硕士论文-电动铲运机卷缆装置数控方法的研究.pdf

中南大学 硕士学位论文 电动铲运机卷缆装置数控方法的研究 姓名：许焰 申请学位级别：硕士 专业：机械电子工程 指导教师：夏建芳 20050508 中南人学硕十学伊论文摘要 摘要 卷缆装置足电动铲运机上十分关键的部件，设计不好就会使电缆 在地下拖曳而破损，不仅会使生产费用增加，而且影响作业安全。本 课题足电动铲运机研制开发横向科研项目的后续研究，主要就如何提 高电动铲运机卷缆装置的工作性能进行了重点研究。 本论文综合分析了传统型( 机械式、液压式和电力式) 卷缆装置 的工作原理、控制策略及工作性能，在分析、综合的基础上，提出了 卷缆装置的新型数控策略，自主开发了卷缆装置的新型控制方案。 在新型数控方案的实施中，针对电动铲运机工作的前进和后退工 况，对电缆卷筒进行了动力学研究，通过对电动机电枢电流和电缆卷 筒角加速度的直接实测，依据各工况下电缆卷筒的平衡方程，间接地 得到各工况下的电缆张力在电缆卷简轴上产生的动态转矩值。进而通 过所设计的控制系统，控制电动机的电枢电压和电磁制动器的动作， 调节卷缆、放缆的速度，实现工作过程中铲运机行走机构与卷缆装置 的速度同步。由丁二该同步数控系统比传统控制方法响应速度快，调节 迅速，因此该数控卷缆装置的同步性能比传统型控制方法得到较大的 改善。另外，由于同步性能的提高，也避免了工作过程中断缆、松卷、 甩缆的现象，提高了设备的安全性能。 本论文根据上述控制方案和工作原理，以C Y E 一2 型电动铲运机为 研究对象，采用模块化程序设计方法，自主设计开发了以单片机为控 制器的同步控制系统。通过数控卷缆装置的模拟实验研究，验证了电 动铲运机数控卷缆装置控制策略的正确性。 关键词：电动铲运机，卷缆装置，同步，数控，单片机 A B S T R A C T T h er o l l c a b l ed e v i c ei Sav e r yp i v o t a lp a r to nt h ee l e c t r i cL H D I f c a n tb ed e s i g n e dv e r yw e l l ，i tm a k e sc a b l eh a u l a g eo nt h eg r o u n da n d d i s r e p a i r T h i sc a nm a k ec o s t i n gi n c r e a s ea n da f f e c tt h es e c u r i t yo fW O r k T h es t u d yi Sas e r i a lr e s e a r c ho fal a n d s c a p eo r i e n t a t i o no ft h ee l e c t r i c L H D Sm a n u f a c t u r es t u d y I tp l a c e sk e y s t o n eo nt h er e s e a r c hw h i c hi S a b o u te n h a n c i n gt h ew o r kc a p a b i l i t yo ft h ee l e c t r i cL H D Sr o l l c a b l e d e v i c e T h es t u d yi n t e g r a t e sa n da n a l y s e st h eW O r kp r i n c i p l e 。c o n t r o l s t m t e K wa n dW O r kc a p a b i l i t y o ft h et r a d i t i o n a lr o l l c a b l ed e v i c e ( m e c h a n i c a l ，h y d r a u l i cp r e s s u r ea n de l e c t r i c a l ) ，o nt h eb a s i so fa n a l y s i s a n di n t e g r a t i o n b r i n g sf o r w a r dan e wn u m e r i c a lc o n t r o ls t r a t e g yo f r o l l c a b l ed e v i c e 。a n dd e s i g n san e wc o n t r o lp r o j e c to ft h er o l l c a b l e d e v i c ei n d e p e n d e n t I nt h ep r o c e s so ft h en e wn u m e r i c a lp r o j e c t Si m p l e m e n t t h es t u d y a i m sa tt h ea d v a n c ea n db a c kW O r kc o n d i t i o no ft h ee l e c t r i cL H D d o e s s o m ed y n a m i c sr e s e a r c ho nt h ec a b l er o l l e r B ym e a s u r i n gt h ee l e c t r i c c u r r e n to ft h ee l e c t r om o t o r Sa r m a t u r ea n dt h ea n g l ea c c e l e r a t i o no ft h e c a b l em i l e rd i r e c t l y 。