摘要：礦井提升機(jī)的制動裝置直接影響到提升機(jī)的正常工作和安全，液壓盤式制動器采用傳統(tǒng)的制動調(diào)節(jié)方式，制動力調(diào)節(jié)不準(zhǔn)確、液壓系統(tǒng)復(fù)雜和低可靠性。提升機(jī)制動系統(tǒng)采用數(shù)字控制，提高了制動系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和可靠性。通過對制動系統(tǒng)的實驗、建模、仿真分析和控制等研究，為機(jī)制動系統(tǒng)數(shù)字閥進(jìn)一步設(shè)計提供理論依據(jù)。
　　關(guān)鍵詞：制動系統(tǒng)，數(shù)字閥，仿真，控制，研究
　　一、前言
　　礦井提升機(jī)的制動裝置（簡稱制動器），是提升機(jī)一個非常重要的組成部分，直接影響到提升機(jī)的正常工作和安全。我國卷筒直徑2m以上的提升機(jī)均采用以液壓松閘彈簧作制動的盤式閘制動器。
　　盤式制動系統(tǒng)的主要特點是閘瓦不作用于制動輪，而是作用在制動盤上。它是礦井提升機(jī)上的一種新型制動器，用蝶形彈簧作制動力源，反應(yīng)速度快，因此《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定，它的制動空行程時間不得超過0.3S，比油壓制動器0.6S要短。盤式制動器的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)緊湊，閘的副數(shù)可根據(jù)需要靈活增減，我國目前生產(chǎn)的礦井提升機(jī)全都采用盤式制動系統(tǒng)。
　　二、制動原理及控制方式
　　制動器由幾組油缸裝置組成，每個油缸裝置由支架油缸體、蝶形彈簧、活塞、制動瓦等零件組成。當(dāng)有壓力油充入時，通過活塞壓縮蝶形彈簧，同時推動制動瓦離開制動輪盤，形成松閘狀態(tài)。當(dāng)卸壓時，油壓不斷下降，制動瓦塊在彈簧力的作用下，壓向制動輪盤達(dá)到制動目的。制動力的變化是根據(jù)油壓的改變而改變的，當(dāng)油壓力為零時，提升機(jī)處于全制動狀態(tài)。
　　由此可見，提升機(jī)制動系統(tǒng)油壓的變化起著至關(guān)重要的作用，其靈敏度和準(zhǔn)確度直接決定著制動力的大小，進(jìn)而關(guān)系到提升機(jī)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。
　　我國目前生產(chǎn)的液控盤式制動系統(tǒng)，其調(diào)壓部件是由溢流閥與噴嘴擋板系統(tǒng)組成的電液調(diào)壓裝置。其作用是根據(jù)提升機(jī)的實際制動力矩，限定最大工作油壓，即定壓和調(diào)壓。
　　這種傳統(tǒng)的制動調(diào)節(jié)方式，需要配以復(fù)雜的液壓回路和各種電液閥的協(xié)調(diào)動作來實現(xiàn)工作制動力矩的調(diào)節(jié)和緊急制動時產(chǎn)生二級制動。這勢必帶來制動力調(diào)節(jié)的準(zhǔn)確性和液壓系統(tǒng)的復(fù)雜性和低可靠性。
　　三、提升機(jī)的計算機(jī)控制
　　提升機(jī)制動系統(tǒng)采用數(shù)字控制，接口部件就是數(shù)字式調(diào)壓閥。從而去掉復(fù)雜的液壓回路，可以提高制動力調(diào)節(jié)的準(zhǔn)確性和制動的可靠性。
　　數(shù)字式調(diào)壓閥（簡稱數(shù)字閥）實現(xiàn)了計算機(jī)對液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)的直接數(shù)字控制，而無需中間環(huán)節(jié)，并可以將參數(shù)給定、數(shù)據(jù)顯示、記錄等集中在一起，使系統(tǒng)操作方便，控制容易。數(shù)字閥的應(yīng)用是提升機(jī)全數(shù)字化的一個重要組成部分。
　　就目前掌握的資料情況來看，數(shù)字閥要應(yīng)用于礦井提升機(jī)，至少還存在以下幾方面問題：
　　⑴對于控制閥芯式數(shù)字閥，它利用控制閥芯的轉(zhuǎn)動或軸向移動來控制節(jié)流口開口量，這種閥結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，尺寸要求嚴(yán)格，存在加工困難。
　　⑵對于噴嘴擋板式數(shù)字閥，它利用步進(jìn)電機(jī)控制擋板位置，其重復(fù)精度及抗污染能力差。
　　⑶目前的數(shù)字閥大都使用個人計算機(jī)或單片機(jī)控制，在電機(jī)頻繁啟停，大量使用繼電器的提升機(jī)工作現(xiàn)場，干擾嚴(yán)重，導(dǎo)致步進(jìn)電機(jī)不能正常運(yùn)行。
