控对象⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 2 4 ．3 ．3 执行机构⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 2 4 ．3 ．4 测量装置⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 3 4 ．3 ．5 给定控制装置⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 4 4 ．3 ．6 控制器⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 5 V I 万方数据 4 ．4 卷缆压力系统的控制流程⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一3 2 4 ．4 ．1 卷缆压力控制流程⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 2 4 ．4 ．2 收缆控制过程⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 4 4 ．4 ．3 放缆控制过程⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 6 4 ．5 卷缆压力系统控制方法设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 8 4 ．5 ．1 不同模式下系统的控制结构⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 8 4 ．5 ．2 系统建模⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 0 4 ．6 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 2 第五章卷缆系统的调试、保养和维修⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 3 5 ．1 卷缆系统的调试⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一4 3 5 ．2 卷缆系统的保养⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 3 5 ．3 卷缆系统的维修⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一4 4 5 ．4 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 4 第六章总结与展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一4 5 6 ．1 课题总结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一4 5 6 ．2 进一步的研究方向和未来的展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。4 5 6 ．3 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 6 附电动铲运机及卷缆系统部件照片⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 7 附图1L H 5 1 4 E 电动铲运机前模块、中间模块、座椅模块⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 7 附图2L H 5 1 4 E 电动铲运机电源模块、后模块⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 7 附图3L H 5 1 4 E 电动铲运机显示模块⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一4 7 附图4T O R O ．