a c c o r d i n ga st h eb a l a n c ee q u a t i o no ft h ec a b l er o l l e r u n d e ra 1 1W O r kc o n d i t i o n w ec a ng e tt h ed y n a m i ct o r q u ew h i c hi sb r o u g h t b yt h ec a b l es t r a i nu n d e ra l lw o r kc o n d i t i o ni n d i r e c t l y S ow ec a nc o n t r o l t h e v o l t a g e o ft h ee l e c t r om o t o r Sa r m a t u r ea n dt h ea c t i o no f e l e c t r o m a g n e t i ca r r e s t e ra n da d j u s tt h es p e e do fm l lc a b l ea n dr e l a xc a b l e b yt h ec o n t r o ls y s t e mt h a tw ed e s i g n B yt h e s e ，w ec a nr e a l i z et h es p e e d s y n c h r o n i z a t i o no fs t e p p e dm a c h i n ea n dr o l l c a b l ed e v i c ei nt h eW O r k p r o c e s so fe l e c t r i cL H D B e c a u s et h en u m e r i c a lc o n t r o ls y s t e m Sr e s p o n d i Ss o o n e ra n da d j u s tr a p i d l yt h a nt h et r a d i t i o n a lc o n t r o lm e t h o d i t S s y n c h r o n i z a t i o n i sb e t t e rt h a nt h el a t t e r O t h e r w i s e ，b e c a u s et h e s y n c h r o n i z a t i o ni Sb e t t e r , i tc a na v o i db r e a k i n gO f fc a b l e ，l o o s i n gm i l e r a n ds w i n gc a b l ei nt h eW O r kp r o c e s s i m p r o v et h ed e v i c e Ss e c u r i t y O nt h eb a s i so ft h ec o n t r o lp r o i e c ta n dw o r kp r i n c i p l e t h es t u d y m a k e st h eC Y E 2e l e c t r i cL H Da sr e s e a r c ho b j e c t a d o p t st h ep r o g r a m d e s i g nm e t h o do fb l o c k i n g ，d e s i g n st h es y n c h r o n o u sc o n t r o ls y s t e mt h a t m a k et h eM C Ua sc o n t r o l l e ri n d e p e n d e n t B yt h es i m u l a t i v ee x p e r i m e n t o nt h en u m e r i c a lr o l l c a b l ed e v i c e w ev a l i d a t et h a tt h ec o n t m Is t r a t e g yo f t h ee l e c t r i cL H D Sn u m e r i c a lc o n t r o ld e v i c ei Sr i g h t K E YW O R D S ：e l e c t r i cL H D ，r o l l c a b l ed e v i c e ，s y n c h r o n i z a t i o n ， n u m e r i c a lc o n t r o l ，M C U 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导F 进行的研究 工作及取得的研究成果。