　　本論文試圖對現(xiàn)有提升機(jī)液壓制動系統(tǒng)的調(diào)壓閥進(jìn)行分析，建立起比較完備的靜動態(tài)數(shù)學(xué)模型，完善數(shù)字閥的設(shè)計理論，并初步確定數(shù)字閥的結(jié)構(gòu)形式和控制方案，為數(shù)字閥的進(jìn)一步設(shè)計研究提供一些理論依據(jù)。
　　四、提升機(jī)調(diào)壓閥系統(tǒng)實驗
　　提升機(jī)調(diào)壓閥系統(tǒng)實驗采用JTP一12型小型提升機(jī)，液壓系統(tǒng)如圖1所示，調(diào)壓閥系統(tǒng)實驗原理如圖2所示，提升機(jī)液壓站的最大工作油壓5.4Mpa；最大輸油量為99L／min；工作液體采用40號稠化液壓油。
　　
　　圖1液壓站系統(tǒng)原理圖
　　1—郵箱；2—電動機(jī)；3—電夜調(diào)壓閥；4、5、9、13—電磁閥；6—網(wǎng)式過濾器；7—葉片泵；
　　8—燒結(jié)過濾器；10—綜合閥；11—壓力表；12—單向閥；14—壓力繼電器
　　
　　圖2調(diào)壓閥系統(tǒng)實驗原理
　　主要儀器：位移傳感器ZZF6—Ⅱ型電渦流式位移振幅傳感器；壓力傳感器CYZ型高輸出壓力傳感器；型號發(fā)生器1250頻率響應(yīng)分析儀；數(shù)據(jù)采集裝置EPC—2000型便攜式工業(yè)計算機(jī)，配有PCL—818HD采集卡A/Ｄ轉(zhuǎn)換。
　　通過實驗得到調(diào)壓閥的靜、動態(tài)響應(yīng)曲線如圖3、４所示。
　　
　　圖３調(diào)壓閥靜態(tài)特性實驗曲線                                               圖４調(diào)壓閥動態(tài)特性實驗曲線
　　實驗數(shù)據(jù)經(jīng)過整理、取舍、并結(jié)合靜態(tài)仿真數(shù)據(jù)，確定調(diào)壓系統(tǒng)動態(tài)模型辨識數(shù)據(jù)。時間=0—0.3（s），步長0.003（s）；節(jié)流口面積階躍輸入=2.3mm2，（=0），=5mm2，（>0）；壓力=0，0.0013，0.0164，……，4.0956，3.9852，4.0340（Mpa），共100個采樣點。
　　通過MATLAB語言編制程序?qū)σ陨蠈嶒灁?shù)據(jù)作傳動函數(shù)模型辨識，辨識結(jié)果如下：
　　Ｂ=［-０.0015，0.513，-5.9715，25.8045］；
　　A=［-０.0001，0.0013，0.4147，3.9，14.3314］；
　　即調(diào)壓閥的傳遞函數(shù)辨識模型為：
　　
　　五、數(shù)字閥式調(diào)壓閥設(shè)計與分析
　　計算機(jī)對電液控制系統(tǒng)進(jìn)行實時控制，用數(shù)字信息直接控制閥，數(shù)字閥可直接與計算機(jī)接口，不需要Ａ／D轉(zhuǎn)換器。
　　增量式數(shù)字壓力閥組成：步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動機(jī)構(gòu)及先導(dǎo)閥組成的先導(dǎo)級和功率級主閥。
　　數(shù)字閥先導(dǎo)級的設(shè)計：數(shù)字閥從步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動輸入到數(shù)字閥的壓力輸出，必需要有合適的機(jī)械結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)這種轉(zhuǎn)換。對于溢流閥而言，機(jī)械轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)主要考慮三個方面的性能，即響應(yīng)速度、線性度和復(fù)位靈活性。針對這三點要求，采用節(jié)流機(jī)構(gòu)——孔交叉式節(jié)流機(jī)構(gòu)。它具有以下特點：
　　1、結(jié)構(gòu)原理簡單，采用旋轉(zhuǎn)閥芯式，省去了角位移向直線位移的轉(zhuǎn)化環(huán)節(jié)；
　　2、步進(jìn)電機(jī)和旋轉(zhuǎn)閥芯采用剛性聯(lián)接，因此在響應(yīng)速度和復(fù)位靈活性方面完全取決于步進(jìn)電機(jī)，不存在機(jī)械滯后問題；
　　3、采用兩個矩形孔道交又旋轉(zhuǎn)節(jié)流方式，可以充分保證閥芯角位移與節(jié)流面積變化問的線性關(guān)系。
　　其結(jié)構(gòu)原理如圖5所示。
　　
　　圖5孔交叉式節(jié)流機(jī)構(gòu)
