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太原理工人学硕士研究生学位论文 防爆变频自动排绳系统研究 摘要 绞车是辅助运输中的关键设备，广泛地应用于矿山、港口、工厂、 建筑和海洋等诸多领域。针对绞车在工作过程中普遍存在由于钢丝绳在 滚筒上缠绕不均、排绳紊乱所导致的乱绳、咬绳、压绳、垒绳等现象， 本论文提出了一种可以应用于防爆场合的新型变频泵控油缸的自动排绳 方案，对其整个系统进行了深入的理论与实验研究，具有重要的理论价 值和实际工程意义。 本课题从钢丝绳辅助运输和绞车运输中所存在的问题出发，结合现 有排绳方法和结构形式，根据“卡轨车运输绞车对拉转载系统”科研项 目这个背景对防爆变频自动排绳系统进行理论和试验研究，包括机械部 分、控制部分( 包括液压控制系统和电气控制系统) 的研究，实现绞车 滚筒灵活、整齐、密实的排绳。 通过分析自动排绳系统中关键环节的检测原理，对绞车转速和油缸 行走速度进行间接测量，利用工业级控制器p l c 、防爆变频器和液压系统 组成防爆变频电液控制系统，控制排绳油缸的伸缩，使之直线运动能够 实时、动态地跟踪绞车滚筒的旋转运动，达到自动排绳的目的。 分析变频泵控油缸自动排绳控制系统的数学模型，利用m a t l a b 软 件中s i m u l i n k i 具对系统动态响应特性进行了仿真分析，得出相关参 太原理工大学硕士研究生学位论文 数对系统响应指标的影响规律，为提高系统性能指标提供参考理论依据。 接着对变频自动排绳系统进行了实验研究，通过事先编制好的控制软件， 采用p i d 控制算法，控制整个系统的动作，然后对试验结果进行分析，验 证油缸速度和滚筒转速的协同性，为进一步提高变频自动排绳系统的应 用效果提供了新思路。 本课题研究的防爆变频自动排绳系统具有以下特点：将机械、电子、 液压、变频和计算机控制技术有机结合起来，把变频液压控制技术应用 到煤矿井下等防爆场合，实现高精度的速度控制，拓宽了变频液压控制 技术的应用领域。排绳机构的水平运动能准确、快速地跟踪容绳滚筒的 收放动作；排绳机构能够可靠换向；排绳油缸能够在绞车每次启动时自 动判断运动方向，实现完全的自动排绳。 本自动排绳系统的研制成功，将能够很好地解决大吨位绞车滚筒排 绳紊乱所造成的乱绳、咬绳、压绳、垒绳等问题，延长钢丝绳的使用寿 命，提高绞车运输系统的安全系数，具有很显著的理论和实践意义。 关键词：绞车，防爆变频，自动排绳，泵控油缸，p i d 控制 太原理工大学硕士研究生学位论文 r e s e a r c ho na i j t o m a t i cr o p e a rra n g j gs y s t e m b a s e d0 nf l a m e p r o o fc o n v e r t e r a b s t r a c t i ni n d u s t r i a lp r o c e d u r e ，w i n c hi sak e yd e v i c ei na u x i l i a r yt r a n s p o r t ， w h i c hi sw i d e l yu s e di nm a n ya r e a ss u c ha s p o r t ，f a c t o r y , b u i l d i n gs i t e ， o c e a na n dm i n e i ni t sw o r k i n gt h ew i n c hf a c e ss e v e r a lp r o b l e m s t h ew i r e r o p ec a n tb e w i n d e dh o m o g e n e o u s l y , a n db e a r r a n g e di r r e g u l a r l y t h e s i t u a t i o nt h a tt h ew i r er o p ei sd i s o r d e r e d ，g r i p p e da n dr e t a i n e do f t e n h a p p e n e d s ot h i sp a p e rp u tf o r w a r dan e wk i n go fr o p ea r r a n g i n gm e t h o d b a s e do np u m p - c o n t r o l a c t u a t o ro nc o n v e r t e r , w h i c hc a r lb eu s e di n f l a m e p r o o fs i t u a t i o n d e e p l yr e s e a r c h e do ni t se n t i r es y s t e mi sp u tf o r w a r d t h e s er e s e a r c h e sa r ee s s e n t i a le i t h e ri nt h e o r yo ri ne n g i n e e r b a s e do nt h e p r o b l e me x i s t i n g i nt h ew i n c h t