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。与我 共同工作的同：基对本研究所作的贞献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名：日期：堕年生月蔓日 关于学位论文使用授权说明 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，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：学校可根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文。 作者签名跏签避E 1 期：丛年羔月旦日 中南人学硕十学仲论文第一章综述 第一章综述 地F 采掘与工程机械没各在目民经济发展中具有十分莺要的地位，是现代各 类矿山开采以及交通、水电、国防建设等大型施工必不可少的高效、先进的技术 装备，此类设备的制造业也是国民经济中的重要行业。地下铲运机是地F 采掘与 工程机械没备的典型代表，“地下铲运机”一词是参考英文“L H Du n i l ” ( L o a d h a u l d u m p u n i t ) ，即装一运一卸设备演绎而来1 1 1 。地下铲运机足以柴油机或 以电动机为原动机、液压或液力一机械传动、铰接式车架、轮胎行走、前端前卸 式铲斗的装载、运输或卸载设备。地下铲运机足地下矿山无轨采掘作业必需的主 体设备，它具有高效、灵活、机动、多用和生产费用低等突出优点，在国内外矿 山和地下工程中得到广泛应用。它与地面或露天矿使用的装载机有许多相似之 处，其主要区别足地下铲运机机身低矮、驾驶室横向白置、采用光面或半光面地 下耐用切割工程轮胎且以柴油机为原动机的铲运机还装有柴油尾气净化装置【2 1 。 1 1 地下铲运机的作用、特点及分类 1 1 1 地下铲运机在地下采矿中的作用 地下矿的开采，包括开拓、采准、回采三个步骤。开拓是矿山的基建工程， 它是用井巷反地表与地下矿体接通，并建成完整的运输、通风、排水的井巷工程 系统；采准足掘进形成采区区域内的一些巷道及为了回采工作的需要呵丌掘的自 由空日J ；回采就是做完采准后，在采矿工作面进行落矿、装运和进行相应的管理 作业。 装载工作足整个地下采矿的重要环节。其工作量最繁莺，费时阃最多，对采 矿生产率影响很大。据统计，在掘进工作循环中，消耗于这一工序上的劳动量占 循环时| 日J 的3 0 - - 4 0 ，在井下回采出矿中，装载作业也同样占很大比熏。萨因 为如此，固外许多围家十分重视装载机城的丌发、推广与使用。掘报道，西方世 界的约8 5 以上的矿山采用了地下铲运机，俄罗斯1 9 9 3 年丌采了1 8 0 0 万t 有色 会属矿，用地下铲运机出矿占5 7 以上。可见地下铲运机在国外的矿山采矿中所 起的作用。 我们囡家从2 0 世纪7 0 年代中期丌始使用地下铲运机以来，已有5 0 多个矿 山使用了地下铲运机出矿，目的拥有各种地F 铲运机1 0 f X I 台以上，并以每年1 0 的速度增加。但是由于井下工作环境卜分恶劣，任务繁蕈，机器的有效利用；棼还 很低，加之历史原闪，我斟绝大部分矿【山还使用装岩机、电耙出矿，卜产宰不高， 所以，如何有效地提高现有地F 铲远机的，卜产能力和自动化水平、缩幻装载作业 中南人学硕十学付论文第一章 宗述 日t f u J 、延长地下铲运机的使用寿命，如何提高我围地下铲运机的设计制造水平、 努力提高地下铲运机的设计制造质肇、研制并推广更新的、更加先进的、高效率 的地下铲运机，无疑对加快采掘速度、提岛采矿效率、降低采矿成本、改善劳动 条件将起着十分霞要的作用。 所以，无论国外或国内，地下铲运机已成为地下矿强化开采的蘑要设备。 1 1 2 地下铲运机的特点 地下铲运机不同于露天装载机，它是u - N 为地下作业而设计的一种矮车身， 中央铰接、莳端装载的装、运、卸联合作业设备。它既可以用于采场出矿，出碴， 又可以向低位的溜井卸矿，也能向较高的运输车或矿车卸矿，还可以用铲斗运送 辅助材料、机械设备、修路、铺路。铁路、公路的隧道工程也可以使用，用途广 泛。川 地下铲运机与其他的地下装载设备比较起来具有许多优点： ( 1 ) 生产能力大、效率高。根据许多资料介绍，2 m 1 的地下铲运机的生产率比 同等条件下的电耙高出l 一2 倍，而且出矿成本也有所下降。对矿井建设方面， 采用无轨设备开采地下矿，能加快矿山的开拓速度，它是加速矿山建设的一个重 要途径。 ( 2 ) 机动灵活，活动范围很大。地下铲运机摆脱了轨道、风管的束缚，使机 器提高了机动性：地下铲运机由于采用铰接车架，转弯半径小，它适合于狭小的 矿山巷道和场地的作业条件：又由于牵引力大，爬坡能力强，因此很适合井下作 业条件。 ( 3 ) 大大改善了司机的作业条件。