1 4 0 0 E 电动铲运机⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 8 附图5 滑环盒及脉冲发电机⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 8 附图6 卷缆控制系统S 7 ．3 0 0P L C ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 9 附图7 放大器A - 6 1 5 、A 6 1 6 ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 9 附图8 收缆阀V B ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 0 附图9 变量柱塞泵⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 0 参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 l 致谢⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 3 攻读工程硕士期间的主要成果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 4 ⅥI 万方数据 1 ．1 选题背景 第一章绪论 我国矿山企业生产效率低下的一个重要的缘由，除采选矿技术和工艺比较落 后外，是矿山的设备配置水平低下，与发达国家相比，差距非常明显，以前的采 矿技能工艺和装备没法完成高效益的开掘。对深部、难开掘、低品位矿产资源采 用综合性的、高强度的、大规模的开采技术和工艺，不遗余力地推广和使用先进 的无轨采掘装备是提高矿山经济效益一个非常有效的方法【l l 。 冬瓜山铜矿是目前亚洲矿井最深的现代化矿山，2 0 0 7 年1 0 月正式生产。为了 满足1 ．3 “ 1 0 4 吨／日掘进、采矿、运输、提升、选矿的需要，达到高强度、高效率、 高效益的目标，一项主要工作是大量采用先进的技术装备，先后从瑞典、芬兰等 国家引进了T O R O ．1 4 0 0 E 、L H 5 1 4 E 电动铲运机、T O R O ．0 0 7 、T O R O - 1 4 0 0 D 、L H 3 0 7 、 L H 5 1 4 柴油铲运机、S i m b a 2 6 1 潜孔钻机、S i m b a H l 3 5 4 中孔钻机等一大批先进设备， 大大提高了矿山的设备水平州J 。 铲运机是矿山强化开采必不可少的重要设备，它是由装料、运输、卸料设备 逐步演绎而来【5 1 。柴油铲运机的运行过程中，消耗大量氧气，其排放出来的尾气 中含有大量有毒有害的成分，造成空气污染，对人的身体造成极大的伤害，柴油 铲运机都安装有尾气净化装置[ o q ，所以在柴油铲运机作业的场所，安装大量的、 大功率的通风机站。电动铲运机没有尾气废气排放，主要用于采矿点装载，底部 掏槽充填、硐室的开掘、矿柱的二次开采、水平巷道和坡道斜的掘进等作业【7 J 。 电动铲运机的三相鼠笼式电动机的过负荷本领是额定力矩的2 倍，这样它的铲斗有 较高的插入力，作业时的生产效率比柴油铲运机要高，柴油铲运机的能源费用相 反比电动铲运机大约要高4 0 ％。另外，电动铲运机无添加燃料的时间，修理时间 相对少，其利用率较柴油铲运机高；比起柴油发动机，电动铲运机工作时的热辐 射少、噪声也低蝉J 。 冬瓜山铜矿现有近2 0 台各种型号规格的电动铲运机，其中瑞典山特维克集团 旗下芬兰汤姆洛克公司出产的T O R O - - 1 4 0 0 E 型电动铲运机8 台，2 0 0 5 年2 月开始使 用，是矿山的主力出矿设备，主要用于井下6 7 0 m 到一8 5 0 m 中段的矿石运输作业。 