r a n s p o r t a t i o n ， i n c o r p o r a t i n gt h em e t h o da n dt h es t r u c t u r eo fr o p ea r r a n g i n gi nd o m e s t i c a n df o r e i g nc o u n t r y , p u tf o r w a r dt h et h e o r e t i c a la n de x p e r i m e n t a ls t u d yo n t h es c i e n t i f i c p r o j e c t r e h a n d l i n gs y s t e mo fa u x i l i a r yw i n c hb a s e do n p u l l t o - p u l lo fw i n c h ”，i n c l u d i n gt h em e c h a n i c a l ，h y d r a u l i ca n de l e c t r i c a l p a r t t h ew i r ec a nb ea r r a n g e df l e x i b l y , r e g u l a r l y , d e n s e l y a n a l y z i n gt h ep r i n c i p l eo ft h ek e yd e t e c t i o np a r t si nt h es y s t e mo fr o p e a r r a n g i n g ，t h ea u t h o rm e a s u r e dt h er o t a t i o n a ls p e e do ft h ew i n c ha n dt h e s p e e do ft h ea c t u a t o ri n d i r e c t l y u t i l i z i n gp l c ，f l a m e p r o o fc o n v e r t e ra n d h y d r a u l i cs y s t e mt oc o n t r o lt h ee x t e n s i o no ft h ea c t u a t o r , a u t o m a t i cr o p e a r r a n g i n gi sr e a l i z e d t h em o d e lo ft h ec o n t r o l s y s t e mo f a u t o m a t i cr o p ea r r a n g i n gi s e s t a b l i s h e du s i n gp i d t h ed y n a m i cr e s p o n s ec h a r a c t e r i s t i co fs y s t e mi n m a t l a bs i m u l i n ki se m u l a t e dt h er u l e so f p a r a m e t e r c h a n g ea f f e c t i n g 太原理工大学硕士研究生学位论文 r e s p o n s ep e r f o r m a n c e a r eo b t a i n e d t h et h e o r e t i cr e t e r e n c e sa r ep r o v i d e dt o i m p r o v et h es y s t e m sp e r f o r m a n c e t h e ne x p e r i m e n t st ot h ea u t o m a t i cr o p e a r r a n g i n gs y s t e mo nt h ec o n v e r t e r a r em a d e c o n t r o lt h em o v eo ft h es y s t e m t h r o u 【曲t h ep r i o rp r o g r a m m i n gs o f t w a r ea d o p t i n gp i da l g o r i t h m a n d a n a l y s i st h er e s u l tt oc e r t i f yt h ea c t u a t o rs p e e da n dr o l l e rr o t a t i o n a ls p e e d s y n e r g i e s p r o v i d en e ww a y so ft h i n k i n gt of u r t h e re n h a n c et h ea p p l i c a t i o n s r e s u l t so ft h ea u t o m a t i cr o p ea r r a n g i n gs y s t e mo nc o n v e r t e r t h ef o l l o w i n gf e a t u r e sa r ea t t a c h e dt