司机室都足按照人机工程学原理设计的， 使司机操作更舒适更安全，特别足电子技术、计算机技术在地F 铲运机中的逐步 使用，自动化程度愈来愈高，大大减轻了司机的疲劳，改善了作业环境，从而大 大提高了生产率。 地下铲运机的缺点足：轮胎磨损比较严重，废气净化问题需进一步解决， 维修费用比较高，对工人与管理人员的素质要求较高。 1 1 3 地下铲运机的分类 目前地F 铲运机有以F 几种分类方法2 1 ： ( I ) 按动力源分类 分为电动式、柴油式、蓄电式等三种地F 铲远机，分别叫做地F 电动铲运机、 地F 柴油( 内燃) 铲逸机和地F 藩电池铲运机。 2 中南夫学硕卜学伊论文第一章综述 ( 2 ) 按额定载重量Q 。分类 当Q I l t 为微型地下铲运机；Q l = l - - 3 t 为小型地下铲运机；Q l = 4 一l o t 为 中型地下铲运机；如l O t 为大型地下铲运机。 ( 3 ) 按额定斗容V 。大小分类 乩O 4 m 为微型地下铲运机；V 。= ( 0 7 5 I 5 ) m 3 为小型地下铲运机；V 。 = ( 2 4 ) m 3 为中型地F 铲运机；V 。i 4m 为大型地下铲运机。 “) 按传动形式分类 分为液力一机械传动、全液压传动、电传动、液压一机械传动等四种地下铲 运机。 ( 5 ) 按铲斗卸载方式分类 分为前卸式、侧卸式、推板式等三种地下铲运机。 1 2电动铲运机的特点及使用概况 1 2 1 电动铲运机的特点 ( 1 ) 电动铲运机的综合采矿成本生产费用低 直接生产费用 电动铲运机的能源费比内燃铲运机大约低5 0 ，柴油机的修理费占该项费用 的1 5 ，而三相鼠笼电动机在其服务期内几乎不需任何维修，电动机的寿命比电 动铲运机本身的寿命长，初级电源侧的供电箱和监控没备的维修量很少【12 1 。 日J 接生产费用 根据矿山规程，每单位柴油机功率必须得到一定的空气量，而巷道内风流速 度又不允许超过一定的极限值。因此，使用内燃机铲运机时，需要增加矿山的通 风量，甚至可能要掘进新的通风井。当增加产量或在大运距的条件下需增加内燃 铲运机数量时，除了要加大通风基外，还需要按三次方幂加大风机功率，使用电 动铲运机不需要增加通风费用，可节省大笔丌支，而且电网的间接! 产费用是很 低的。 ( 2 ) 电动铲运机的设备能力和生产率较高 使用三相鼠笼电动机的电动铲运机，其过载能力是额定扭矩的2 倍，使铲斗 有较高的插入能力，便f 铲斗在插入料堆的过程中更好地装满铲斗。且牵引功率 和i 驶速度与内燃铲运机一样，而柴油机不可能承受高于额定值的负载，所以， 电动铲延机比M 绒内燃铲运机的，t 产串高，只有较高的设备能力和7 L 产牢。此外， 电动铲远机无添加燃料的时l 日J 和修理时日J 少，其利用：簪比内燃铲运机高。 ( 3 ) 电动铲运机尉地F 作业环境污染小 3 中南大学硕十学竹论文 第一章综述 废气排放。电动铲运机不排放废气，而废气却口丁显示出柴油机污染物的排 放程度。 热辐射。电动铲运机热损耗少的决定因素足电动机比柴油机的热效率高得 多，动力传动系统、工作装胃系统的热损耗与内燃铲运机相同，其它系统，如冷 却器和电缆卷筒驱动装置产生的热肇、卷绕电缆本身产生的少量发热都考虑进 去，综合比较，电动铲运机所产生的热量不NP - 级内燃铲运机的3 0 1 1 2 l 。 噪卢扩散。掘测定资料，在司机座的当量噪声，电动铲运机为9 8 d B ( A ) ， 而内燃铲运机为1 0 1d B ( A ) 。距动力机l m 测得的数据说明，内燃铲运机的吸气 噪声远远超过电动铲运机，而电运铲运机在任何频率下其测值不超过7 6d B ( A ) 。 在高频范围内，内燃铲运机司机座的噪声稍低一些，但电动铲运机产生的高频噪 声容易被护耳器衰减【1 ”。 ( 4 ) 电动铲运机的可靠性强 设备的呵靠性足任何矿山设备在设计与制造时所要考虑的关键因素，使用三 相鼠笼型电动机的电动铲运机在服役期间几乎不需要任何维修，并且电动机的寿 命要比电动铲运机本身的寿命还要长，相反，柴油机的维修量却比电动机大得多， 而且可靠性也比电动机差。 ( 5 ) 电动铲运机的机动性好 毫无疑问，电动铲运机由于拖曳电缆，其使用性能将降低，接线、拆线、搬 运以及电缆的装设和修理都需要额外的时间，因而其使用范围受到限制。所以， 与内燃铲运机相比，拖曳电缆式电动铲运机作业的机动性受到限制，然而，当采 用嘟定装载点的采矿方法或恰当的采矿设计与巷道布置，以及改进电缆缠绕装 置，电动铲运机的机动性仍町与内燃铲运机相当。 综上所述，电动铲运机的优点将受到设计、制造与使用部门的越束越广泛的 重视，随着电动铲运机电缆缠绕装冒的进一步完善，使用经验的积累，电动铲运 机在地下矿山和地下工程中的使用比例将会逐渐增加。 1 2 2 电动铲运机的使用概况 电动铲运机用f 通常的分层充填采矿法、空场采矿法、深孔采矿法装载点装 载，垂直爆破漏斗后退式采矿法装载点装载，底部掏槽充填法、井底擎场和峒窀 的丌拓、矿柞的叫采以及水平倾斜巷道的掘进等等1 1 3 】。 由f 电动铲运机的硅箬优点，除我州现仃丈中犁矿山广泛使用外，为数不多 的新建地下矿山也部分或E 要采用电动铲远机。掘调查统计，我圜使坪J 地下铲运 机卜委的5 6 个矿山中，使用内燃铲运机占多数的矿山2 5 个，向使用电动铲运机 多数的矿山却f 3 1 个。