电动铲运机的一大特点是其独特的卷缆控制系统【9 】，电缆经托辊、导向轮后缠绕 在电缆卷筒上，再通过滑环和碳刷的中转过渡，连接到电动铲运机的电气控制箱 上给各电气设备供电。因为有拖曳电缆，其应用范围受到比较大的影响，接电缆、 拆电缆、搬运电缆、电缆的敷设和修理都需要额外的时间，从而限制了它的灵活 万方数据 生直太堂亟堂位论空一 簋二童绪i 金 使用和机动性【1 0 1 。卷缆控制系统的性能好坏直接决定了电动铲运机的运行状况和 效率，国外厂家知识产权保护意识很强，芬兰汤姆洛克公司 T A M R O C K 只提 供操作、保养和维修的技术支持，对T O R O - - 1 4 0 0 E 型电动铲运机的其它核心技术， 如独特的漏电保护器件及连锁控制、卷缆控制系统等则对用户是不透明的。卷缆 控制系统的P L C 只提供坏了更换的备件号 0 8 0 0 1 9 6 2 。南京梅山铁矿隋福仁发 表在安徽工业大学学报上的文章T o R D 一1 4 0 0 E 电动铲运机卷缆系统控制原 理及故障判断，从日常的操作维修出发，概括性介绍了T O R o 1 4 0 0 E 电动铲运 机卷缆控制系统，通过对电缆控制原理的分析，确定故障判断的方法，这种介绍相 对简单和宽泛。因此，对T o R D 一1 4 0 0 E 型电动铲运机卷缆控制系统进行进一步深 入细致的研究，探究了卷缆控制系统的工作原理，影响系统性能的因数，这些因 数影响的过程及影响的程度，这些工作对电动铲运机的运行、维护及国产化的研 制和开发具有极其重要的意义。 1 ．2 电动铲运机的应用与发展现状 上世纪七十年代，我国开始应用和研究无轨设备及技术，1 9 7 5 从波兰第一次 进口2 立方米的I ，K 一1 型柴油铲运机，在宝钢所属南京梅山铁矿使用，用的效果 良好，之后又进口了芬兰1 ．3 立方米T O R p 一1 0 0 E 型电动铲运机、法国的0 ．8 3 立 方米E C T 一1 5 0 0 型和3 ．8 立方米E C T - - 6 0 0 0 型电动铲运机、美国的0 ．7 6 立方米 E H S l 一_ lA 型和1 ．7 立方米9 2 2 E 型电动铲运机，在促进我国研究开发这些以前 没有使用过的铲运机方面，发挥了极其重要的作用。 由于进口无轨设备及其备品备件价格昂贵，并且备品备件提供不及时和管理 难度大，存在影响生产的问题。沈阳通用机械厂、等单位与湖南长沙矿山研究院 互助协作，成功研制1 ．0 立方米D C Y 型、I ．5 立方米W ／D 型电动铲运机；江西南 昌通用机械厂与南昌矿山机械研究所紧密合作；扬州冶金机械厂与安徽马矿院密 切合作，都成功地研制了W ／D 系列电动铲运机。 进口备品备件存在供应不及时影响生产的问题，国产化正好可以为了解决进 口备品备件供应的难题，结果我们一开始走了极端，一味片面地强调了国产化率， 实际情况是国内工业基础水平偏低，加工方法和精度及材料品质的限制，导致国 产化的备品备件质量过关，故障率很高，根本不能满足生产的需要，另外，诸如 变矩器、驱动桥、差速器、湿式制动器、动力换档变速箱等等许多关键部件，它 们的制造难度很大，技术要求很高，没有长时间的知识积累和实践应用，实现国 产化很难，也不现实。通过深刻的反思和前人的经验和教训的总结，铲运机攻关 的要点由片面强调国产化率变化为注重整车的机能和可靠性，配套的重要的和关 键的零部件采取全球化采购的方式，购买国际著名公司的产品，如C l a r k 的变矩器、 万方数据 生直太堂亟堂僮睑塞筮二重绪论 变速箱、D a n a 的驱动桥等，依据这种形式，通过近3 0 年的科研探索和经验的堆累， 国产配置的井下无轨装备技术水平登上一个新台阶。国内厂家制造的无轨设备主 要有安徽铜陵有色铜冠机械的w J D ．2 ．0 、3 ．0 、4 ．0 型2 ．o _ _ 4 ．0 立方米地下电动铲 运机；湖北恒机的H L W J D 型1 ．o _ _ 3 ．0 立方米地下电动铲运机当前，国产铲运 机已基本能够满足4 立方米及以下的要求。 