煤矿井下履带车辆电液行走同步控制系统设计

安四元

(中国煤炭科工集团太原研究院，山西 太原 030006)

引言

随着技术的发展，履带车辆在煤矿井下的应用越来越广泛，典型的履带式车辆有履带式掘进机、锚杆机和连续采煤机等。作为一种特殊的煤矿井下作业设备，由于自身的结构特点，履带式车辆具有接地面积大、比压小、附着能力好和爬坡能力强等优点，然而由于煤矿井恶劣工况条件，以及受煤矿井下路况的限制，直线同步性成为了井下履带车辆的关键问题，履带式车辆在井下直线行走时，不断受到各种内外因素的干扰，如煤矿井下路况变化、车辆内部系统参数扰动等。为了保证车辆的直行精度，需要不断地根据干扰条件对车辆行驶状态进行修正。随着煤矿井下设备对智能化要求的不断提高，研究煤矿井下履带车辆电液同步系统对于使井下履带车辆实现智能化、提高直线行走精度、设备安全性与可靠性具有重要意义。同时该系统的设计也为后续双履带设备电液行走系统设计积累经验数据，为高效快速掘进系统向无人化、智能化发展提供技术支撑[1-4]。

1 履带车行走系统

1.1 电液行走系统原理

如图1所示，液压柱塞泵1在防爆电机启动后，高压油一路到达行走控制手柄6，控制二联阀5换向，进而控制行走液压马达4正反转；另一路高压油先到达二联阀5，每一联阀各控制左右两侧2个行走马达，每一联阀先到达两侧功能阀组3，再到两侧液压马达4，进而驱动液压马达旋转。液压马达为轴伸式马达，通过法兰与减速器8连接，减速器8内部带有制动器，当车辆开始行走时，二联阀中高压油到达功能阀组3的A，B口，然后通过功能阀组3的B，R口输出到减速器，进而解除制动，马达开始旋转。

1.液压柱塞泵 2.防爆电机 3.功能阀组 4.液压马达 5.二联阀 6.行走控制手柄 7.高低速切换阀 8.减速器 9.测速装置

1.2 负载特性

以某型履带设备行走液压系统为例，先介绍其平路上负载特性，现将驱动系统主要技术参数由表1列出。

表1 履带车辆行走驱动系统主要技术参数

井下履带式车辆行走液压驱动系统比例阀控液压马达的开式回路，液压泵输出的流量经过比例阀驱动马达旋转运动，经由减速器变矩后，驱动履带链轮行走。履带车辆行驶过程中所受的阻力有滚动摩擦阻力、加速阻力和爬坡时的坡道阻力，行走液压系统利用马达提供的牵引力克服这些阻力后，为履带车提供行驶驱动力[5-8]。

履带车行驶时的受力方程为：

Ft=Ff+Fp+Fm

(1)

式中，Ft,Ff,Fp,Fm分别为履带车驱动力、行驶摩擦阻力、坡道阻力和加速阻力，N。

履带设备车车负载特性即为马达的转矩特性和马达的转速特性。

马达的转矩特性可以表示为：

(2)

式中，Mm—— 马达输出转矩，N·m

rd—— 履带链轮承载半径，m

n—— 驱动马达数量

id—— 减速机传动比

Δpm—— 马达进出口压差，bar

qm—— 马达的排量，m3/r

ηmm—— 减速机机械效率

马达的转速特性可以表示为：

(3)

式中，Nm—— 马达转速，r/min

Qam—— 马达流量，m3/min

ηvm—— 马达的容积效率

Qap—— 比例阀输入马达的流量，m3/min

qp—— 泵的排量，m3/r

np—— 电机的转速，r/min

ηvp—— 阀的容积效率

2 电液行走系统同步特性研究

2.1 电液行走系统同步原理

根据上述履带车辆行走液压系统原理与负载特性可以得出，要保持履带车辆行走直线速度同步特性，就是在满足车辆负载特性基础上，控制左右两侧履带马达转速特性，即满足左右两侧控制阀输出流量的对等原则，由于受到各种煤矿井下路况变化及内部系统参数扰动等，光靠控制左右两侧阀的流量很难满足左右两侧履带同步。针对履带车辆在井下使用工况，提出以下控制策略：如图2所示，以左侧轮组为参考，通过左侧减速器测速装置检测出左侧履带行走速度，同时通过右侧减速器测速装置检测出右侧履带行走速度，通过与左侧履带行走速度比较得出两者速度差，根据速度差选择PID控制算法调整右侧马达对应二联阀开口流量。