ot h ea u t o m a t i cr o p ea r r a n g i n g s y s t e m ：i n c o r p o r a t i n gm e c h a n i c a l ，e l e c t r i c ，h y d r a u l i c ，c o n v e r t e ra n dc o n t r o l t e c h n o l o g y , a p p l y i n gt h ec o n v e r t e r - h y d r a u l i cc o n t r o lt e c h n o l o g yt o c o a l m i n e ，r e a l i z e dh i g h a c c u r a c ys p e e dc o n t r o la n db r o a d e n e dt h ea p p l y i n ga r e a o fc o n v e r t e r - h y d r a u l i cc o n t r o lt e c h n o l o g y t h eh o r i z o n t a lm o t i o no fr o p e a r r a n g i n gm e c h a n i s mc a n t r a c et h er e t r a c t i o nm o t i o no f t h ew i n c ha c c u r a t e l y a n dq u i c k l y t h er o p ea r r a n g i n gm e c h a n i s mc a nr e v e r s er e l i a b l y t h e a c t u a t o rc a n i d e n t i f r t h ed i r e c t i o n a u t o m a t i c a l l ya n da u t o m a t i cr o p e a r r a n g i n g t h ed e v e l o p m e n ts u c c e s so f t h ea u t o m a t i cr o p ea r r a n g i n gc a ns o l v et h e p r o b l e mo ft h er o p ea r r a n g i n gi r r e g u l a r l y ，d i s o r d e r e d ，g r i p p e da n dr e t m n e d a n ds oo na n dp r o l o n gt h el o n g e v i t yo fw i r e ，a n di n c r e a s et h es a f e t yo ft h e s y s t e m t h e s er e s e a r c h e sa r ee s s e n t i a le i t h e ri nt h e o r yo ri np r a c t i c e k e yw o r d s ：w i n c h ，f l a m e p r o o fc o n v e r t e r ，a u t o m a t i cr o p ea r r a n g i n g ， p a m p - c o n t r o l a c t u a t o r , p i dc o n t r o l i v 声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在指导教师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文 不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究 做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的 法律责任由本人承担。 论文作者签名：日期： 关于学位论文使用权的说明 本人完全了解太原理工大学有关保管、使用学位论文的规定，其 中包括：学校有权保管、并向有关q j f - i 送交学位论文的原件与复印 件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文； 学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为目的， 复制赠送和交换学位论文；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容( 保密学位论文在解密后遵守此规定) o 签名：日期： 凶 导师签名：二：兰：三!日期：? “f 一，一 太原理工大学硕士研究生学位论文 第一章绪论 本章主要论述了课题研究的背景、意义及内容。首先通过对钢丝绳辅助运输和 国内外排绳方法现状进行系统的综述，并根据“卡轨车运输绞车对拉转载系统”科 研项目这个背景提出了本论文研究课题的意义，随后综述了变频调速液压控制技术 的应用现状和发展趋势，最后结合实际情况确定了本课题的具体研究内容。 