由于柴油铲运机运行过程中，效率偏低，又消耗大量氧气，排放的尾气中含 有大量有毒有害成分，污染空气，对人身造成伤害，所以许多矿山企业采用电动 铲运机进行装卸、运输作业。统计结果显示我国使用地下铲运机的主要矿山中， 电动铲运机约占总量中的3 0 ％，其中国产电动铲运机占电动铲运机总量5 0 ％以 上。 随着电动铲运机使用数量的增多和范围的扩大，电动铲运机研制和发展技术 得到了比较大的发展，如瑞典山特维克集团旗下芬兰汤姆洛克公司最新研发的 L H 5 1 4 E 型电动铲运机，技术很先进，它采取了模块化的设计方式，它的前模块、 座椅模块、中间模块附图l 所示；电源模块、后模块附图2 所示；显示器模块附 图3 所示，这些模块输入输出接口完全相同，通过程序刷新，可以互换，各种故 障和报警都在显示模块呈现出来，也可以通过故障代码和报警代码，知道问题所 在，避免耗时费工的查找，维修护理极为方便。此外，L H 5 1 4 E 型电动铲运机选 用了手动和遥控一体化的技术，就是在设计手动铲运机的同时考虑了怎样完成遥 控功能，留保了液压、电气接口位置，方便与遥控系统迅速连接，根据该电气系 统和液压执行器遥控控制结构的功能模块的设计，只要安装了遥控控制功能模块， 一台普通的手控电动铲运机就摇身一变，成了用途更为广泛的遥控电动铲运机， 遥控电动铲运机通常用在一些特殊的场合，如冬瓜山铜矿采矿场的扫残作业，由 于顶帮板矿石可能的冒落，比较危险，这时，就需要电动铲运机遥控作业，把采 矿场的残矿运出来，避免矿石损失和浪费，经济效益非常显著。 1 ．3 电动铲运机卷缆控制系统的研究意义 由于国内不少矿山使用的大部分都老旧的产品，很多是早期产品，技术上和制 造工艺水平比较落后，同时，一个现实的问题是备品备件难于购买且价格昂贵 不能满足目前矿山生产的需要。 矿山企业使用的大部分则多是价格相对低廉的、国产化的、“山寨”版的电动 铲运机，存在技术转化没有完全消化吸收，控制功能不完善等问题，因此对电动 铲运机的研究非常有必要，如果国内能够掌握国外厂家电动铲运机先进且关键的 卷缆控制技术，不仅可以结束我国反复引进电动铲运机的局面，为国家节省大量的 外汇，而且能够改进或改造以前老旧的电动铲运机。 万方数据 虫直太堂亟堂焦j 金窒 箍二童绪i 金 电动铲运机卷缆系统的复杂性和安全要求增加了电动铲运机卷缆系统国产化 的难度，因此对国外电动铲运机成熟的卷缆控制技术进行深入细致的研究不仅很 有必要，而且非常紧迫，国内有的厂家就因为对电动铲运机卷缆控制系统研究的不 够，出现卷缆系统工作不正常不收缆或把电缆头拉掉，因此安全可靠地控制在 电动铲运机卷缆控制系统中，有着不可忽视的地位。 卷缆控制是电动铲运机关键技术之一，卷缆压力是电动铲运机最重要的控制 参数，卷缆压力控制的好坏直接影响到卷缆系统是否能够安全可靠的运行，因此， 卷缆压力控制精度的高低代表了卷缆压力控制水平的高低。国内外许多专家学者 对电动铲运机卷缆压力控制系统进行了研究。另外，电缆的同步性能也是电动铲 运机的研究热点，较差的电缆同步性能将导致电缆的拖曳破损，使生产费用及出 矿成本增加，并影响作业安全【n d 6 1 ，而优良的同步性能可避免工作过程中断缆、 松卷、甩缆的现象，提高设备的安全性能和井下工作设备的自动化程度，同时可 减轻工人的劳动强度，因此，如何提高电动铲运机供电电缆同步自动收放性能就 显得尤为重要，具有重要的现实意义和应用价值【⋯7 ‘1 9 1 。中南大学的夏建芳基于C Y E 2 型电动铲运机提出了一种新型数控卷缆装置的控制策略，改善了电动铲运机在 工作过程中收缆与放缆的同步性能；文献[ 2 0 】设计了一种数控卷缆装置，提高了电 动铲运机收缆与放缆的同步性，将电缆的张力控制在一定的范围内，减轻了电缆 的甩动程度。因此，本文将以T O R O ．1 4 0 0 E 电动铲运机为对象，对电动铲运机卷缆 系统组成、工作原理、控制方法和相关影响因素展开研究，为电动铲运机的应用 提供一定的借鉴和参考。 1 ．4 本文的主要工作 本文以铜陵有色公司冬瓜山铜矿瑞典山特维克集团旗下芬兰汤姆洛克公司 制造的T O R O ．