在我附矿山铲延机拥有总晕中，电动铲j 垒机约占3 0 ， 4 中南大学硕十学何论文第一章综述 而在团产铲运机市场中，电动铲运机占5 0 以上f 】2 l 。 随着在生产上所使用的电动铲运机数量的几益增多，使用经验的积累，以及 新型电动铲运机的研制，电动铲运机比柴抽铲运机的优点会更加明显，可以肯定， 电动铲运机的使用、生产和研制将会有更大的发展。 1 3 卷缆装置概述 ， 1 3 1 电动铲运机对卷缆装置的要求 卷缆装置是电动铲运机莺要的部件，用于供电电缆的收放，将外部电源引 入机上电控箱。它由卷筒、传动装置、排缆装霄和导向托辊等部件组成，电动铲 运机对卷缆装詈的基本要求是1 1 l ： ( I ) 能自动可靠地收放电缆，收放速度与铲运机行走速度同步，并保证收缆 与放缆的可靠性； ( 2 ) 卷简对电缆要有一定的提紧力，在放缆或停车时电缆不得自由松卷； ( 3 ) 收放电缆时的拉力可以凋节，一旦卷缆受阻时，仍能保证电缆在允许的 张力范围内，不致被拉坏； ( 4 ) 电缆相对于地面和卷筒都不得有滑动； ( 5 ) 卷筒应有足够大的容缆量，以保证电动铲运机有较大的运行距离； ( 6 ) 卷筒的缠绕直径应尽可能大，电动铲运机每运行一个作业循环中，电缆 的缠绕最最小，办即减小电缆的弯曲应力，提高电缆寿命。 在设计电缆卷绕装置时，最关键的足电缆同步自动收放的问题，这个问题 不解决，则电缆在地下拖曳破损，不仅会使，产费用增加，而且影响作业安全。 要满足电缆同步自动收放，对卷缆装胃的上要工作要求是：当电动铲运机 前进运动时，电缆卷筒应能自动放出电缆：反之，当电动铲运机后退时，电缆卷 简应能自动收卷电缆。不论是收或放，电缆的线速度部必须和电动铲运机的行走 速度一致。但足，电缆的线速度随着在电缆卷筒上的层数不刚而有很大的变化， 因此，即使电动铲运机匀速行驶，卷简也需要及时地变换其角速度，以免损坏电 缆。 1 3 2 卷缆装置的类型及构成 电缆卷简装胃有三种形式，即f 轴横卧丈直径、窄卷筒式；平轴横卧小直 径、宽卷筒式：竖轴直芷大直径、窄卷筒带短摆打式2 1 。 大直径、窄卷简式町以不要号J J 的排缆装冒，但需要多层绋绕，电缆受变 中南犬节硕十宁傅论文第一章综述 化应力：小直径、宽卷筒需设冒排缆装置，但电缆具有恒定张力；竖轴直立带短 摆杆托轮式卷筒电缆的绕入点可以变动，始终能使绕入侧处于最佳位霄，增大机 器的灵活性，即当铲运机通过供电站时，不必倒乍，在装卸点之日J 口丁自由往返运 行，机器不会压碾电缆，其单向运行距离t 叮达电缆长度的两倍。 峰轴直立式卷简的驱动装胃必须向冒在高于或低于卷筒的位置上，而平轴 横卧式卷简的驱动装置，可白冒在卷筒前面，这息味着前肯的总岛度要超过后昔。 二者相比，- 隆轴直立式卷筒肯以下明显特点：运行灵活，节省倒车时间，生产效 率高：节省开凿倒车硐窀的丌拓量：结构简单，不需要结构复杂的排缆装置；电 缆张力小，电缆不易损坏等。 1 3 3 传统卷缆装置的控制方式及研究现状 1 、机械控制方式 这种卷缆装置( 如图l 1 ) 一般是从没备的行走系通过一传动装霄来带动 电缆卷简旋转。当电缆卷简速度超过设备行走速度时，电缆上的张力超过设计值， 使传动装置中的摩擦副或弹簧压紧装冒产生“打滑”现象，从而导致电缆卷绕速 度降低，达到与设备运行速度一致甜。 5 日 c 上 ： 一汪一 ，7 ， l 1 伞齿轮2 棘轮3 棘爪4 电缆巷筒5 电动机 图l 一1 自行矿车的卷缆装置原理 2 、电力拦；制方式 电力控制J 备缆装胃的动力均足l h 电动机提供，其拧制精确度和疋敏度比 6 、。J 心一 。r ， ， 一一一 一 卜rIL f， L 一 一一【 一一 ，v 一一_fI，1 一 一 r i ! j 一2 h 卜 广，、 中南大学硕十学 奇论文 第一章综述 较高，主要的电力控制方式肓双机液压凿岩台车的卷缆装置( 如图1 - - 2 ) 和使 用电磁转差离合器的电动铲运机卷缆装置【1 4 I ( 如图l - - 3 ) 。 98 7 1 n 4 一 1 排缆螺母2 双向螺纹轴3 电动机4 换向惰轮5 压紧弹簧 6 摩擦离合器7 电缆卷筒8 导电铜环9 炭刷 图1 2 双机液压啬岩台车的巷缆装置原理 l _ 一1 一 L 一一l 2 7 4 1 电动机2 电磁转芹离合器3 电缆卷简4 舣向螺纹轴 图1 3 使用电磁转差离合器的电动铲运机卷缆装置 3 、液J l 、控制方式 液厄拧制式电缆卷筒在许多电动铲运机上得到广泛应用，其基本原珲是利 用液瓜系统的液流柬实现勺机器同步的，此类电缆卷筒具有步件能好，操作方 7 ，j ， 一一 一一 中南人学硕十学帝论文 第一章综述 便，收放时拉力町以凋符，易于自控和维修等优点，主要的液瓜控制方式有以下 几种【1 7 1 ： ( 1 ) 行程丌关式液压卷缆装置 ( 如图l - 4 ) rf ：1 6 1 泵2 和5 溢流阀3 换向阀4 单向阀6 液压马达 7 背厅阀8 和l O 滤油器9 冷却器 图l 一4 行程开关式液压卷缆装置 ( 2 ) 动力换向式液压卷缆装黄 ( 如图l 一5 ) 控制油路f U 2 f 一 3 ；卜1 ， l 一! 1 5I 一1 ” 1 j j 上 () 4 1 泵2 换向脚3 荦向阀4 液J k 马达5 背几蚓6 湔流阀7 冷却器 图l 一5 动力换向式蔽压卷缆装置 8 1 J 7 ，气 _ LrJ 3 占L：。