（机械设计及理论专业论文）乳化液泵站变频恒压控制系统的研究.pdf

太原理工大学硕士研究生学位论文 乳化液泵站变频恒压控制系统的研究 摘要 乳化液泵站是煤炭行业建设安全高产高效的采煤矿井、实现综采机械 自动化必备的大型关键设备，它给液压支架和各种千斤顶提供乳化液。因此 对泵站的控制系统的研究是至关重要的，目前已经开发出了由可编程控制 器或单片机控制多泵并联泵站的控制系统，由于其存在诸多问题，故将变 频调速技术引进乳化液泵站控制系统中，乳化液泵工频和变频运行方式能 够自动切换，节能性好，可以解决以上存在的问题。 首先讨论了液压支架的作用及分类、液压支架的运动工序和乳化液泵 站的工作原理和相关参数，并分析了乳化液泵站液压系统的工作原理；对 乳化液泵站的变频运行状况进行分析，包括乳化液泵站变频恒压控制原理 和泵站调速运行的节能特点。 然后主要对乳化液泵站变频恒压控制系统的控制算法进行仿真分析， 选取的乳化液泵站液压系统中当液压支架升柱初撑工序为研究对象，分析 了乳化液泵站液压系统在该工序下的特点，然后建立乳化液泵站变频恒压 控制系统的理论模型。 接着对p i d 控制规律进行仿真分析和模糊p i d 控制器进行设计之后， 在m a t l a b s i m u l i n k 环境下对常规p i d 控制和模糊p i d 控制在不考虑干扰 和电机死区、只考虑干扰、只考虑电机死区和只考虑模型的不确定性情况 下仿真对比分析。 分析的结果表明：当未考虑系统的干扰、电机的死区和模型参数的不 太原理工大学硕士研究生学位论文 确定性时，常规p i d 方法也能取得满意的控制效果，但是模糊p i d 控制超 调量相对较小、调节时间短。当考虑系统的干扰时，除了模糊p i d 控制比 p i d 控制超调量相对较小、调节时间短之外，常规p i d 得到的曲线在吸收 阶跃干扰信号后出现了较大的波动，而模糊p i d 控制对干扰信号的适应能 力非常好。当考虑电机的死区时，除了模糊p i d 控制比常规p i d 超调量相 对较小、调节时间短之外，模糊p i d 比常规p i d 受系统的死区特性影响小 些，模糊p i d 控制更能承受电机死区特性对控制系统的影响。当考虑系统 模型参数的不确定性时，模糊p i d 控制比常规p i d 控制在模型参数小区间 变化时的适应性强些。 最后对该控制系统进行概述并绘制了电气控制系统的主电路和控制电 路图，为实现模糊p i d 控制对乳化液泵站的变频恒压控制，对控制系统的 硬件进行选型和软件进行设计。 关键词：乳化液泵站，m a t l a b ，p i d 控制器，模糊p i d 控制器 太原理工大学硕士研究生学位论文 l 之e s e a r c ho nc o n s t f 谢tp i 己e s s u r eco n 职o l s y s t e m 斟t 哑e ，s i o np 啪s t a t i o n a b s t r a c t e m u l s i o np u m ps y s t e mi sak e yl a r g en e c e s s a r ye q u i p m e n to ft h ec o a l i n d u s t r yi nt h es a f e t yc o n s t r u c t i o no fh i g hy i e l da n dh i g he f f i c i e n c ya n di nt h e r e a l i z a t i o no fc o m p o u n dm i n i n g m a c h i n e r ya u t o m a t i o n i tp r o v i d e se m u l s i o nt o h y d r a u l i cs u p p o r ta n da l lk i n d so f j a c k s oi ti sv e r yi m p o r t a n tf o rt h er e s e a r c ho f t h ee m u l i o np u m pc o n t r o ls y s t e m ，a tp r e s e n tt h ep a r a l l e lp u m ps t a t i o nc o n t r o l s y s t e mw i t hm u l t i p l ep u m p sh a sb e e na l r e a d yd e v e l o p e dw i t hp r o g r a m m a b l e c o n t r o l l e ro r s i n g l e - c h i pc o m p u t e r s b e c a u s ei t h a s m a n yp r o b l e m s ，t h e f r e q u e n c yc o n v e r s i o nt e c h n o l o g yi si n t r o d u c e di n t oe m u l s i o np u m ps t a t i o n c o n t r o l s y s t e m t h