1 4 0 0 E 电动铲运机为研究对象，从电动铲运机卷缆工作机理与设备 出发，研究了T O R O - - 1 4 0 0 E 电动铲运机卷缆压力的控制方式及系统。 全文共分六章，各章节内容安排如下 第一章介绍了电动铲运机卷缆控制系统的选题背景、应用与发展现状，阐述 了卷缆控制系统的研究意义。 第二章详细介绍了电动铲运机基本组成及其工作原理，阐述电动铲运机的主 要特点和技术参数。 第三章在介绍了电动铲运机卷缆系统的基本组成和工作原理的基础上，概述 了电动铲运机卷缆系统的基本要求，详细地分析了系统如何根据传动轴脉冲传感 器、油门位置传感器、导向架位置传感器和卷缆脉冲生成器所发出的信号来决定 电动铲运机卷缆系统的一般放缆、一般收缆、特殊收缆、特殊放缆4 种工作模式。 万方数据 虫直太堂亟堂僮论室筮二重绪论 第四章首先从液压系统的众多参数中，选择压力作为卷缆的被控参数，然后 根据卷缆压力的控制要求和影响要素，确定控制检测器件，重点以油门位置传感 器A 3 0 1 为例，详细分析它的控制原理，研究了它的动态性能和稳态精度，从理 论上揭示了卷缆系统控制原理和方法。 第五章阐述了T O R O - - 1 4 0 0 E 型电动铲运机卷缆系统的调试、保养和维修的 重要性，详细介绍了电动铲运机卷缆系统的调试方法、保养内容和主要故障的原 因及处理方法。 第六章对课题研究进行了总结，指出电动铲运机液压传动的卷缆控制系统也 存在的不足之处和未来的研究方向。 万方数据 第二章电动铲运机简介 瑞典山特维克 S A N D V l K 集团旗下芬兰汤姆洛克 T A M R O C K 公司生产的 T O R O ．1 4 0 0 E 电动铲运机 见附图4 采用机机械、电气、液压一体化的控制方法， 三相异步电动机做驱动动力，整机性能稳定可靠，操作简单，维护修理便利，生 产效率高，能适应狭小、局促、低矮、泥泞的恶劣作业环境，是一种比较理想的 地下矿运装卸无轨设备。但是由于电缆拖曳的限制，影响其灵活性，在转换作业 地点时，需拆装和悬挂电缆，且电缆价格较高，所以不适应运距较长或矿点分散 的场所作业l l J 。 2 ．1 电动铲运机的基本组成 电动铲运机的种类和型号很多，仅以卷缆装置的外形结构来分就有三种形 式大直径、横卧、窄卷筒、平轴式；小直径、横卧、宽卷筒、平轴式大直径、 直立、窄卷筒、竖轴式[ 2 2 1 。不论哪种电动铲运机，它们通常都有卷缆系统、工作 系统、传动系统、制动系统、电控系统等5 个子系统组成，且子系统之间存在交 叉关系。以大直径、横卧、窄卷筒、平轴式的T o R 0 卜- 1 4 0 0 E 型电动铲运机为例， 其结构如图2 ．1 所示。 1 卷缆系统卷缆泵、卷缆盘、卷缆P L C 、阻尼油缸、摆动架、导向轮、托 辊、收缆阀V A 、放缆阀V B 、卷缆释放阀、卷缆马达、旁通阀、 缓冲油缸、制动压力传感器、卷缆盘旋转方向传感器、传动轴 旋转方向传感器、摆动架位置传感器。 2 工作系统工作主泵、转向手柄、翻斗提升手柄、档位手柄、转向油缸、 举升油缸、翻斗油缸、大臂、工作阀块、铲斗。 3 传动系统变矩器、变速箱、主传动轴、前传动轴、后传动轴、前驱动桥、 后驱动桥、中间铰接。 4 制动系统制动泵、制动释放泵、蓄能器、脚刹比例阀块、手刹方向阀块、 轮边制动器。 5 电控系统主电动机、风扇电机、制动释放电动机、电子油门、滑环、碳 刷、电缆、继电器箱、接触器箱、仪表箱。 6 万方数据 划 V l l 7 圃霉姆g嚣卿冬蒋卿_【匝 寸冬至培曩寸霜．cI 耳曩求将式_ 鲻醛垦母．【_ 删哥种．o _ 暴蒋呈f柱．6桀锻制．8 暴需蜒删一 椎禁锹．9 幂需田州“ 醛惑黼寸 稍翳艴n 器臀鞋．N 骥辗．_ ∞一 N 一 ① ∞ 卜 万方数据 2 ．2 电动铲运机的工作原理 T O R O - - 1 4 0 0 E 型电动铲运机采用1 K V 交流异步电动机作为驱动动力、电 气、液压、机械一体化的控制方式，电气系统通过控制液压油路上的各种阀块来 间接控制机械部件做行走、举升、翻斗、转向、收缆、放缆等动作，从而完成装 料、运输、卸料的作业，它的传动系统、工作系统、制动系统、卷缆系统、电控 系统工作原理如下 1 传动系统是将主电动机所提供的动力传给变矩器、再通过变速箱主轴传 动、前桥、后桥，驱动车轮转动，完成行走、铲装等作业。 