　　功率級主閥設(shè)計：溢流閥主閥的設(shè)計己有了比較完整的設(shè)計理淪與方法，作為數(shù)字式溢流閥的設(shè)計可參照普通溢流閥的進(jìn)行，在此不再贅述。值得一提的是溢流閥采用二級同心式溢流閥，優(yōu)點是工藝性好，加工精度和裝配精度容易保證，結(jié)構(gòu)簡單，通用性、互換性好。因此，數(shù)字閥的設(shè)計應(yīng)考慮選用二級同心式。
　　步進(jìn)電機(jī)的動態(tài)特性分析：
　　步進(jìn)電機(jī)步距角與齒數(shù)，拍數(shù)之間均存在如下關(guān)系：
　　
　　所以轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為
　　步進(jìn)電機(jī)帶負(fù)載時運(yùn)動方程
　　
　　式中——步進(jìn)電機(jī)的步進(jìn)角速度；
　　——步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩；
　　——負(fù)載阻轉(zhuǎn)矩；
　　——步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量；
　　——負(fù)載轉(zhuǎn)動慣量；
　　——步進(jìn)電機(jī)的加速轉(zhuǎn)矩，
　　帶入轉(zhuǎn)速公式得：
　　
　　式中——總的轉(zhuǎn)動慣量
　　對于具體的步進(jìn)電機(jī)和給定負(fù)載的情況下，可以求出電機(jī)的最大啟動頻率和最大穩(wěn)定運(yùn)行頻率。在該頻率范圍內(nèi)，步進(jìn)電機(jī)每得到一個輸入電脈沖都句以準(zhǔn)確地旋轉(zhuǎn)一個步距角，從而帶動數(shù)字閥實現(xiàn)壓力調(diào)節(jié)。
　　步進(jìn)電機(jī)及其通常所配的斬波式驅(qū)動電源具有很小的重復(fù)誤差，而且?guī)缀醪皇軠囟鹊挠绊懀�因此�?shù)字閥具有比比例閥更高的重復(fù)精度，另外，數(shù)字閥的滯環(huán)誤差也小于比例閥，一般在1％以下，而比例閥的滯環(huán)誤差一般在2—7％之間。這主要是因為步進(jìn)電機(jī)的滯環(huán)遠(yuǎn)小于比例電磁鐵的滯環(huán)。
　　可見，數(shù)字閥的許多優(yōu)于其他液壓閥的性能都來源于步進(jìn)電機(jī)及其驅(qū)動電路的性能，所以步進(jìn)電機(jī)及其控制系統(tǒng)動態(tài)性能的研究應(yīng)該成為數(shù)字閥研究的重要內(nèi)容。
　　數(shù)字閥的動態(tài)模型及計算機(jī)仿真：
　　數(shù)字閥的結(jié)構(gòu)框圖如圖6所示
　　
　　圖6數(shù)字式調(diào)壓閥系統(tǒng)框圖
　　由于步進(jìn)電機(jī)的動態(tài)向應(yīng)時間常數(shù)要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于溢流閥，因此在近似動態(tài)特性分析中，可以把步進(jìn)電機(jī)的傳遞函數(shù)寫為：
　　
　　式中——步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)角；
　　——輸入脈沖數(shù)；
　　——步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)距，對于40齒，三相六拍工作方式為1.5°。
　　對于節(jié)流機(jī)構(gòu)——孔交叉式節(jié)流機(jī)構(gòu)，節(jié)流閥芯轉(zhuǎn)角與節(jié)流口面積之間的關(guān)系為：
　　
　　式中——節(jié)流口全開面積；
　　
　　調(diào)壓閥的傳遞函數(shù)辨識模型為：
　　
　　因此，根據(jù)傳遞函數(shù)、、得到數(shù)字式調(diào)壓閥系統(tǒng)傳遞函數(shù)框圖為：
　　
　　圖7數(shù)字式調(diào)壓閥系統(tǒng)傳遞函數(shù)框圖
　　在MATLAB環(huán)境中，調(diào)用（）函數(shù)對作單位階躍仿真，結(jié)果如下。
　　
　　圖8數(shù)字閥動態(tài)響應(yīng)計算機(jī)仿真曲線
　　圖中所示為數(shù)字閥系統(tǒng)在步進(jìn)電機(jī)接受一個脈沖信號時的輸出壓力響應(yīng)清況。由圖可以得到：上升時間tr=0.07s，最大超調(diào)量Mp=4%，調(diào)整時間tp=0.15s。
　　仿真結(jié)果顯示，該模型的各項性能指標(biāo)基本符合提升機(jī)制動系統(tǒng)的調(diào)壓要求。