_f 一堆勺_ 1 一 L 。 一 ，、L 、 ( L +，J 7 中南大学硕十学付论丈第一章综述 ( 3 ) 反冲换向式液压卷缆装置 ( 如图1 - - 6 ) 。_ 。一 D j5 1 和8 滤油器2 泵3 单向阀4 换向阀5 液压马过 6 溢流阀7 背压阀9 冷却器 图l 一6 反冲换向式液压卷缆装置 ( 4 ) 采用卷缆阀块的液压卷缆装置 ( 如图l 一7 ) 1 ， F 酬 1 泵2 卷缆阀块3 液J K 马达4 冷却器5 背庥阀6 浠流阀 图1 7 采用卷缆阀块的液压誊缆装置 9 一 2 - 4 - 中南人学硕十学竹论丈 第蕈综述 ( 5 ) 变量泵供油的液压卷缆装置 ( 如图1 8 ) 2 ( 土 ，I 【 3 斗 1 液压马达2 变每 泵3 和5 溢流阀4 换向阀6 竹流阀7 滤油器 图1 8 变量泵供油的液压卷缆装置 4 、数控卷缆装置的研究现状 现有的数控卷缆装冒系统主要足由三相变频调速电机通过减速机构带动电 缆卷筒转动，卷筒轴上装有主动链轮，通过链条与装在排缆螺杆上的从动链轮相 联接；链传动的传动比保证了电缆卷筒转一转时，与螺杆相啮合的螺母移动一个 电缆的直径，丝杠为双向螺纹轴，螺母采用了特殊结构，当丝杠转动移动螺母到 端头时，螺母会自动反向移动，从而保证了多层卷筒上的电缆排列整齐；螺母上 方装有排线轮，电缆通过轮子后绕在电缆卷简上I ”】。 1 4 课题的来源、主要研究内容及意义 1 4 1 课题的来源 本课题是电动铲运机研制丌发横向科研项目的后续研究。对电动铲运机而 占，电缆卷绕装胃是一个十分关键的部件，设汁不好就会使电缆在地下拖曳而破 损，不仅会使生产费用增加，而且影响作业安全，本人就电动铲运机电缆卷绕装 霄部分的 作性能进行了重点研究。 1 4 2 主要研究内容及意义 本课题研究的E 要内容包括以F 几个方面： 1 0 6 一 L I 卜 一 o L A1I，卜 !叶JIIIl 一 渺， J 中南人学硕十学位论文第一章综述 对部分国内外常用卷缆装置的控制策略进行研究，总结出它们的特点，并 在此基础上提出一种新型数控卷缆装置的控制策略： 对该数控卷缆装霄的硬件系统和控制软件进行设计研究； 针对所设计的数控卷缆装霄进行模拟实验研究，以验证前面荤节所提出的 新型数控策略的正确性。 本文以c Y E 一2 型电动铲运机( 见图1 - 9 ) 为研究对象，从卷缆装置控制策 略研究入手，自主丌发设计一种新型数控卷缆装置，该数控卷缆装冒可改善电动 铲运机在工作过程中收缆与放缆的同步性能，由于同步性能的提高，避免了工作 过程中断缆、松卷、甩缆的现象，提高了设备的安全性能和井下工作设备的自动 化程度，同时也减轻了工人的劳动强度，具有重要的现实意义和应用价值。 1 5 本章小结 图1 9C Y E 一2 型电动铲运机 本章介绍了地下铲运机的作用、特点及分类，描述了电动铲运机的特点 及使用概况，并对电动铲运机的卷缆装霄进行了概述，阐述了传统卷缆装霄的工 作方式及研究现状。另外，本錾还介绍了课题的束源、主要研究内容及意义。 中南大学硕卜学付论丈第二章电动铲返机卷缆醍冒新即敬柠镶略的研究 第二章电动铲运机卷缆装置新型数控策略的研究 电缆式电动铲运机为了实现对拖曳电缆自动收放，需要设胃电缆苍绕装置， 这足铲运机在结构上不刚于柴油机式内燃铲运机的一个特点1 1 2 l 。卷缆装冒的功 用是随蕾铲运机的前进和后退能自动同步放出和卷绕电缆，避免铲运机运行时电 缆在巷道中拖磨造成损坏而发生事故。 2 1 传统卷缆装置控制方式的机理分析 2 1 1 机械控制方式 用于自行矿车的卷缆装置是机械控制方式( 如图1 1 ) 。自行矿车由电动机 驱动，通过三级齿轮减速，带动宅动轨轮行走。第1 I 传动轴中有一齿轮带动第V 轴上的大齿轮转动，大齿轮上装有弹簧棘爪，单向拨动棘轮旋转，与棘轮联成一 体的伞齿轮则带动立式电缆自动收放卷筒上的伞齿轮转动卷筒心轴【l 州。牙爪离 合器的上部分与心轴用花键联接，借助上部分可调弹簧的压力，与牙爪离合器的 下部分结合面传递动力与卷筒内筒联为一体，电机带动轨轮行走的刷时，也带动 卷筒收放电缆。 这种卷缆装置实现同步性的设计思路足：卷简收缆的转速，一般按卷筒内 层每转一转的线速度与矿车后退时的行走速度的原则来设计。这样，从电缆排到 第二层开始，卷筒每转一转，收缆的线速度则不断地增加，即收缆线速度大于退 车速度，电缆被张紧。当张紧力远朱达到电缆本身的拉断应力之前，此张紧力对 轴心所产生的力矩则超过上下牙爪离合器因弹簧压力而产尘的摩擦力矩，此时， 离合器打滑，这样，既可起过卷保护作用，又达到收缆速度与行车速度一致，实 现了随着铲运机的前进和后退，部能自动1 而步放出和卷绕电缆。 