2 工作系统是由主电动机带动液压泵，提供压力能，通过转向手柄、翻斗 提升手柄、先导液控阀的动作，转向油缸，升降油缸，铲斗油缸的运动，带动旋 转大臂架，连杆，铲斗的操作，实现装卸物料的功能。 3 制动系统是由主电动机带动制动液压泵，提供伍力能，分为行车制动、 停车 紧急 制动，属于弹簧制动，液压解除，行车制动和停车的紧急制动的执 行机构相同，都作用在电动铲运机的4 个轮子上。 行车制动当正常行驶时，制动液压油通过脚刹比例阀和紧急制动阀的串联， 提供先导油，使制动比例阀动作，制动液压油进入制动器油缸里，打开制动，车 子行驶；当踩下脚刹，制动油缸里的液压油，经过制动比例阀流回到油箱，油压 释放掉，弹簧迅速制动，使电动铲运机停车，制动压力可以随着脚刹比例阀的行 程改变而线性变化。 紧急制动当正常行驶时，制动液压油通过脚刹比例阀和紧急制动阀的串联， 提供先导油，使制动比例阀动作，液压油进入制动器油缸里，打开制动，车子行 驶按下紧急按钮，紧急制动电磁阀动作，作用在制动器油缸里的制动液压油， 通过制动比例阀直接回到油箱，制动液压油油压迅速释放，弹簧制动，使电动铲 运机立即停车。 4 卷绕系统根据不同的工作模式和卷盘中电缆的实际数量实现电缆的压力， 稳定收放缆压力，避免电缆张力过大或过小，提高卷缆系统工作的可靠性。 2 ．3 电动铲运机的主要特点 T O R O - - 1 4 0 0 E 型电动铲运机的主要特点 1 采用电气、液压、机械一体化的控制方式，整机性能稳定可靠，操作简 万方数据 生直太堂亟坐位i 金室 箍三童虫动笙运扭筒企 单灵活，维修方便，动作快，降低了劳动强度，生产效率高。 2 电动铲运机的能源消耗的成本低于柴油铲运机5 0 ％左右，柴油机的修理 成本占成本的1 5 ％，电动机的寿命比电动铲运机本身的寿命长。 3 以交流异步电动机为动力，滑环盒内有4 个被绝缘体隔离的导电铜环即 滑环，导电铜环与电缆卷简轴同速转动，由与导电铜环接触的4 个炭刷将电源引 入，给交流异步电动机供电。 4 制动系统通常采用工作制动与紧急制动双联设计，制动效果良好，安全 系数非常高。 5 卷缆系统采用液压驱动式电缆卷筒，西门子S 7 3 0 0 型P L C 控制，利用 液压系统的液流来实现与电动铲运机行走速度同步，电缆卷筒具有同步性能好， 操作方便，收放缆平稳，可根据使用情况，通过收缆阀V A 、放缆阀V B 来调整卷 缆压力，很好地保护了电缆。 6 液压油、传动油一体的散热装置，散热器由两台电动机吹风散热，散热 效果比较好。 7 回油压力监控，便于使用者维护保养。 2 ．4 电动铲运机的主要技术参数 本课题的研究对象为芬兰汤姆洛克公司制造的T O R O - - 1 4 0 0 E 型电动铲运机， 它的主要技术参数见表2 ．1 口3 】。 表2 ．1T O R O - - 1 4 0 0 E 电动铲运机的主要技术参数 项目名称参数 总长1 0 2 0 0 m m 最大宽度 无铲斗 2 6 6 2 m m 主要尺寸 铲斗宽度3 0 0 0 m m 带驾驶室的高度 2 5 4 0 m m 整车重量 无负载 3 3 8 5 0 k g 总重量 带额定负载 4 7 8 5 0 k g 前桥负重 无负载 1 5 2 0 0 k g 重量 后桥负重 无负载1 8 6 5 0 k g 前桥负重 带额定负载 3 7 0 0 0 k g 后桥负重 带额定负载 1 0 8 5 0 k g 能力铲矿能力 1 4 0 0 0 k g 9 万方数据 主直_ 太堂亟堂焦论塞箍三童．虫动壁重扭篮企 翻斗2 3 0 K N 举升2 7 5 K N 翻斗负载 2 6 8 0 0 k g 铲斗容积 6 ．5 m 3 举升 7 ．O S 铲斗动作时间下落 4 ．O S 倾倒 1 ．8 S 一档 3 ．9 k m ／h 二档 7 ．0 k m ／h 驾驶速度 三档 1