下运带式输送机液压软制动系统的改造及应用_赵映辉.pdf

下运带式输送机液压软制动系统的改造及应用赵映辉（山西焦煤西山煤电西铭矿选煤厂，山西太原030052）摘要：通过对软制动液压站的设计进行了深入的分析和总结，并根据现行的新规范进行了软制动液压站的设计，以期能有效地减少带式输送机刹车失败的危险情况发生，提高液压控制系统的可靠性。关键词：下运带式输送机；液压软制动；遗传算法；PID中图分类号：TD528+.1文献标识码：A文章编号：1003-773X（2023）06-0038-020引言20 世纪 80 年代后期，我国已开始采用下运带式运输机，但随着有关技术的突破和倾斜煤层的逐步扩大，目前国内对下运带式输送机的需求也日益增加。由于在发电条件下，下运带式输送机的总体运行阻力方向和运行方向是一致的，很容易造成飞车和物料滚落事故，因此，要确保物料的安全运输、设备和人员的安全，可靠的制动器是十分必要的。制动器作为下运带式运输机的核心部件，在生产中起着举足轻重的作用，是连接井上与井下的主要交通要道1，其安全与否直接影响到煤矿工人的生命和煤矿的安全生产。当输送带速度由额定速度降到停止时，为了保证输送带在任何情况下都能顺利刹车，必须考虑到惯性问题，所以，制动装置能否正常工作，将直接影响到矿井的安全和生产效益。1下运带式输送机液压软制动系统的设计1.1软制动液压回路设计近几年，随着机电液控制技术的发展，矿井安全生产的需求越来越大，使得液压系统越来越趋向于高性能、高稳定性、多样化。西马格恒减速器和 ABB 液压站均已实现了恒速安全制动和工作制动，但这种恒定减速器是适合煤矿起重设备，如果将其用于皮带运输机，仍有许多问题有待改进2。本文将根据国内外有关恒速液压站的设计经验，并根据国家标准关于煤矿皮带传动的新要求，进行皮带机软制动系统的设计。本文所研究的皮带运输机软制油液压系统，主要包括工作制动回路和液压安全软制动回路。由于矿井安全规范中关于制动程序的规定，要求下运输皮带运输机的制动过程是安全可靠的，两个制动器分开，这样制动器过程就不会相互影响，而且系统的可靠性也可以通过对关键阀门进行冗余。液压系统工作制动器电路包括电磁换向阀、电磁比例安全阀；液压系统的软制动安全回路包括电磁换向阀、高频换向阀、气囊储存器和电液比例减压阀；若恒减速软制动失败时，通过节流回路进行制动，节流制动器包括电磁换向阀，调速器和安全阀和储能器。为了确保液压泵站的安全、温度和压力的可靠，本文所设计的液压系统在各关键部位都加装了压力传感器和压力继电器，实现对系统油压的实时监控。1.2具有监测制动正压力的制动器设计传统的圆筒后置盘式制动器是当前市场上普遍采用的一种制动器，但近几年来也发现了一些问题：由于三个位置同心，容易产生卡滞；后盘制动器在松开时会产生刹车的正压，使碟片变黄，从而使中央轴受拉力太大，导致中轴从根部断裂，发生事故3。随着安全生产管理水平的提高，对制动器性能的要求也越来越高，后置式圆盘制动器已经很难适应市场的需求，因此，研制一种能够更好地解决以上问题、提高安全性、增加监控性能的制动器是非常必要的。本文在分析传统盘式制动器的现状和缺陷的基础上，对新式制动器进行了优化，并具备了制动故障检测和制动正压监测，如图 1 所示。为防止制动圆筒转动，制动器圆筒 12 和制动器本体 11 通过平面按键 10 相连接，构成滑动摩擦模式；一个盘簧被安装在制动筒的内侧，弹簧传感器 9 用来测量盘簧的作用力；在活塞的一端设置有一个圆盘 3，该圆盘 3 通过螺栓 1 与该圆筒 12相连接，该进油孔与该油路 6 相通，并且该进油孔设计收稿日期：2022-09-21作者简介：赵映辉（1974），男，河北鹿泉人，大专，毕业于太原理工大学机械电子工程专业，机械助理工程师，研究方向为机电。总第 242 期2023 年第 6 期机械管理开发MechanicalManagementandDevelopmentTotal 242No.6，2023DOI:10.16525/14-1134/th.2023.06.0151拉紧螺栓；2油缸盖；3圆盘；4活塞；5密封圈；6油道；7调节螺母；8油缸；9碟簧座传感器；10平键；11制动器体；12制动器筒体；13碟簧；14闸盘；15闸瓦图 1新型盘形制动器765432112131415111098试验研究2023 年第 6 期在油缸的外圆筒表面上；气缸和活塞之间的密封件由气缸头紧固而成；油缸头和油缸是固定在一个整体上的，调节螺帽 7 装在储罐中，用于调节闸间缝。新型盘式制动器的工作过程分为两个阶段，即松开和闭合，在松开的时候，液压站的油液从压力管的接口流入盘式制动器油液室，由液压油驱动活塞向左侧运动。活塞向左的运动也使转子左右摆动，因为转子由联轴节螺栓与制动筒和制动衬套相连，因此，当活塞向左偏移时，制动片就会向左偏转。在此工艺中，由于盘簧的左端受碟簧座的约束，而右端受制动筒的约束，所以它会受到挤压，制动器上释放制动的正压力，由此完成松闸过程。2下运皮带机软制动控制策略的研究2.1软制动控制方案的设计软制动系统主要由液压、电气控制两部分组成。液压系统是由电子控制子系统和盘式制动系统控制的主体。