机械控制式卷缆装置在设备工作过程中，不需要人为干预，可由传动机构 根据设备行走方向自行改变电缆卷筒的转动方向，以使电缆卷筒的转动方向与设 备行走方向相适应，但仍存在着如下不足： ( 1 ) 这种以机械方式解决几J 步问题的卷缆装置，都足利j H 电缆破张紧时离合 器打滑束实现的，也以此实现过卷时的保护，由f 磨损、松动和弹簧的疲劳，因 此，必须经常调謦弹簧的力到合适的程度，以保 吐带动电缆又不至于拉断电缆： ( 2 ) E j 行矿乍放缆时，卷筒处y - 自I l I 状念，会因矿车运动惯性使电缆在卷筒上 松散： ( 3 ) 这是一种比较简币的传动形式，但工作件能不佳，仪伍远行速度低，不需 中南夫学硕十学付论文第：章电动铲迳机卷缆装置新掣数控策略的研究 频繁地行走的没备上使用，而不太适用于电动铲运机。 2 1 2 电力控制方式 l 、用f 双机液压凿岩台车的卷缆装置 在双机液压凿岩台车的卷缆装冒中( 如图1 2 ) ，电缆卷筒由一个电动机单 独驱动，从轴I 上的小埚轮带动轴U 上的大齿轮，大齿轮外侧有一借压紧弹簧的 压紧力与之摩擦接触的摩擦离合器，摩擦离合器与轴I I 以花键配合，压紧弹簧的 压紧力可通过螺帽调节。当轴I I 转动时，带动电缆卷筒收缆或放缆，嗣时通过齿 轮和换向惰轮，带动双向螺纹轴转动，由双向螺纹轴的转向不同，可实现排缆螺 母的正反向往复运动，螺纹轴的螺距与电缆直径之比应该等于两轴的转速比，这 样才能保证排缆螺母的运动速度与电缆在电缆卷筒上排圈速度一致，以使电缆排 到最边缘一圈之后，排缆螺母正好反向运动。另外，在轴I I 的另一端装有三个被 绝缘体隔离的导电铜环和炭刷，导电铜环与电缆卷简轴同速转动，由与导电铜环 接触的三个炭刷将电源引入设备【16 1 。 这种卷缆装置实现同步性的设计思路是：台车I i 进时，可以通过联动按钮， 操纵卷缆电动机正转放缆：台车后退时，同时启动卷缆电动机反转收缆。垦层的 收放电缆的线速度与设备行车速度一致，这样，从电缆排到第二层开始，卷筒每 转一转，收缆的线速度则不断地增加，即收缆线速度大于退车速度，电缆彼张紧。 当张紧力远未达到电缆本身的拉断应力之前，此张紧力对轴心所产生的力矩则超 过上下摩擦离合器因弹簧压力而产生的摩擦力矩，此时，离合器打滑，这样，既 可起过卷保护作用，又达到收缆速度与行车速度一致，实现了随着铲运机的的进 和后退，都能自动同步放出和卷绕电缆。 2 、使用电磁转差离合器的电动铲运机卷缆装置 该卷缆装置系统( 如图l 一3 ) 控制的核心足对转差离合器2 激磁电流的控 制，而该系统的驱动电机l 在铲运机工作中始终正常运行，不受控制影响，激磁 电流的控制与行走电机控制同步联动进行【“】。 这种卷缆装冒实现同步住的设计思路是：电动铲运机前进时，接通转差离 合器2 的韵进控制刚路，此时相应的中间继电器线圈得电吸合，同时该继电器的 常丌接点闭合，为转差离合器2 提供电源，电缆卷筒3 给予电缆一定的防松张力； 电动铲运机后退时，接通转差离合器2 的后退控制【u l 路，使相应继电器的接点动 作，为转著离合器2 提供电源，使其工作，实现后退M 步卷缆。 为了防止放缆时冈电缆放完而拉断电缆，在控制系统中加设了放缆终端保 护，当铲远机前进放缆至终端时，行程丌关动作，切断中间继电器线圈f u I 路，行 走电机停止工作，制功器失电向制动卷筒3 ；由f 转莘离合器2 工竹育一滞后时 中南夫学硕 学付论文第一二章电动铲返机巷缆装首新掣敏榨镱略的研究 B J ，短时点动运行时会出现来不及收缆现象，可设冒后退卷缆延时匹J 】路，当行走 电机停止运行后，转差离合器工作4 秒，以克服点动时的卷筒不卷绕现象，n j 时 可保持运行时电缆始终呈张紧状态o 3 、电力控制式卷缆装置的不足之处 电力控制式卷缆装置的动力均是由电动机提供，其控制精确度和灵敏度比 较高，但仍存在着如下不足： ( 1 ) 相对于机械传动式卷缆装冒而占，电力传动式卷缆装冒需要人工操作， 以使行走电机转动方向符合设备的运行方向，所以司机的劳动强度增大； ( 2 ) 凿岩台车卷筒的卷缆电机必须与行走电机联动操作，所以，只能在电源 丌关接线板至工作面迎头之间工作，如果台车后退至电源接线扳之后，则后退收 缆就变成后退放缆的工作状况，会发生电缆收卷错误，卷缆动作不能与台车操作 联动，一旦出现这种情况，后果不堪设想。 ( 3 ) 使用电磁转差离合器的电动铲运机卷缆装置运用在D C Y - - 2 , 0 型电动铲运 机上，在其运行中，电缆卷绕系统运转正常，电缆收放自如，电磁转差离合器的 堵卷及逆卷能力极强，电缆在运转中完好无损，无乱卷或松卷现象；但电磁转差 离合器在低速时效率较低，本身功耗较大，工作不经济。 2 1 3 液压控制方式 液压控制式电缆卷筒在大多数电动铲运机上得到广泛应用，其基本原理是 利用液压系统的液流来实现与机器同步的。 l 、行程丌关式液压卷缆装置 当电动铲运机朝着动力源后退时，换向阀3 的电磁铁不得电，不动作，阀 芯处于右端位置，泵l 产生的岛压油，经阀3 右位至马达6 ，马达带动电缆卷筒 转动而卷紧电缆，溢流阀2 调整卷缆压力旧；当电动铲运机离丌动力源I ；i 进时， 电缆拖动卷筒反转，马达的进油口成为出油口，此时电磁阀及时得电换向，阎芯 处于左端位置，马达流出的压力油，经换向阀、背压阎7 回油箱，背爪阀7 调整 放缆压力，防止因惯性放缆过快，泵产生的压力油经换向阀、单向阀返p l 换向阀， 然后再经背瓜阀叫油箱。从面町实现其高压卷缆和低压放缆的功能，使卷缆装置 随着铲逸机的前进和后退，都能自动H 步放出和卷绕电缆。 