ei n d u s t r i a lf r e q u e n c ya n df r e q u e n c yc o n v e r s i o nw a yo f e m u l s i o np u m pc a l l a u t o m a t i c a l l ys w i t c h ，e n e r g yc o n s e r v a t i o ni sg o o d ，w h i c h c a ns o l v et h ea b o v e p r o b l e m s f i r s tt h ep a p e rd i s c u s s e dt h eh y d r a u l i cs u p p o r t sr o l ea n dc l a s s i f i c a t i o n ， h y d r a u l i cs u p p o r t sm o t i o np r o c e s s e sa n de m u l s i o np u m p w o r k i n gp r i n c i p l ea n d t h er e l a t e dp a r a m e t e r s ，a n d a n a l y z e dt h ee m u l s i o np u m ph y d r a u l i c s y s t e m w o r k i n gp r i n c i p l e t h ep a p e ra n a l y s e de m u l s i o np u m pv a r i a b l e f r e q u e n c y o l ，) e r a t i o n ，i n c l u 。d i n g e m u l s i o np u m p f r e q u e n c yc o n s t a n tp r e s s u r ec o n t r o l i i i 太原理工大学硕士研究生学位论文 p r i n c i p l e a n dt h ec h a r a c t e r i s t i c so fe n e r g ys a v i n go fp u m “ps t a t i o n s p e e d o p e r a t i o n t h e nt h ep a p e r m a i n l ya n a l y s i s e d u n d e rt h es i m u l a t i o nt h ec o n t r o l a l g o r i t h mo ff r e q u e n c yc o n s t a n tp r e s s u r ec o n t r o ls y s t e mi nt h ee m u l s i o np u m p s y s t e m ，s e l e c t e dt h eh y d r a u l i cs u p p o r tr i s ee a r l yc o l u m ns u p p o r t i n gp r o c e s so f e m u l s i o n p u m ph y d r a u l i cs y s t e m s a st h er e s e a r c h o b j e c t ，a n a l y s e d t h e c h a r a c t e r i s t i c s o fe m u l s i o np u m ph y d r a u l i cs y s t e mi nt h ep r o c e s s ，a n db u i l d e d t h et h e o r ym o d e lo ff r e q u e n c yc o n s t a n tp r e s s u r ee m u l s i o np u m ps t a t i o nc o n t r o l s y s t e m t h e na f t e rt h ep a p e ra n a l y s i s e dt h ep i dc o n t r o lr u l eo ft h es i m u l a t i o na n d d e s i g n e df u z z yp i dc o n t r o l l e r , a n a l y s i s e da n dc o m p a r et h ec o n v e n t i o n a lp i d c o n t r o la n df u z z yp i dc o n t r o li nn oc o n s i d e r i n gt h ei n t e r f e r e n c eo ft h es y s t e m ， t h ed e a dz o n eo ft h em o t o ra n dt h eu n c e r t a i n t yo ft h em o d e lp a r a m e t e r s ，o n l y c o n s i d e r i n