1 1 课题研究的背景和意义 11 1 钢丝绳牵引辅助运输简介 煤矿井下辅助运输的对象是指除主煤流运输之外的各种运输之总和，主要包 括：从工作面采掘下来的矸石运到地面：把支架、设备、材料及充填材料从地面运 到工作面，待修理( 或待回收) 的支架、设各从工作面运到地面，以及部分材料、设 备在井下周转使用；此外，还包括人员从地面( 或井底) 运送到工作地点或从工作 面运送到地面( 或井底) 。【1 1 在辅助运输设各这方面，国内外煤矿设备研究机构都在不断努力研制，己形成 了一定的规模和系列。这些设备按动力源划分，分为：钢丝绳牵引，电牵引，柴油 机牵引。而钢丝绳牵引运输由于适应性强，受巷道起伏不平的影响不大，设备简单、 轻便，制造和安装容易，初期投资小，操作方便，对维护，安装，使用要求的技术 条件不高，因而在我国当前的矿山企业中，尤其是中小型矿井应用较广泛。 钢丝绳运输足指凡在水平的或倾斜的轨道上利用绞车及钢丝绳牵引矿车或提升 容器沿轨道移动的运输方式。按矿车的运行特点，钢丝绳运输分为使用单滚筒或双滚 筒的滚筒式绞车的有极绳运输，和使用摩擦轮式或其他特殊形式绞车的无极绳运输。 按作用方式，有极绳运输分为单绳运输和双绳运输。钢丝绳运输有如图卜1 所示的几 太原理工大学硕士研究生学位论文 种方式。 一目 6： 一占 ab cd 图卜1 钢丝绳运输方式 f i gi 一1t r a n s p o r t a t i o nw a yo f t h es t e e lw i r er o p e ( 1 ) 单绳运输( 图1 1 a ) 。矿车( 或箕斗) 由一台单滚筒绞车沿斜巷向上牵引，而 向下的运行是依靠矿车的自重沿斜巷白溜下放。这种运输方式主要用在倾斜巷道中。 ( 2 ) 主尾绳运输( 图1 1 b ) 。矿车由一台单滚筒绞车或一台带尾绳的双滚筒绞车 进行牵引。这种运输方式用在水平巷道或者是坡度不大的巷道中。 ( 3 ) 双绳运输( 图1 1 c ) 。这种运输方式是绞车上的两根钢丝绳各挂一个车组， 两个车组相向运行。这种运输方式只能用在倾斜巷道中。轨道可以采用双轨，也可以 采用带有中间错车道的单轨。 ( 4 ) 无极绳运输( 图卜一1 d ) 。无极绳运输中钢丝绳的两端是绕过一个或几个摩擦 绳轮和一个拉紧绳轮而后连接起来，无极绳运输的轨道一般是铺设双轨，运载货物在 一条轨道上向一个方向行驶，空车返回则在另一条轨道上向另一个方向行驶。 本文主要是针对在前三种钢丝绳运输方式中起关键作用的滚筒绞车而言来进 行研究的。 2 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 12 目前存在的问题 绞车在工作过程中普遍存在的一个问题就是钢丝绳在绞车滚筒上缠绕不均，排 绳紊乱，出现乱绳、咬绳、压绳等现象，当出现缠绳排列严重不齐时，车辆运行出 现振动、冲击，钢丝绳跳动现象，尤其是下放车辆，轻则行车不稳、掉道等，重则 断绳跑车、发生撞毁棚梁支护、冒顶和人身事故等；钢丝绳缠绕时出现的咬绳现象， 使钢丝绳容易引起塑性变形和绳表面的划伤，既缩短了钢丝绳的使用寿命，也会很 容易发生断绳跑车事故。另外，若专人拨绳可以使滚筒上缠绳略为整齐，但也经常 发生意想不到的人身事故。圆 笔者经过多次到现场进行调研，并查阅有关资料，仔细研究绞车在国内外煤矿 井下的使用工况和使用现状，发现和证实了影响钢丝绳排列整齐与否的主要因素 有： ( 1 ) 由于井下地质条件复杂，采区运输巷一般都是根据煤层走向开掘出来的， 所以在一条运输巷中，可能有很多个上、下坡，车辆在面向绞车方向有大坡度下坡 滑行时，由于滑行速度大于绞车收绳速度，造成绞车简体前余绳过多而引发绞车起 圈，出现乱绳； ( 2 ) 采区运输巷在开采过程中，有时为了躲断层和岩石造成的巷道弯曲不直， 受采区运输巷弯弯曲曲的条件限制，绞车安装位置不可能在轨道的中心，即垂直绞 车滚筒的中心线与轨道中心线有一定的偏角，这样就导致绞车运输中钢丝绳在滚筒 上排列偏向轨道侧，容易出现垒绳、咬绳等现象； ( 3 ) 绞车的工作往往是间歇性的，当完成一次牵引任务绳段载荷去掉后，绳 头呈自由状态，钢丝绳会因自身弹力作用使缠绕在滚筒上的钢丝绳松圈而出现乱绳 现象； ( 4 ) 由于绞车工作环境往往很恶劣，钢丝绳在工作过程中会受到不同程度的 损坏，产生硬化和弯折，不再保持光顺的原形，这样钢丝绳往卷筒上缠绕时就无法 排列整齐而出现乱绳现象，甚至钢丝绳只往卷筒的一边缠绕同样会影响绞车的正常 工作。 3 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 1 3 排绳方法研究现状 为了解决上述钢丝绳缠绕不均、乱绳、咬绳等问题，国内外许多专家学者和研 究单位都在寻求新的钢丝绳自动排列方案，先后进行了一系列的实验研究，目前在 工业现场投入使用的主要有下述几种方案，现简单介绍如下。【 4 ，5 6 8 】 1 1 3 1 机械式 就使用的主要机构不同，常见的有凸轮、圆柱凸轮、丝杠及光杆排绳方式。 ( 1 ) 凸轮排绳。凸轮排绳机构见图1 - 2 。该机构由凸轮、摇杆、摆杆、导向杆、 排绳导轮、调节螺杆组成，排绳是靠凸轮旋转带动摆杆往复运动完成的：当凸轮转 动时，摇杆移动使摆杆往复运动，从而带动导杆做直线往复运动实现排绳，换向是 靠凸轮木身的轮廓来完成，该机构排绳平稳，不会产生突跳，排绳均匀，调节螺杆 可改变排绳宽度，调节凸轮的转速可改变排绳节距的大小，调节排绳导轮在导向杆 上的位置，可改变排绳的位置。