　　六、提升機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng)
　　提升機(jī)制動裝置對提升機(jī)系統(tǒng)的穩(wěn)定、安全運(yùn)行起著至關(guān)重要的作用，提升機(jī)數(shù)控制動系統(tǒng)的組成部分如圖9所示。
　　
　　圖9提升機(jī)數(shù)控制動系統(tǒng)
　　步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電路：采用VMOS高頻恒流斬波驅(qū)動電路。該電路解決了雙級型晶體管因二次擊穿而造成的故障，提高了可靠性，采用脈寬調(diào)制PWM技術(shù)，將斬波頻率固定在15—20Ｈz，解決了電機(jī)鎖定時的電磁噪聲問題，同時伺服驅(qū)動系統(tǒng)各繞組參數(shù)趨于致，且不依賴于電機(jī)繞組中的電感參數(shù)。
　　數(shù)字閥的計算機(jī)控制：其核心仍然是對步進(jìn)電機(jī)的控制。步進(jìn)電機(jī)的控制包括定時、步進(jìn)（脈沖分配）功能、方向和步數(shù)控制、升降頻率控制等問題。控制主要有三個重要參數(shù)，即轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)角和轉(zhuǎn)向。
　　步進(jìn)電機(jī)采用PLC控制，由于步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動是由輸入脈沖信號控制，所以轉(zhuǎn)速是由輸入脈沖信號的頻率決定，而轉(zhuǎn)過的角度有輸入脈沖信號的脈沖個數(shù)決定，轉(zhuǎn)向由環(huán)形分配器的輸出通過步進(jìn)電機(jī)A、H、C相繞組控制，環(huán)形分配器通過控制各相通電的相序控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)向。
　　程序設(shè)計采用“邏輯設(shè)計法”，由邏輯關(guān)系，當(dāng)CON=0，正轉(zhuǎn)時步進(jìn)電機(jī)A、B、C相線圈的通電相序為Ａ—ＡＢ—B—BC—C—CA—C……；當(dāng)CON=1，反轉(zhuǎn)時步進(jìn)電機(jī)A、B、C相線圈的通電相序為Ａ—ＡC—C—CB—B—BA—A……；
　　輸入輸出設(shè)備地址分配如表1
　　表1輸入輸出設(shè)備

　　步進(jìn)電機(jī)環(huán)形分配器PLC梯形圖如圖10所示。
　　
　　圖10步進(jìn)電機(jī)環(huán)形分配器梯形圖
　　設(shè)初始狀態(tài)為RESET有效，動合觸電閉合，0500輸出為“1”狀態(tài)，0501、0502為“0”狀態(tài)，RESET無效后，上述三輸出狀態(tài)各自保持原狀態(tài)。CON=0，當(dāng)EN有效，且有輸入脈沖信號CLK輸入，CLK上升沿到來，輔助繼電器動合觸點閉合一掃描周期。在此期間，各輸出繼電器狀態(tài)自保持失效，0500輸出狀態(tài)為“1”狀態(tài)，0501輸出由“0”變“1”,0502輸出狀態(tài)為“0”，一個掃招周期過后，1000動合觸點斷開，動斷觸點閉合，各輸出繼電器狀態(tài)恢復(fù)自保持，等待下一個輸入脈沖信號上升沿的到來。
　　PLC環(huán)形分配器程序產(chǎn)生的相脈沖信號輸出接口連接步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電路輸出。
　　七、結(jié)論
　　步進(jìn)電機(jī)的控制力案可以說是多種多樣多，用硬件還是多用軟件，用微型計算機(jī)、單片機(jī)、PLC控制，都要通過實際情況而定。由于煤礦提升機(jī)工作環(huán)境步進(jìn)惡劣，因此多采用PLC控制。
　　提升機(jī)制動系統(tǒng)采用數(shù)字控制，接口部件就是數(shù)字式調(diào)壓閥。從而去掉復(fù)雜的液壓回路，可以提高制動力調(diào)節(jié)的準(zhǔn)確性和制動的可靠性。
　　數(shù)字式調(diào)壓閥實現(xiàn)了計算機(jī)對液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)的直接數(shù)字控制，而無需中間環(huán)節(jié)，并可以將參數(shù)給定、數(shù)據(jù)顯示、記錄等集中在一起，使系統(tǒng)操作方便，控制容易。
　　數(shù)字式調(diào)壓閥實現(xiàn)了數(shù)字控制，比D/A轉(zhuǎn)換器的數(shù)字一模擬控制，具有更好的抗干擾性和更高的可靠性。
　　
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