gt h ei n t e r f e r e n c eo ft h es y s t e m ，o n l yc o n s i d e r i n gt h ed e a dz o n eo f t h e m o t o r , o n l yc o n s i d e r i n gt h eu n c e r t a i n t yo ft h em o d e lp a r a m e t e r su n d e rt h e s i m u l a t i o ni nt h em a t l a b s i m u l i n k t h er e s u l t so ft h ea n a l y s i ss h o w st h a tn ot a k i n gi n t oa c c o u n to ft h e i n t e r f e r e n c eo ft h es y s t e m , t h ed e a dz o n eo ft h em o t o ra n dt h eu n c e r t a i n t yo ft h e m o d e lp a r a m e t e r s ，t h ec o n v e n t i o n a lp i dc o n t r o lc a no b t a i ns a t i s f a c t o r yc o n t r o l e f f e c t ，b u tt h ef u z z yp i dc o n t r o l s o v e r s h o o ti sr e l a t i v e l ys m i l l e rt h a nt h e c o n v e n t i o n a lp i dc o n t r o la n ds e t t i n g t i m ei ss h o r t e r c o n s i d e r i n gt h e i n t e r f e r e n c eo ft h es y s t e m ，b e s i d e st h ef u z z yp i dc o n t r o l s o v e r s h o o ti s i v 太原理工大学硕士研究生学位论文 r e l a t i v e l ys m a l l e ra n ds e t t i n gt i m ei ss h o r t e r , t h ec u r v eo ft h ec o n v e n t i o n a lp i d c o n t r o la p p e a r sl a r g e rf l u c t u a t i o na f t e ra b s o r b i n gs t e pr e p r e s e n t a t i o nj a m m i n g s i g n a l sa n dt h ef u z z yp i dc o n t r o lf o ri n t e r f e r i n gs i g n a la d a p t i v ea b i l i t yi sb e t t e r c o n s i d e r i n gt h ed e a dz o n eo ft h em o t o r , b e s i d e st h ef u z z yp i dc o n t r o l o v e r s h o o t i ss m a l l e rt h a nt h ec o n v e n t i o n a lp i d c o n t r o l ，s h o r ts e t t i n gt i m ei ss h o r t e r , t h e f u z z yp i dc o n t r o li sa f f e c t e dl e s st h a nt h ec o n v e n t i o n a lp i dc o n t r o lb yt h e c h a r a c t e r i s t i c so ft h ed e a dz o n e ，t h ef u z z yp i dc o n t r o lc a ni n h i b kt h ed e a d z o n e si n f l u e n c eo ft h e s y s t e mm o r et h a nt h ec o n v e n t i o n a lp i dc o n t r 0 1 c o n s i d e r i n gt h eu n c e r t a i n t yo fs y s t e mm o d e lp a r a m e t e r s ，t h ef u z z yp i d c o n t r o l s a d a p t a b i l i t yi ns m a l lz o n ec h a n g e so fm o d e li s s t r o n g e rt h a nt h e c o n v e n t i o n a lp i dc o n t r 