此机构有着结构简单、紧凑、造价低廉等优点，只 要凸轮设计合理就能实现周期排绳的目的；但凸轮轮廓与从动件之间一般是点线接 触，凸轮与从动件都容易磨损，受速度的限制，它尤其不能用于受力较大、距离较 长的场合。 、 一 飞一u 6 2 ， 1 排绳凸轮；2 摇杆；3 调节螺杆；4 摆杆；5 导向杆；6 排绳导轮 图卜2 凸轮排绳机构 f 追1 1 2 r o p e m a n g 吨m e c h s m o nc l ( 2 ) 圆柱凸轮排绳装置。这种排绳方式如图1 3 所示。该机构主要由圆柱凸轮、 链传动机构、无级变速器、夹绳机构等组成。 太原理工大学硕士研究生学位论文 浩再 尹亨户 l j _ l r 竺9 4 “r 一；“m 芎 豸 图13 圆柱凸轮排绳示意图 f i g 1 - 3s k e t c h m a po f r o p ea r r a n g i n g o n c o l u m n e dc a m 该装置是在原绞车机构的基础上，通过链条传动，把绞车滚筒转动的动力力矩 传递到无极变速器的主动轮上，无极变速器再经过变速把动力传递到圆柱凸轮辊筒 上，这样圆柱凸轮辊筒随之转动，采用空间凸轮自动换向和灵活的夹绳机构来实现 绞车的自动排绳。对于不同的钢丝绳直径，通过无级变速器的速比就可达到自动有 序排绳的目的。此方案的缺点是不适合重载绞车的排绳。 ( 3 ) 丝杠排绳机构。丝杠排绳机构分单丝杠排绳和双丝杠排绳，如图1 - 4 所示 为单排绳丝杠机构，它由丝杠4 、连有导杆的螺母5 、换向滑块3 、限位块6 、换向 卡t 等组成。 6 7 1 拖动皮带盘；2 伞齿轮；3 换向滑块；4 丝杠；5 螺母； 6 限位块；7 换向杆 图1 4 丝杠排绳示意图 f i 9 1 4s k e t c h m a po fr o p ea r r a n g i n g o l 3 l e a ds c r e w 螺母套在丝杠和换向杆上，丝杠转动带动螺母移动，从而产生排绳的直线运动， 通过换向杆扳离换向滑块，与左右伞齿轮相啮合，从而改变丝杠的转向，从而实现 周期性排绳目的。丝杠排绳传动比标准，排绳相对均匀、密实。但丝杠加工困难， 5 太原理工人学硕士研究生学位论文 若螺距过小，绳密度系数则高，轴向张力和径向压力过大，使工字轮发生变形。若 螺距过大，排绳往复频繁，会影响换向机构上作的町靠性和寿命，特别是机械式的 响应较慢，较易出现马鞍形。 ( 4 ) 光杠排绳机构。如图1 5 所示，它主要有光杆、行程开关和换向器及内置 少t 形板上的3 对滚动轴承环构成。其排绳原理是动力通过光杆的转速1 3 传给3 对 与之接触的滚动轴承环，借助环与光杠问的摩擦力，使轴承环水平运动，从而带动 排绳机构排绳，运动到极限位置与行程开关碰撞，改变轴承的倾斜方向，从而改变 运动方向。 图卜5 光杠排绳机构 f i g i - 5r o p ea r r a n g i n gm e c h a n i s mo no p t i c a ll e v e r 只要调节角n 的大小，就可以连续调节排绳速度。由其原理决定机构造价较高， 同时排绳是通过摩擦来实现，容易出现打滑，导致排绳不均匀现象，一般不用于排 绳力很大的场合。 1132 电动式 现在常用的有皮带排绳和步进排绳方式。 ( 1 ) 皮带排绳。如图1 - 6 所示，它是由皮带轮、皮带、带有排绳架的两个赢流 电磁阀铁以及行程开关等构成。 6 太原理工大学硕士研究生学位论文 图1 6 皮带排绳机构 f i gl - 6r o p ea r r a n g i n gm e c h a n i s mo nb e l t 其传动原理是：在一个直流电磁阀铁通电时，阀块与一皮带接触，排绳架随减 过速的皮带朝一个方向运动，当运动到极限位置，碰撞行程开关，使另一电磁阎铁 通电，随另皮带朝相反方向运动，完成往返排绳功能。此方案由于采用皮带传动， 皮带传动的缺点是有弹性滑动和打滑的现象，容易造成排绳不均。 ( 2 ) 步进排绳。如图1 7 为一应用于电线的卷曲纤维的绕制等场合的步进排线 系统，由绕线机速度测量系统( 光码盘) ，排线机位置监测系统( 接近开关) ，步进电机 及其驱动器、丝杠、排线小车等组成。 图卜7 步进排绳系统原理图 f i g i - 7s c h e m a t i cd i a g r a mo f s t e p p i n gr o p ea r r a n g i n gs y s t e m 由键盘或上位机设定绕线线速度、线径、线长、卷盘厚，测取绕线机速度反馈 信号，以其作为步进电机随动绕线机的控制信号，依据缠绕线型的不同，由单片机 计算、输出相应的步进电机驱动脉冲及方向信号，控制排线小车的运动速度及方向。 这种排线方式由于是步进电机带动排线丝杠来执行，存在着类似丝杠排绳机构同样 的问题。 7 太原理工大学硕士研究生学位论文 1133 液压气动式 由于机械排绳中，零部件间是刚性接触的，即便满足准匀速或匀速排绳要求， 也会出现运动过程中产生加速度的可能，特别是在往返改变方向时极易出现冲击， 产生振动和噪音，降低机构寿命。于是液压、气动排绳方式引起了人们的关注，其 实液压、气动排线方式大同小异。