对1 二这种液瓜卷缆装霄( 如图l 一4 ) 电磁阀是否能及时换向决定了卷缆装 霄与行走系统的同步性能，一般电磁阀是由行程丌笑控制的。 2 、动力换向式液压卷缆装置 该系统( 如图l 一5 ) 采_ i 了二位四通液动换向阔，由控制油路的油瓜柬实现 其换向。当电动铲运机离丌动力源前进时，换向阀右位工作，马达反转，作象使 1 4 中南大学硕十学侍论文 第二章电动铲遮机卷缆装置靳犁数挣镟略的研究 用，系统压力由背爪阀5 设定，实现低压放缆：当电动铲运机朝着动力源后退时， 控制油路束的压力油的油压力大于弹簧力时，液动滑阀换向，使液动换向阀换为 左位，这时系统的压力由溢流阀6 调定，马达| F 转卷缆。 3 、反冲换向式液压卷缆装置 反冲换向式液压卷缆装置( 如图l 一6 ) 与行程歼关式液压卷缆装置不同之处 在于将电磁换向阀变为液动换向阀，省去了电磁铁、行程开关及控制机构，同步 性能有了提高【1 7 1 。 当电动铲运机朝着动力源后退时，油泵产生的压力油经睢向阀( 如开启压 力为0 3 M P a ) 、换向阀P 、A 口至马达C 口，驱动马达转动而卷紧电缆，此时， P 。= P 。：+ 0 3 ( M P a ) ，在控制油压差与弹簧力的建同作用下，换向阀的阀芯维 持左端位置，即卷缆状态；当电动铲运机离开动力源前进时，电缆拖曳着电缆卷 简反转，驱动马达反转，马达呈现油泵的功能，马达泵出的压力油由C 口流出经 换向阀h 、P 口至单向阀截止，马达C 口至单向阀之问油路中的会瞬间升高，当P 。 与P 。的压差大于弹簧力时，液动换向阀换向，阀芯左移处于右端位置。马达泵 出的压力油经阀A 、0 口，背压阀回油箱或马达入口，背压阀回油箱或马达入口 D 形成循环，泵卸荷，当P 。一P 。大于液动换向阀的最小换向压力时，换向阀维 持右端位置，即放缆状态，从而可实现其高压卷缆和低压放缆的功能，使卷缆装 置随着铲运机的前进和后退，都能自动同步放出和卷绕电缆。 4 、采用卷缆阀块的液压卷缆装置 该系统( 如图1 7 ) 由卷缆阀块2 、泵l 和液压马达3 等部分组成，其核心 部分是卷缆阀块，虽然这是一个整体，但其中包括换向阀、单向阀、背压阀和溢 流阀，卷缆阀块的作用主要足控制电缆卷筒的收缆与放缆【1 7 J 。当电动铲运机朝 着动力源后退时，电缆卷筒应卷绕电缆，油压打开单向阀进入液压马达，马达将 产生力矩带动电缆丌始收缆，卷缆压力由溢流阎6 调定：当电动铲运机离开动力 源前进时，也就是电缆从卷筒上拉出电缆而放缆时卷缆阀开始换向进行放卷，则 通过电动铲运机I i 进反拉电缆产生冲击高压使换向阀换向至右位工作，这样，放 缆时液压马达背压由背压阀5 调定，并随着放缆使电缆产生张力，不管电动铲运 机运行速度如何，均呵使电缆拉紧，从而呵实现其高压卷缆和低压放缆的功能。 5 、变量泵供油的液压卷缆装置 变量泵供油的液压卷缆装置( 如图1 - - 8 ) 主耍由变量泵、液压马达、节流 阀、溢流阀和换向阀组成f 1 2 l 。收缆时山变量象向油马达供油，收缆压力由溢流 鲥3 凋定，如果收缆过快，使得电缆张紧，必引起系统压力的升高，阀3 的溢流 晕增大，通过其叫油管的流晕也增大，【u l 油管流阻随之增大，致使h 处压力增高， 这个压力变化反馈到变肇泵，就使其排晕减小，从而达到调速的目的。放缆时， 1 5 中南大学硕十学伊论文菊二章电动铲逸机卷缆、婕置新掣数控策略的研究 换向阀4 的电磁铁得电，由阀5 作用使系统压力降低，放缆压力由溢流阀5 调定， 油采和处于油泵工作状念液压马达部通过阀3 u J 油。此时，因通过节流阀6 的流 量很大，A 处压力很高，可使变量泵的排量减到很小，使卷缆装胃随萏铲运机的 静进和后退，都能自动州步放出和卷绕电缆。 6 、液压控制式卷缆装胃的不足之处 利用液压系统的液流大小来实现与电动铲运机同步的液压传动式电缆卷筒 具有丌J 步性能好，操作方便，收放时拉力可以调节，易于E l 控和维修等优点，但 仍存在着如下的不足： ( 1 ) 液压系统的固有不足应当蘑视，如有较大的溢流损失、泄漏、油温高、 国产元件可靠性不高，液压油易受污染，引起电动铲运机的工作不正常【拍l ，另 外，液压系统的元件较多，也比较复杂、分散，管路布置比较杂乱，尤其是压力 由几个溢流阀调定，对操作者来说，难度较大； ( 2 ) 因为电缆卷筒的驱动所使用的是油压泵，一旦压力油中混入异物，就会 有动作不正常的现象发生； ( 3 ) 行程开关式液压卷缆装霞的不足之处：由于行程牙关有动作行程，使铲 运机低速特性不佳，如当换向手柄的移动最小于其动作行程时，行程开关不会动 作，造成了该系统的工作不正常，即铲运机低速前进时，卷缆系统仍处于卷缆工 况，使得电缆承受较大的拉力； ( 4 ) 反冲换向式液压卷缆装置是依赖电缆拉力强制换向的能够实现高压卷缆 和低压放缆，同步性好；但换向时电缆承受较大的拉力，其拉力值还大于卷缆力， 即该装置仅仅是缩短了电缆承受较大拉力的持续时| 日J ，而没有降低电缆承受冲击 拉力的大小； ( 5 ) 动力换向式液压卷缆装冒的不足之处：由于控制油路从其它系统( 变速箱) 来，控制压力也受行驶速度等的影响，往往不太稳定，在实际工作过程中常常由 于控制油压不稳定，铲运机前后换向时，液动换