0 1 f i n a l l y , t h ep a p e rs u m m a r i z e dt h ec o n t r o ls y s t e ma n dm a p e dt h em a i n c i r c u i ta n dc o n t r o lc i r c u i t d i a g r a mo ft h ee l e c t r i c a lc o n t r o ls y s t e mf o rt h e r e a l i z a t i o no ft h ef u z z yp i dc o n t r o lt ot h ef r e q u e n c yc o n s t a n tp r e s s u r ec o n t r o li n e m u l s i o np u m ps t a t i o n ，a n dc h o o s e dt h eh a r d w a r eo ft h ec o n t r o l s y s t e ma n d d e s i g n e dt h es o f t w a r eo ft h ec o n t r o ls y s t e m k e yw o r d s ：e m u l s i o n p u m ps t a t i o n ，m a t l a b ，p i dc o n t r o l l e r ，f u z z y p i dc o n t r o l l e r v 太原理工大学硕士研究生学位论文 v i 太原理工大学硕士研究生学位论文 第一章绪论 高效高产煤矿的重要标志是综合机械自动化采煤，乳化液泵站是矿井下重要的采煤 设备，主要给液压支架和千斤顶供液，所以对泵站控制系统的研究是非常重要的。 1 1 课题提出的背景 乳化液泵站是煤矿井下重要的采煤设备之一，给支架和千斤顶提供乳化液，是煤炭 行业实现采煤机械自动化的关键设备。上个世纪七十年代初大同矿务局和煤科总院太原 分院成功开发了r b l 0 0 i o 型乳化液泵站，从而开展了国产泵站相关的研究工作。经过 了多年的研制与开发，在乳化液泵站相关的理论分析上取得很大的进展，但是和国外相 比还有很大的不足和缺陷。传统的泵站工作模式是靠操作工的经验来判断泵站运行的状 态。虽然近年来一些泵站的厂家与高校共同开发泵站的控制系统，但是目前还是不太成 熟没有大范围使用。 国外有些国家已开发出了由可编程控制器或单片机控制多泵并联泵站的控制系统， 该控制系统有自动和手动两种方式。该套控制系统的功能：卸载阀自动加载与卸载：检 测乳化油温：油压等；自动配比乳化液、自动给液箱补液；每台控制器上均能显示传感 器检测的参数。泵站通过此电液控制系统能够自动给液压支架供液。该电控系统减少了 传统乳化液泵站操作工的技术水平不一致或过度劳累而导致的许多乳化液泵站系统的 乳化液配比不合理等故障。 近些年来我国除了引进国外泵站控制系统产品外，一些厂家和高校合作开发研究乳 化液泵站的控制系统。人们越来越发现，该集散式控制系统控制乳化液泵站给工作面供 液时，当系统实际压力高于系统设定压力时，泵站输出的乳化液回液箱时只有经卸载阀 和回液管路。所以泵站输出的乳化液返回乳化液箱产生的压力能转化大量热能，使泵站 液压系统内的密封部件老化，严重影响了泵站系统中元件的使用性能，同时由于乳化液 温度高产生瞬间冲击和噪声，降低了泵站液压系统工作的平稳性；由于泵站是连续工作 的，浪费了大量电能，加大了煤矿企业采煤的成本降低了煤矿企业效；驱动乳化液泵的 电机的转速是恒定的，会导致管路中液体压力不稳定，会呈现“爆管子”现象。 ， j本课题要研究的泵站的变频控制系统。泵站变频控制系统是有很多的优点，即变频 太原理工大学硕士研究生学位论文 器会根据电机的负载变化要求调节电机的电源频率，达到电机负载所需的转矩；电机启 动时电流小，启动时性能可靠，启动时速度平稳，启动时对相关设备的冲击小；系统能 够自动控制，实时吸收泵站端口输出压力偏差，变频器按照设定要求自行运行减速和加 速；配套的各种保护设备齐全，能够实现乳化液泵站液位控制、自动配液、低液位报警、 泵机温度超温及系统自动卸压等功能；本控制系统包括工频和变频方式，工频和变频能 够自动切换，乳化液泵站运行状态平稳，能够保证乳化液泵站工作的连续性。 1 2 课题研究的国内外研究现状 1 2 1 泵站控制系统的国内外研究现状 乳化液泵站主要为支架的工作提供乳化液，是实现综采机械自动化采煤必备的大型 关键设备。国产矿用乳化液泵站相关研究基本上是维持两台泵和一台液箱基础配置，优 化乳化液泵结构，通过提高单台乳化液泵的流量来增乳化液整个泵站液压系统的流量。 七十年代初，大同矿务局与煤科总院太原分院成功研制了r b l 0 0 1 0 型乳化液泵站，从 而开展了国产泵站相关的研究工作。传统泵站运行模式是凭借操作人员主观感觉和经验 来判断乳化泵站的工作状态，但是因为操作人员的技术水平不一样或过度劳累，使得许 多乳化液泵站系统出现乳化液配比不合理等故障并且不能及时检查出此问题，可能使泵 站长时间处于不安全的工作状态。近年来有一些企业厂家与高校合作开发乳化液泵站的 保护系统，但是目前还没有大范围使用【l 】。 