如图】一8 所示为一液压缸捧绳机构主要由液压 缸，3 位4 通换向阀、供油系统及排绳架等构成。 图18 液压排绳机构 f i g 】- 8r o p ea r r a n g i n gm e c h a n i s mo i lh y d r a u l i c 工作原理是排绳架由双出杆在液压缸的油活塞推动下进行运动，换向靠行程限 位开关通断3 位4 通换向阀来实现。采用液压排绳方式按照液压比例来控制排绳速 度，同机械调速相比，可实现无级调速，控制精度高，适用和应用范围大，传动平 稳且能保证排绳质量。由于此装置没有压力自锁机构，导致由于惯性使活塞杆停止 时不能定位，引起排绳误差；另外由于比例阀对液压油源的质量要求比较高，一旦 有污染，可能会影响其正常工作，导致排绳混乱。 1 14 课题研究的提出及意义 本课题是在山西潞安环保能源开发股份有限公司“卡轨车运输绞车对拉转载系 统”科研项目的基础上，对其中的大吨位绞车防爆变频自动排绳子系统进行设计、 研究，并完成该子课题，同时对其他部分进行熟悉掌握，了解整个转载系统的工作 8 6 一 茹 太原理工大学硕士研究生学位论文 过程及工作原理。 本项目的重点研究内容是以山西潞安环保能源开发股份有限公司漳村煤矿二 水平和西下山两部卡轨车转载点为研究对象，建立了一套基于交流变频控制和液压 制动的绞车对拉转载系统，确保卡轨车运输安全、高效、快速、可靠的转载。在制 定项目方案时，由于现场工况比较复杂，整个1 0 0 多米转载段中既有7 度坡度，又 有弯度，使得绞车安装位置不可能在转载轨道的中心，即垂直绞车滚筒的中心线与 轨道中心线存在一定的偏角，所以就导致绞车工作中钢丝绳在滚筒上排列偏向轨道 侧，容易出现垒绳、咬绳等现象，使钢丝绳容易引起塑性变形和绳表面的划伤，既缩 短了钢丝绳的使用寿命，又容易发生断绳跑车事故：同时卡轨车的运输负载比较大， 最高达3 0 吨左右，所以一旦断绳跑车将有可能酿成重大的人身事故。因此研究一 套安全可靠的大吨位自动排绳装置来解决排绳问题，减少安全隐患，减少重大人身 事故的发生，保障井下安全高效生产，将具有重要的工程意义。 本课题就是以拖动负载达3 0 吨左右的大吨位绞车为研究对象，利用当前比较 成熟的变频液压控制技术，建立基于p l c 控制器和防爆变频器的电液控制系统，对 自动排绳系统中的重要参数油缸的行走速度进行实时控制，使之动态跟踪绞车 滚筒的旋转，达到整齐有序的排绳。并通过计算机对该变频自动排绳系统进行可行 性分析，最后通过实验对实际排绳系统进行检验。这一课题研究将机械、电子、液 压、变频和计算机控制技术有机结合起来，把变频液压控制技术应用到煤矿井下等 防爆场合，实现高精度的速度控制，拓宽了变频液压控制技术的应用领域，对其他 相关课题的研究具有一定的参考价值。 12 变频调速液压控制技术的现状和发展趋势 121 近代变频液压技术兴起背景 液压动力传动以其传动平稳、调速方便、功率体积比大等优良特性在诸多领域 获得了广泛的应用，但是液压动力传动的能量利用率不高，整机系统的效率较低， 因此，节能一直是液压动力传动中的主要研究方向之一o l 。电机变频调速技术依 9 太原理工大学硕士研究生学位论文 靠改变供电电源的频率来实现对执行机构的速度调节，电机始终处在高效率的工作 状态。将电机变频调速技术应用于液压系统，可以克服液压系统的一些缺点如简 化液压回路，减少液压系统的能量损失，提高系统效率，降低噪声等。其中最重要 的是减少液压系统的能量损失，提高整个系统的效率。 具体来说，变频液压技术兴起背景基于以下几方面的原因【t 1 , 1 2 1 ： ( 1 ) 电机变频调速技术的发展 随着电机变频调速技术的不断发展，使得它在诸多其他领域获得广泛成功的应 用，取得了良好的节电效果，如用于风机和水泵，节电率达4 0 左右。 ( 2 ) 节流调速液压系统存在较大的能量损失，效率很低 传统的节流调速回路在执行器运行过程中，始终存在较大的溢流损失和节流损 失，液压系统的功率效率很低。 ( 3 ) 容积调速液压系统存在某些固有的缺点 容积调速回路利用变量机构的位置控制作用，通过改变泵或马达的排量来调节执 行元件的运动速度。容积调速回路没有溢流损失和节流损失，功率效率较高。但是这 种传统的容积调速回路存在一些缺点：需要有一套比较复杂的变排量控制机构， 对介质要求较高；斜盘的摆角只能局限在一定的范围，因此调速范围有限；电 机转速固定，因而小流量时泵仍作高速运转，磨擦副的磨损加剧，噪声加大；电 机效率随负载而变化，在轻载时效率很低；变量泵比定量泵的噪声大。 ( 4 ) 传统节能型液压回路的不足 以往的节能研究大多数都是从液压系统本身的角度来考虑，努力减小液压系统自 身的功率消耗，包括液压元件的功率消耗和回路的功率损失。一般是采用减小液压元 什功率消耗和设计合理的液压回路，尽量减小回路的压力损失和流量损失来提高整机 的功率效率。另一方面这些节能方案没有从系统的角度和全局的观点来考虑液压动力 设备的节能问题。 122 变频调速液压控制技术的应用现状和发展趋势 液压系统的控制主要是针对压力、流量、方向三个方面，前两者一般需连续控 太原理工大学硕士研究生学位论文 制，后者主要是开关控制。压力控制与力或力矩相关，流量控制与速度或位置相关。 液压控制的控制主要有阀控和泵控二种方法。 