图2 煤矿井下履带车辆电液行走同步控制原理图

PID控制原理如图3所示，以左侧履带行走速度为给定目标值，被控对象为右侧履带行走阀，被控量为右侧行走阀开口度，通过比例、积分和微分控制算法，选择增量式PID控制算法，进而保证了左右两侧速度同步特性，降低了左右两侧速度差，保证了整机行走直线度。

图3 PID控制器原理图

式中，T—— 采样周期

k—— 采样序号，k=0,1,2…

u(k)—— 第k次采样时刻的计算机输出值

e(k)—— 第k次采样时刻输入的偏差值

e(k-1)—— 第(k-1)次采样时刻输入的偏差值

KI—— 积分系数，KI=KPT/TI

KD—— 微分系数，KD=KPTD/T

KD[e(k-1)-e(k-2)]

Δu(k)=KP[e(k)-e(k-1)]+KIe(k)+

KD[e(k)-2e(k-1)+e(k-2)]=

KPΔe(k)+KIe(k)+KD[Δe(k)-Δe(k-1)]

(4)

式中，Δe(k)=e(k)-e(k-1)

根据上式(4)中得出的偏差，来调整右侧履带行走阀开口度，进而保证了左右两侧履带行走速度同步特性。

2.2 轮边测速装置设计

由于煤矿井下履带车辆工况复杂，不易测速，还需要做防爆结构处理，将测速装置9安装在减速器上，测速装置工作原理如图4所示。测速装置工作原理为：连接盘2与连接耳3通过焊接固定在一起，连接耳3通过减速器连接座4与减速器10固定，通过螺母8和垫圈9固定，连接盘2平均分布装有24个磁钢5，通过压盘1固定磁钢5，连接盘2和压盘1之间通过螺钉6和垫圈7连接。当减速器旋转时，磁钢随着减速器一起转动，转速传感器通过感应磁钢的数量，测出每分钟减速器旋转角度，进而测出减速器转速。通过左右侧履带行走测速装置检测到左右两侧履带行走速度，利用控制器内部程序控制左右两侧履带行走速度，进而实现了左右两侧履带速度同步特性。

1.压盘 2.连接盘 3.连接耳 4.减速器连接座 5.磁钢 6.螺钉 7、9.垫圈 8.螺母 10.减速器 11.转速传感器

3 试验验证

将上述电液行走系统设计方案应用到煤矿井下某型履带车辆行走系统中，通过检测左右两侧马达流量来测试系统行走同步特性，将测试仪测试系统中流量和压力数据直接保存在测试仪中，然后通过数据线将测试结果传送到电脑上，如图5所示，通过观测左右两侧马达流量，可得到右侧履带马达相比较左侧履带马达跟随同步性很好，比例阀存在很小的波动是因为从图5看不出由于随内外环境因素的变化而有微小的波动。

图5 左右履带马达试验测试图

4 结论

本研究基于煤矿井下履带车辆行走液压系统的负载特性和工作原理进行理论分析，针对煤矿井下恶劣工况，研究开发了适用于煤矿井下履带设备车辆的电液同步系统，并将该系统应用到煤矿井下某型履带车辆上，试验证明：

(1)该系统中测速装置可适用于煤矿井下履带车辆，可以实时精确测速；

(2)通过电子与液压相结合的方法，采用PID控制方法实现了左右两侧履带同步特性；

(3)该系统可以为煤矿井下履带式车辆实现自动行走提供可靠的行走方案。