国外一些国家已开发出了由可编程控制器或单片机控制多泵并联泵站的控制系统， 并且在我国少数煤矿得到应用，补连塔、锦界、大柳塔、活鸡兔等矿使用雷波公司r m i 产品；上湾、哈拉沟、活鸡兔、补连塔等矿使用卡马特公司k a m a t 产品，他们的设计 理念提高了产品的安全性、可靠性，为实现高产、高效综采机械自动化集中控制奠定了 基础【2 1 。 国外泵站的研发理念为增加高压小流量乳化泵的台数来调节工作面对泵站输出乳 化液流量的需求，即泵站由三、四台泵和一、两台液箱组成。通过控制系统来完成泵站 液压系统给支架自动供液，保证了系统的灵活性【3 】。 电控系统采用集散式控制，能实现自动和手动两种控制方式。总控制器能够采集整 个泵站的监测数据，并且传输到地面，液箱和泵分别有各自的分控制器将它的监测数据 2 太原理工大学硕士研究生学位论文 通过远程通讯到总控制器。该套控制系统的功能：自动切换卸载阀加载与卸载；检测乳 化油温、油位等；自动配比乳化液、自动给液箱补液；每台控制器均能显示传感器检测 的参数【4 】。 近些年来我国除了引进国外泵站控制系统产品外，一些厂家和高校合作开发研究乳 化液泵站的控制系统。 煤科总院太原分院的石惠天在“乳化液泵微机在线状态检测的实验研究”中分析了 乳化泵的故障迹象，利用乳化液泵的微机通过实时检测乳化液泵的流量进行实验研究分 析，实验结果发现导致乳化液泵性能恶化的重要原因是限制了乳化液泵的吸液量【5 】。 北京煤科总院韦文术在“乳化液泵站自动卸荷系统的设计与实现”中分析了传统乳 化泵站自动卸载的工作原理。由于泵站液压系统的非线性等因素影响导致泵站端口输出 压力的不稳定和不容易调节等问题，于是提出在泵站卸载阀上安装防爆型电磁先导阀， 通过传感器检测乳化液压力，来控制电磁先导阀开启和闭合，进而控制乳化泵的加载和 卸载，从而解决了乳化液泵站卸载时存在的问题【6 】。 太原理工大学杨涛、李文英在“基于压力控制的多泵并联乳化液泵站系统研究”中 经过建模仿真研究泵站端口输出压力和流量对液压支架运动状态的关系，然后在选用的 多台高压小流量泵并联组成的泵站液压系统中，设计了乳化液泵站自动运行的控制系统 硬件和软件【刀。 国外的科研单位也对泵进行了研究，如英国人l i o t t p w 提出了运用人工智能决策 系统进行故障诊断，它利用网络远程监控并且记录大量的数据参数同时将其绘成图表， 在经过分析资料得出诊断结果，它的优点是有一定的自我适应能力、合理、分析准确【8 1 。 阜新矿业集团有限责任公司商广辉、戴陶珍在“乳化液泵站的变频控制系统”中， 首先分析了现在泵站控制系统存在的问题，并提出了将变频调速技术运用到泵站控制系 统中。然后介绍了本泵站变频控制系统的控制方案，并分析了系统的运行的正常效果和 系统如何处理故障问题。本泵站变频控制系统节约了能源，降低了企业的采煤成本，达 到了节能的效果【9 】。 河南煤业化工集团，永煤公司陈四煤矿张雪云在“陈四楼煤矿乳化液泵的变频改造” 中，针对该煤矿井下使用的泵站控制系统存在的诸多不足和缺陷，经过全方面考察和研 究分析，然后该煤矿选用了防爆的交流变频控制装置，将变频调速装置替代原来的隔爆 型的控制乳化液泵组合开关，安装了压力、流量等检测元件，实现了节能效果【1 0 1 。 3 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 2 2 液压变频技术国内外研究现状 1 ) 液压变频传动技术的现状 液压传动技术的发展非常快，近年来与其它电气技术结合，开发了很多机电液一体 化产品。液压传动回路中的能量损失转化热能，严重影响了液压系统的可靠性和其中元 件的使用性能等液压传动技术的效率，因此如何提高液压系统的使用效率成为液压技术 中的一个研究方向【l l 】。 液压系统的以前节能方式大多是降低液压回路的功率消耗和其中元件的功率损失。 在这两方面，前人已做过非常多的研究，提高的元件的功率是非常不容易的。另一个方 法就是设计节能的液压回路，目的就是使液压系统的负载需要的功率和其本身所提供的 功率相符合，从而实现节能的要求。 但是设计的液压回路也存在缺点：这种节能的液压回路结构非常复杂；对液压元件 的结构参数要求比较高；液压系统中的液压元件非常多，因而其中环节对油液的控制要 求比较高，因而可靠性差，故障也高，给系统的保养和维护带来太多的不便；整个液压 回路系统忽略了电机的效率。所以要想提高液压传动的效率，应该考虑电机和整个液压 传动系统，使得电机输出的功率满足电机负载的要求【1 2 】。 2 ) 液压变频传动技术的进展 液压变频传动技术是一种利用变频器来驱动液压泵的电动机的节能方式，黄方平等 人把变频容积调速技术运用到闭式液压系统中，研制了一种全新的液压调速动力单元， 并且理论上分析了这种新型动力单元的设计和应用；然后他们对这种新型动力单元进行 控制算法的研究( p i d 和模糊p i d 控制) ，表明运用p i g 和模糊p i d 控制器对这种新型 动力单元进行控制能提高系统的响应速度，使系统的压力和电机的速度得到满意的控制 效果f 1 2 】。 哈尔滨工业大学丁周伟在“泵站恒压供水系统的设计与实现”中，总结了国内外供 水系统的研究现状和人们对其的最新研究成果，详细的介绍了恒压供水系统的控制环节 的设计和应用。