以往的泵控一般是指通过泵的排量进行控制，这或许是因为调节原动机的转速 有一定难度。随着电力电子器件、微电子技术、电动机和控制理论的发展，近十多 年来己出现了用晶闸管、大功率晶体管等组成的，容量覆盖面很宽的异步电动机变 频调速系统，特别是微型计算机与矢量控制技术的应用，使得调节原动机的转速已 不再是阻碍因素，并且交流变频调速的性能已可与直流调速相媲美。原来以恒速传 动的风机、水泵类负载，从节能需要出发，已大量采用交流变频调速系统；传统上 采用的直流调速的轧钢、造纸和提升机械，及加工机床、机器伺服系统等，也已用 高性能交流变频调速代替直流调速。随着电子技术的发展，变频器的价格将会进一 步降低，应用逆变器的高性能、高可靠性交流调速系统必将取代直流调速系统，成 为调速传动的主流，而且将更广泛地应用在原来以恒速传动的场合。 交流变频电机与定量泵构成的电液控制系统，和变量泵液压控制系统相比，不 仅同样避免节流和溢流损耗，而且在轻载时还可提高异步电动机的运行效率和功率 因数，使得这种系统的可靠性增加，对此国内外许多专家学者做了大量的研究。 九十年代以来，国内外学者开始了交流变频调速技术在液压系统流量控制中的 应用基础研究。1 9 8 8 年k a z u on a k a n o 和y u t a k at a n a k a 正式撰文首先提出将交流 变频调速技术用于液压动力系统，1 9 8 9 年和1 9 9 1 年，他们研究了带蓄能器的变频 液压动力系统，1 9 9 5 年他们对变频电机驱动定量泵，普通电机驱动变量泵和用变频 电机驱动变量泵等几种情况，如图卜9 示，对它们的节能效果及动态特性作了对比 实验研究。口t l t l 坷 图i - i 0 是他们所用的实验装置。图中的液压泵既可以作定量泵用，也可以作 变量泵使用。当用作变量泵时，其排盘的控制是靠改变先导控制阀的阀芯开度进而 改变变量缸韵活塞杆的位移来改变斜盘的角度的。图中电机功率为5 5 k w ，变频器 功率8 3 k v a ，系统压力由溢流阀调定。对应图卜9 的4 种情况分别测试了流量响应 和系统效率。 太原理工大学硕士研究生学位论文 镯橱 痂相 图l 一9 四种泵电机系统实验比较 f 垃1 - 9c o m p a r i s o no f t h ef o u rp u m p - m o t o rs y s t e m 结果表明，普通电机驱动变量泵系统和用变频电机驱动定量泵系统的效率接近 相等，分别是0 4 3 5 和0 4 3 6 ：变频电机驱动变量泵系统的效率最高，为0 5 9 1 。 普通电机驱动变量泵系统和变频电机驱动变量泵系统的流量响应快于变频电机驱 动定量泵系统的流量响应。 h ，懈辅- 1 n o _ f “q h 图1 1 0 变频节能实验装置简图 f i g 1 1 0d i a g r a mo f e n e r g y - s a v i n ge x p e r i m e n t a ld e v i c eo nc o n v e r t e r 应用上，液压领域中最早应用变频液压技术的对象是液压电梯。早在1 9 8 4 年，日 本三菱公司m i t s u b i s h i ) 就开始着手研究变频驱动液压电梯，并于1 9 8 6 年申请了美国 专利。这篇专利文献开创了变频驱动技术用于液压电梯的先河，该专利提出了通过检 测电机转速，将实测转速与给定转速进行比较，利用转速差值信号作为变频器的控制 信号，变频器输出不同频率的电信号来实现对电机和泵转速的调节，从而调节液压系 rl-iil 1 0 太原理工大学硕士研究生学位论文 统的流量。2 0 世纪9 0 年代初，三菱公司率先将这种变频驱动的液压电梯推向市场【l7 l ； 到9 0 年代末，瑞士柏林格公司( b e r i n g e r ) 【1 ”和德国l e i s t r i t zag 公司【1 9 7 0 1 及其研究 人员k 1 i t z k e 都推出了变频驱动液压产品。 变频调速液压技术除了在液压电梯上应用以外，还在飞机、注塑机、液压转向 系统、制砖，等获得应用。文献 2 l 】对飞机中用变频驱动液压泵进行了实验研究，实 验表明，采用变频驱动具有明显的节能效果。文献i ”1 论述了变频驱动液压技术在 飞机中的应用。采用变频驱动的斜盘角度可以过零的泵马达，既可以工作在变量 泵状态，为系统提供液压动力；也可以工作在变量马达状态，这时机械能经马达驱 动可逆电机转换成电能，电能经整流和逆变之后向飞机电源供电。采用变频驱动液 压技术具有较显著的节能效果，将是未来飞机液压驱动技术的主流。文献凹1 对比了 节流调节回路和容积调节回路的特点之后，指出当用户更多地顾及系统的效率时采 用变频驱动是一种较好的选择。 在国内，主要是对原有液压系统进行变频技术改造或者是直接应用变频液压技 术。浙江大学流体传动及控制国家重点实验室的杨华勇教授带领的课题组在液压电 梯领域应用变频液压技术已经进行了十多年的研究，使我国变频液压电梯控制系统 的研究处于世界领先地位，推动了我国变频驱动液压技术的发展。另外，广东工业 大学罗勇武等对交流变频闭式容积调速液压控制系统进行了开环控制研究，并获得 广东省重点攻关项目资助。西安交通大学王世明等对以交流变频电机与定量泵代替 变量泵的闭式容积调速回路作了模糊神经网络闭环控制研究，取得了较高的速度稳 定性和回路刚度。