电力控制系统是制动器的控制核心，其主要任务是监控液压系统的电磁换向阀的运行状况，并对其工作状况做出判断，当收到恒减速制动器指令时，将控制信号传送给恒定减速控制单片机。同时完成对滚筒减速、液压系统进行压力的测量，并将 PLC 与主计算机通过无线通讯模块相连，实现阀门的工作状态和健康情况的实时显示。根据电气控制系统的功能需求，将 PLC 和单片机相结合，实现了对下运带式输送机制动器的控制。PLC 具有较好的抗干扰性和较高的驱动负荷能力，能够在矿山条件恶劣的情况下工作，其主要任务是向用户发出安全制动和对液压系统进行监控，确保系统的安全可靠。在此基础上，利用单片机进行 PID恒速控制，由于 PLC 的主频率低、响应速度慢，而单片机的主频高控制精度高、运算速度快，因此利用单片机进行 PID 控制是可行的。2.2软制动控制系统的数学模型为改善软制动过程的控制精度，本文提出了一种基于 PID 的模糊控制器，该控制器能准确地监控传动轴的制动加速度，并将其准确地转化为控制电流，从而准确地控制制动器的制动力矩。目前，PID 控制仍是工业控制中的主流，其主要原因在于它的原理简单明了，易于实施，并且具有很好的控制效果。PID 控制策略是一般线性系统中的最佳选择。当皮带输送机在正常工作时，盘式制动器完全松开，液压缸中的液压压力 Fp达到最大 Fp，max，这时制动功率 F 为 0，而碟簧弹性 FK与油缸内部液压压力 Fp相等，这种情况是完全松闸的状态。由受力分析图解得出的平衡方程如式（1）：pmaxA=Kpx1.（1）式中：A 为油压有效作用面积，mm2；pmax为液压系统的最大压强，MPa；KP为碟簧刚度，MPa；x1为完全松闸时碟簧的压缩量，mm。由盘式制动器数学模型可得以下几何关系：L=L0+a1+L1+a2+b0.（2）式中：L、L0、L1为盘式制动器的结构参数，mm；b0为制动前闸瓦厚度，mm；a1为最小间隙，mm；a2为最大间隙，mm。通过对 PID 参数的修正，可以实现对每一次抽样进行参数调整，并根据后代个体的适配度函数，通过选择交叉等遗传操作，选出最佳的 PID 参数。采用PID 模糊自整定控制策略，对下运皮带运输机的制动器进行了微调和制动控制。利用转速传感器对输送机的减速进行监测，并对比例调速阀的流量进行连续调整，由此调整制动力矩，对皮带运输机的刹车减速进行闭环控制，使得刹车减速在规定的范围内改变，确保皮带输送机运行平稳和安全制动。3下运皮带机软制动系统试验分析3.1试验系统组成盘式制动器试验系统主要由变频电机、速度传感器、减速器、制动盘、电子控制系统和被试盘式制动器组成。盘式制动系统包括恒速液压控制系统、机械制动系统和 PLC 控制的电子控制系统。液压控制系统采用压力变送器实现实时压力监测，扭矩传感器实现实时扭矩监测。液压控制系统采用压力变送器实现油压的实时监控，扭矩传感器实现制动盘的实时速度监控。3.2试验过程及结果分析本文的研究目标是测试这种新型制动系统的制动可靠性，并根据制动盘的速度自动调节系统的油压，从而达到制动速度恒定的制动效果。测试系统正常运行后，测试制动器的制动效果。PLC 收到停止命令后，开始控制比例安全阀，根据速度调节制动压力，直至制动停止，同时实时记录试验过程中的制动盘。如第 42 页图 2 所示，起动松闸试验系统的速度改变，在大约 30 s 内，液压系统的压力升高至设定的最大压力时刻。液压系统的制动扭矩在 13 s 内达到额定制动扭矩，制动片逐步减速直至停止，刹车持续 20 s，制动减速度始终维持在 0.125 m/s。试验表明，采用该系统3.82.51.30.0速度/（m s-1）11：46：2211：46：5211：47：222-1起动松闸时（下转第 42 页）赵映辉：下运带式输送机液压软制动系统的改造及应用时刻39机械管理开发第 38 卷的矿用液压支架结构性能进行进一步判断分析。具体工程实践周期为 6 个月，在经过 6 个月的实际应用后确认，相对于既有的矿用液压支架来说，优化后的结构方案在任何工况条件下均表现出更强的稳定性。由此可知，相对来说，优化后的矿用液压支架结构方案不仅可以适应实际工作条件，而且整体性能更为优秀，值得在后续矿用液压支架结构优化中进行参考应用。5结语本文采用有限元分析法，对偏载工况条件下矿用液压支架进行静力学分析，并根据分析结果发现其中的问题，提出针对性优化方案。同时，为检验本文所提出优化方案的有效性，研究中还依次采用有限元分析、工程实践分析两种方法进行结构优化方案的分析检验，最终确认此优化方案的有效性，值得在后续中小型煤矿的采煤工作面以及矿用液压支架结构优化设计中进行参考应用，进而综合提高矿用液压支架的综合性能水平。参考文献1傅继龙.基于 Terzaghi 理论的综采面超前液压支架静力学分析J.煤矿机械，2020，41（6）：72-74.2许秀.古城煤矿 N1303 工作面开采方式及液压支架选型设计J.煤，2020，29（4）：36-38.3王国法，徐亚军，李丁一.大倾角综采工作面液压支架刚柔组合倾覆力矩平衡的支护原理及其应用J.岩石力学与工程学报，2018，37（A2）：4 125-4 132.4张同鑫，赵晓航，程锦.