采用模糊p i d 控制算法，由单片机进行实时控制恒压供水系统，解决了 小区居民用水过程中能源浪费、用水质量等问题，该过程中成功的将变频技术和单片机 结合起来，并在实践中得到很好的应用很好的应用【1 3 1 。 徐州矿务集团公司机械厂胡恒振、吴继标在“乳化液泵电机变频技术改造”中，介 绍了将变频技术运用于泵站控制系统中，使泵站端口的输出压力或流量按照设定值进行 4 太原理工大学硕士研究生学位论文 恒流量或恒压自动调节，实现了节能目的。然后具体的设计了泵站变频调速控制系统， 并分析了实际的运行效果【1 4 】。 l 。2 3 模糊控制国内外研究现状 1 9 6 5 年美国加洲大学l a z a d e h 教授的论文中第一次用“隶属函数”来描述事物模 糊性的模糊集合理论。19 7 2 年l a z a d e h 在“ar e t i o n n a l ef o rf u z z yc o n t r o l ”论文中 提出了模糊控制的概念，为模糊控制论的发展奠定了基础。1 9 7 4 年英国著名学者 e h m a m d a n i 首次在蒸汽机和锅炉的控制中成功的应用了模糊控制理论，将模糊控制应 用到实际的工程中。9 0 年代初，日本、欧美和其他国家的模糊家电企业都有很好的市场。 1 9 8 5 年美国著名的贝尔实验室开发出首块模糊逻辑芯片，为模糊技术的应用作出了贡 献。日本、美国、德国等许多著名公司相继开发出了许多商业化的产品，成功的应用了 模糊技术【1 5 1 。 模糊控制理论在开发自身的模糊推理方法的同时也在其他相关控制理论相结合发 展，进而弥补它们之间的缺陷。因此可以将自适应原理与模糊控制结合起来；可以将常 规p i d 控制与模糊控制结合起来；还实现模糊控制和预测控制相结合等等，所以模糊控 制的发展前景是很好的1 1 3 】 1 6 】。 1 3 选题的目的和意义 随着科技的发展，发达国的采煤设备已出现自动化、节能化的趋势，但是我国大多 煤矿企业的煤矿设备依然是一种高投入、低产量的，这定会提高了煤矿企业的采煤成本， 降低了煤矿企业的收益【1 7 1 钔。 液压支架的工作的情况将直接影响煤矿工作面的生产效率。乳化液泵站是给千斤顶 和液压缸供乳化液体。液压支架和相邻支架的动作是不确定的，而且只在- - d , 段时间内 需要乳化液体，其余大部分时间支架通过自身的密封性处于支撑的状态。为了使支架可 以随时移动，乳化液液泵站是不间断运行的【1 9 1 。 给工作面供液时，当泵站端i z l 输出压力高于设定值时，泵站输出的乳化液只有经卸 载阀卸载回到液箱。所以泵站输出的乳化液返回液箱时产生的压力能转化为热能，系统 温度升高，形成瞬间冲击和振动，影响了泵站系统内的密封部件和泵站系统中液压元件 的性罅i t 由于乳化液泵站是不问断工作的，浪费了大量能源，增加了煤矿企业的采煤成 5 太原理工大学硕士研究生学位论文 本；泵站液压系统中的卸载阀容易损坏；驱动乳化液泵的电机的转速是恒定的，会导致 管路中液体压力不稳定，会呈现“爆管予”现象【2 们。 泵站液压系统的节能方式是很多的，本课题将变频技术引进乳化液泵站控制系统 中。乳化液泵站变频控制系统有很多的优点，即变频器会根据电机的负载变化要求调节 电机的电源频率，达到电机负载所需的转矩；电机启动时电流小，启动时性能可靠，启 动时速度平稳，启动时对相关设备的冲击小；系统能够自动控制，实时吸收泵站端口输 出压力偏差，变频器按照设定要求自行运行减速和加速；配套的各种保护设备齐全，能 够实现乳化液泵站液位控制、自动配液、低液位报警、泵机温度超温及系统自动卸压等 功能：本控制系统包括工频和变频方式，工频和变频能够自动切换，乳化液泵站运行状 态稳定，能够保证乳化液泵站工作的连续性【2 1 1 。 1 4 本课题研究的主要内容 1 ) 分析了液压支架的工作特性，包括液压支架的作用及分类，重点讨论了液压支架 升柱工序。对乳化泵站进行相关概述，包括乳化泵的的工作原理和相关参数，重点分析 了乳化液泵站液压系统的工作原理并绘制泵站液压系统图。分析了乳化液泵站的变频调 速运行，包括变频调速原理，重点分析了乳化液泵站变频恒压控制原理和泵站调速运行 节能特点。 2 ) 分析了乳化液泵站液压系统的特点，并建立了乳化液泵站变频恒压控制系统的 理论模型。设计泵站恒压供液系统的校正环节，并在m a t l a b s i m u l i n k 环境该校正环 节进行仿真分析。 3 ) 介绍了模糊控制的基本原理，其模糊控制基本原理包括精确量模糊化、模糊规 则设计和推理机理、模糊量精确化。对模糊p i d 控制器进行设计，其包括模糊控制器结 构设计、模糊控制规则设计、建立模糊控制查询表。在m a t l a b s i m u l i n k 对常规p i d 控制和模糊p i d 控制在不考虑干扰和电机死区、只考虑干扰、只考虑电机死区和只考虑 模型的确定性情况下仿真对匕匕分析。 4 ) 对乳化液泵站变频恒压控制系统进行概速，并绘制了电气控制系统的主电路和 控制电路图。详细的对该控制系统的硬件进行选择，其包括可编程控制器的选型、外围 设备选择与外部电路设计和变频器的选择；对该控制系统的软件进行分析，其包括系统 运行的主程序、调用自动定时循环子程序、故障检测子程序、模糊p i d 控制算法子程序、 6 太原理工大学硕士研究生学位论文 乳化液泵站切换子程序。 