哈尔滨工业大学的吴盛林教授等人采用交流伺服电机驱动定量泵 ( 无阀电液伺服系统) ，将船用操纵舵液压控制系统为应用对象进行了研究1 2 5 0 “，据 德国o + p 杂志报道，九十年代中期，交流变频调速在注塑机液压系统中开始使用， 用于控制流量，而压力则仍用变排量控制。 从上述论述可以看到，为了更好的发挥液压控制系统调速方便等优良的性能， 解决系统的功率效率低和如何降低能耗等问题上，已成功的将变频调速技术应用到 其中，并从性能研究和应用研究两个方面得到了进一步的证实。从现有的研究特点 来看，主要对变频调速液压控制系统在比较安全、工作环境相对较好的场合的应用 进行了研究，没有考虑到系统工作在像煤矿井下等要求防爆而且工作环境比较恶劣 1 3 太原理工大学硕士研究生学位论文 的场合的情况。本文就是以变频调速液压控制技术在井下大吨位绞车自动排绳系统 中的应用，并达到自动柔性排绳的预期目标为背景，从整个系统的设计到控制效果 和动态性能上进行了研究，而且对系统运行效果进行了实验研究。 1 3 论文的主要研究内容 本课题结合“卡轨车运输绞车对拉转载系统”科研项目，针对防爆变频自动排 绳系统进行了研究，其主要工作内容有自动排绳系统机构的设计，关键检测环节及电 液控制系统的研究，p l c 控制系统的软硬件的设计，系统动态特性和实验研究，具体 研究内容如下： ( 1 ) 了解钢丝绳运输现状及国内外现有的排绳方法和存在的问题。了解变频调 速液压控制技术的发展动态； ( 2 ) 分析自动排绳系统的工作原理，制订系统方案，对排绳机械机构和电液控 制系统进行总体研究： ( 3 ) 对防爆变频自动排绳系统重关键检测环节进行了系统的研究： ( 4 ) 完成变频自动排绳p l c 控制系统的软、硬件设计： ( 5 ) 建立变频自动排绳系统中控制部分的数学模型，建立控制系统的m a t l a b s i m u l i n k 仿真模型，针对控制系统模型选择和确定控制系统的各变量参数，对控制系 统进行控制算法的选择和仿真研究，主要针对系统速度响应的快速性进行控制和研 究，得出排绳速度v 与绞车转速n 之间的协同性； ( 6 ) 完成防爆变频自动排绳系统的实验研究和总体调试。 太原理工大学硕士研究生学位论文 第二章变频自动排绳系统的工作原理和系统构成 本章首先介绍了变频液压调速的原理，然后阐述了变频自动排绳的工作原理， 推导了影响排绳效果的关键参数的数学表达式，并根据工程应用进行简化。接着， 介绍了变频自动排绳系统的机构组成，控制系统组成( 包括液压控带系统和电气控 制系统) ，并对相关元器件及其性能进行了简要的论述。 2 1 基于变频的绞车电液自动排绳原理和参数计算 2 1 1 变频液压调速原理 液压系统多以异步交流电机驱动，根据油泵输出流量计算公式：q = 珂x q 可知， 改变电机转速h 或者改变油泵排量g 均可以改变油泵的输出流量。变频液压容积节流 调速液压系统是一种改变油泵输出流量，使之与流量阀所调节的流量相匹配，从而实 现无溢流损失的一种相对高效的调速方式。这种调速系统采用的是变频器+ 普通电机+ 定量泵的形式，定量泵的排量口为定值，通过交流变频调控电机的转速从而改变油泵 的转速，改变油泵输出流量。当工作机构需要快速运动时，电动机高频高速运转，油 泵输出大的流量，工作机构获得快速运动；当工作机构需要快速运动时，电动机低频 低速运转，油泵输出适合工作机构工作速度的流量，满足工作机构稳定工作要求。另 外变频器可以内置p i i ) 控制和采用无速度反馈矢量控制，因此具有更好的速度控制特 性。下面就本论文中起关键作用的变频器的原理作一简单介绍。 2 1 1 1 变频调速工作原理 变频调速的控制对象是三相交流异步电动机，由电机学可知，异步电动机的同 步转速，即旋转磁场的转速为 1 5 太原理工大学硕士研究生学位论文 m 、：盟( 2 - i ) m 、= 一 。 上式中， 一是同步转速，五是定子电压频率，n 。为电动机的极对数。而异步电动 机的轴转速为 月：”1 一a n ：”1 ( 1 - s ) ：6 0 f j ( 1 5 ) ( 2 - 2 ) n b 式中，s 为异步电动机的转差率。由式( 2 一1 ) 和( 2 2 ) 可见，当电机磁极对数n 。不 变时，同步转速以l 与实际转速以和电源频率，都r & i f _ v j 二关系，连续地改变供电电源 频率，就可以平滑地调节电动机的转速，这种通过改变电源频率实现的速度调节过程 称为变频调速。 2 1 ，1 2 调速控制方式 对异步电动机进行调速控制时，希望电动机的主磁通保持额定值不变。磁通太 弱，铁心利用不充分，同样的转子电流下，电磁转矩小，电动机的带负载能力下降： 磁通太强，则处于过励磁状态，使励磁电流过大，这就限制了定子电流的负载分量， 为使电动机不过热，带负载能力也要下降。异步电动机的主隙磁通是定、转子合成 磁动势产生的，所以只有保持调速前后主磁通保持相对恒定，才能保证电动机的带 负载能力。由电动机理论可知，三想异步电动机定子每相感应电动势的有效值为 置= 4 4 4 石册m 1 ( 2 3 ) 式中 e l 定子每相由气隙磁通感应的电动势均方根值； 石为定子电压频率； w 电机定子绕组有效匝数； r 。l 绕组系数； ，电机每极磁通。 定子电压u i 与定子感应电动势e