煤矿综采工作面液压支架选型设计J.写真地理，2020（7）：228.5秦强.综采工作面液压支架连杆结构特性分析J.技术与市场，2020（12）：103-104.（编辑：王婧）Statics Analysis of Mining Hydraulic Support in Coal FaceLi Bonan（Huozhou Coal Power Group Fenyuan Coal Industry Co.,Ltd.,Jingle Shanxi 035100）Abstract:Based on the basic structure of the mining hydraulic support,the finite element analysis model of the mining hydraulic supportin the coal mining face is reasonably constructed,and based on this,the statics analysis of the mining hydraulic support in the coal miningface under the eccentric load condition is carried out.According to the results of the finite element analysis,the structural deficiencies ofthe mining hydraulic support in the current coal mining face are pointed out,and the targeted structural optimization scheme is proposed.To verify the effectiveness of the structural optimization plan,it will also be applied to engineering practice to further verify the effectivenessof the structural optimization plan.Key words:coal mining face;mining hydraulic support;partial load condition;statics analysis对比例安全阀进行智能调整，可以根据不同的制动条件而调整制动时间和减速，适应不同工况的制动要求。4结语矿井下皮带输送机的刹车系统是皮带输送机的关键部件，它对皮带输送机的安全和运输起着关键作用，对下运皮带运输机的恒定减速软刹车系统的分析与探讨。首先，在液压系统的设计方面，考虑到煤矿安全法规的需要，以及当前液压系统的不足，设计了一种恒减速软制动液压系统；其次，在 PID 控制方面，利用遗传算法对 PID 参数进行整定，以实现 PID 控制器的最优控制；最后，建立了一套试验测试系统，对该系统进行了可靠性、稳定性的验证。参考文献1李康，王宁，李军霞.液压软制动系统在下运式带式输送机中的应用J.液压与气动，2019（7）：63-69.2薛波.下运带式输送机液压调速软制动装置的制动特性研究J.机械管理开发，2019（3）：92-93；177.3李广俊，徐向东，米月花.新型带式输送机液压制动系统的研究J.煤矿机械，2014（12）：120-122.（编辑：王婧）图 2制动系统输送带速度试验曲线2.51.30.011：15：4711：16：1711：16：47速度/（m s-1）Modification and Application of Hydraulic Soft Braking System for Downward Belt ConveyorZhao Yinghui（Shanxi Jiaomei Xishan Coal Electric Ximing Coal Preparation Plant,Taiyuan Shanxi 030052）Abstract:Through in-depth analysis and summary of the design of soft brake hydraulic stations,and based on the current new standards,the design of soft brake hydraulic stations was carried out to effectively reduce the risk of brake failure in belt conveyors and improve thereliability of hydraulic control systems.Key words:downward conveyor belt conveyor;hydraulic soft braking;genetic algorithm PID2-2停车制动时（上接第 39 页）时刻42