1 5 本章小结 本章论述了提出课题的背景，以及国内外对泵站控制系统、液压变频调速技术、模 糊控制方面的研究，概述了课题研究的目的和意义，提出本课题的主要研究内容。 7 太原理工大学硕士研究生学位论文 8 太原理工大学硕士研究生学位论文 第二章乳化液泵站恒压供液系统概述 乳化液泵站主要煤矿井下工作面输送乳化液体，保证采煤工作正常进行。泵站主要 由乳化液泵和乳化液箱等构成，一般井下泵站中的乳化液泵是柱塞泵，且具有结构简单， 可靠性高等优点，该乳化液泵的工作介质改为清水时，可以当做喷雾泵向工作面采煤机 等提供冷却用水。 2 1 液压支架的工作特性 2 1 1 液压支架的作用及分类 液压支架是煤矿井下使用的一种机械设备，由金属构件和液压缸等元件构成的井下 采煤设各，在工作面采煤的过程中，对顶板进行支撑防止其脱落影响采煤工作和井下人 员的人身安全。它是实现煤矿井下采煤机械自动化，提高了井下采煤设备的效率。 支架按其在井下采煤工作面放置地点分为工作面与端头支架。工作面支架按照其和 项板的接触关系，可分为支撑式、掩护式和支撑掩护式。支撑式液压支架是一个在底座 上用几根立柱支撑顶梁，通过顶梁支撑顶板简单结构基础上开发出来的最早的液压支 架。支撑式的支架本身的支撑力非常大，对顶板的支护性能比较好。但是由于支架的立 柱上下垂直放置，其吸收水平方向力的能力比较差。所以井下工作有水平方向力的作用 支架时，支架本身会失去平衡性。掩护式支架是采用立柱和掩护梁等金属构件来支撑项 板和防止其冒落到井下工作面中。掩护式支架的顶梁非常短，大多数液压支架的立柱只 有一排，处于倾斜状态，连接到掩护梁或者直接与顶梁相连并且由顶梁支护顶板。这类 支架的支撑力小，但掩护性能和稳定性较好，调高范围大，对破碎顶板的适应性较强， 适用于支护不稳定或中等稳定的松散破碎顶板。支撑掩护式液压支架是将支撑式和掩护 式支架相结合的一种支架。它以支撑为主，同时又有掩护作用。这种支架支撑力比较大、 对顶板的支护性能好：支护下的工作面比较大和防护性能好、结构稳定等优点。因此， 支撑掩护式支架适用于直接项中等稳定或稳定，基本顶周期压力明显或强烈、瓦斯涌出 量较大的煤层【2 】。 。除以两种主要分类方法外，液压支架还可按立柱的个数分类、按立柱在顶梁与底座 之间布置方式分类、按顶梁结构不同分类等。 9 太原理工大学硕士研究生学位论文 图2 1 支撑式液压支架示意图图2 - 2 支撑掩护式液压支架示意图 f i g 2 1s u p p o r t i n gt y p eh y d r a u l i cs u p p o r ts c h e m e sf i g 2 2s u p p o r ts c r e e nt y p eh y d r a u l i cs u p p o r ts c h e m e s 2 1 2 液压支架的运动分析 图2 3 支撑式液压支架工作原理图 f i g 2 - 3w o r k i n gp r i n c i p l eo f h y d r a u l i cs u p p o r td i a g r a m 1 一顶梁；2 一立柱；3 一运输机；4 一底座；5 一推移千斤顶；6 一立柱安全阀；7 一液控单向阀；8 、9 一操纵阀 液压支架的基本工序包括升柱、降柱、移架和推溜，其升、降、推、移工序分别是 依靠液压支架中立柱和千斤项的伸缩来实现的。本文在此只研究的液压支架的升柱运动 的工序。 j 当液压支架移动到新的位置后需要立刻支撑需要支护的项板，此时将支架中的操纵 阀调至升柱位置，乳化液由乳化液泵站输送到支架立柱并且立柱开始升柱。顶板对立柱 的作用力随其与顶梁相互接触的程度而定，因此升柱运动工序分为三个阶段：升柱初撑 1 0 太原理工大学硕士研究生学位论文 阶段、增阻承载阶段和溢流承载阶段。 升柱初撑阶段：当支架中的操纵阀调至升柱时，泵站输送的乳化液体开启单向阀流 到立柱下腔并且立柱开始升柱。升柱初撑包括升柱和初撑两个阶段，在立柱升柱过程中 立柱活塞腔液体压力从p o ( 开启操纵阀前其中的压力) 增到p s ( 该过程中的液体摩擦阻力 和顶梁、立柱等自身的重力) ，升柱过程的时间为t s ；在立柱初撑过程中，立柱活塞腔液体 压力从p s ( 该过程中的摩擦阻力和项梁、立柱等自身的重力) 增到p c ( 该过程完成时立 柱活塞腔液体压力的大小由该过程需要的时间t c 和液压支架本身系统特性决定) ，上升 到乳化液泵站端口输出的额定压力，初撑过程的时间为t c ( 主要影响因素为液压支架操 作工的经验判值和支架本身系统的特性，具有随机性) 2 2 】。 增阻承载阶段：当支架中的操纵阀调至中位后，系统停止给支架供液，从而支架停 止升柱且处于支护的状态。然后顶板对立柱的作用力随着顶板的下沉而增大，进而立柱 活塞腔内的液体压力升高，从而液压支架此时的支撑力也变大。一般情况下支架在该过 程中的支撑力一般不会增加到溢流阀的开启压力p 。大多情况下是先达到图2 4 中p ：l 值，在本支架的邻架移动时迅速增加到图2 4 中勉值。该过程中的支架支撑力是否上 升到溢流阀的开启压力p t 受诸多因素影响【2 3 】。 溢流承载阶段：顶板在上个过程后继续作用支架或突然作用到支架时，支架的支撑 力也会快速增加，甚至达到溢流阀的开启压力p t 。当支架的支撑力达到溢流阀的开启压 力时，溢流阀开启，使立柱活塞腔内液体压力维持在溢流阀的开启压力p 。该过程可能 会发生在本支架邻架降移之前和之后，是偶然的【2 2 1 。 图2 - 4 支架立柱工作过程图 n f i g 2 - 4w o r k i n gp r o c e s sd i a g r a mo f h y d r a u l i cs u p p o r t p n叠=n攻n 艮 太原理工大学硕士研究生学位论文 2 2 乳化液泵站概述 2 2 1 乳化液泵的工作原理 经过研究实验后，泵站选用三柱塞定量泵如2 5 ，该柱塞泵的三个柱塞均水平方向， 该柱塞泵工作时电机1 将旋转运动经过一对齿轮2 减速后传递给曲轴4 ，曲轴4 将旋转 运动再由曲柄连杆机构带动柱塞泵中三个柱塞做重复运动。当其曲柄连杆机构推动柱塞 向柱塞腔里面方向运动时，柱塞腔的密闭空间由于减小从而导致其中的乳化液体压力增 大，在液体压力的作用下，单向阀5 开启，乳化液排出缸体6 ，通过主进液管路给液压 支架供液，此过程为乳化液泵向外排液过程；当其曲柄连杆机构带动柱塞向柱塞腔外面 方向时，柱塞腔的密闭空间由于增大从而导致负压形成，在外面大气压作用下，单向阀 5 开启，乳化液进入缸体6 ，此过程为乳化液泵向内吸液过程。柱塞泵吸液和排液过程 和曲轴旋转运动是完全对应的，即当曲轴旋转运动一周，柱塞泵正好完成一次吸液和排 液过程。 ! _ 二二二i 二l 一一一一_ f 一一一一一一- i 厂斤!丝 l 科 7 一 l - 割 ：一亍2 i一6 566 ：山 去濠觚支裂 图2 5 柱塞泵结构图 f i g 2 5p l u n g e rp u m p ss t r u c t u r ed i a g r a m l 一电动机；2 一齿轮副：3 一十字滑块；4 一曲轴；5 一单向阀；6 一缸体 2 2 2 泵站的相关参数 1 ) 乳化液泵理论排量、理论流量、流量脉动 ( 1 ) 理论排量是曲轴旋转一周时乳化液泵排出的乳化液体积称为乳化液泵的理论排 量，试验中常把曲轴旋转运动一周当乳化液泵没有负载时输出乳化液的体积当作理论排 量。计算乳化液泵的理论排量的公式： 1 2 太原理工大学硕士研究生学位论文 q ：至d 2 2 r z ( 2 1 ) 4 式中：d 柱塞直径( c m ) ；，曲柄半径( c m ) ；z 柱塞数目。 ( 2 ) 理论流量是乳化液泵理论上( 在无负载的情况下) 每分钟输出乳化液的体积称 为乳化泵的理论流量： q 理= q n ( 2 2 ) 式中：刀曲轴转速( r m i n ) 。 乳化液泵在每分钟内实际( 有负载的情况下) 输出乳化液体的体积称为泵的实际流 量： q 实2 q 理7 7 1 ( 2 3 ) 式中：习泵的容积效率。 ( 3 ) 流量脉动是乳化液泵的流量时刻发生变化的。由于泵的柱塞运动速度和工作数 目实时变化引起乳化液泵的流量时刻发生变化，所以将泵的流量变化称为脉动。故用流 量脉动率表示泵的流量脉动： 仃：纽二垡地( 2 4 ) g o 式中：6 嘲的流量脉动率；q m 。厂一泵的最大瞬时流量( 硎) ； q m 加泵的最小瞬时流量( 硎3 ) ；g 广泵的时间平均流量( c m ) 。 泵的流量脉动会导致泵站端口输出压力的瞬息变化，进而产生泵站输出压力脉动。 流量和压力脉动容易导致管道和阀共振，为了吸收流量和压力脉动故而在乳化液泵站中 设置了蓄能器。 2 ) 乳化液泵站输出额定压力 乳化液泵站输出额定压力要达到千斤顶移动和立柱初撑所需要的液体的工作压力。 如果此工作压力不能同时满足时，应该分别采用压力供液系统。泵站工作压力为西： 五k i 叱 ( 2 5 ) - 式中：千斤顶移动和立柱初撑需要的工作压力( m p a ) ； 虹液压系统中乳化液输出管道中的液体压力损失比例系数，一般取1 1 ， 1 2 ，具体情况要具体分析。 一：4 3 ) 乳化液泵站的额定流量 】3 太原理工大学硕士研究生学位论文 乳化液泵站的额定流量西是单台支架全部千斤顶和立柱一齐工作时所用的泵站 输出的乳化液流量。 珐砭( z o i ) 等1 0 - 3 ( 2 6 ) 式中：z q i 单台支架所有千斤顶与立柱一齐工作时所用的乳化液体积( c m j ) ； 采煤机的牵引速度最大值( m r a m ) ： 么_ 支架中心距( 优) ； 局乳化液在输送管路中的泄漏损失系数，一般取1 1 1 3 。 4 ) 乳化液泵的驱动电机额定功率 泵的电动机功率的计算公式： ：盟( 2 - 7 ) 6 1 2 r i b 式中：蹿厂_ 泵的总效率； 巧西泵的额定工作压力和流量( m p a 、l m i n ) 。 5 ) 乳化液箱容积 液箱的容积要包括下面所说的液量： ( 1 ) 泵在三分钟内的流量幺和乳化液箱的本身储液量q d ： 巧= 3 珐+ g ( 2 8 ) ( 2 ) 泵停止时管道内中的最大回流液流量： _ 酬。旷 ( 2 - 9 ) 式中：喀、之输送乳化液管道的内径和长度( c 坍) 。 ( 3 ) 煤层厚度变化导致的需要乳化液体积差： k ：nd