矿用绞车电液控制系统的仿真研究

高 鑫

（晋能控股煤业集团地煤青磁窑矿，山西 大同 037000）

引言

矿用绞车被广泛应用在煤矿的提升设备中，具有惯性大、负载高、非线性化的特性，其运行的稳定性和调节精度直接关系到提升作业的安全性，目前多数液压绞车主要采用人工非闭环调控模式，通过作业人员经验来对液压泵的排量进行调整，调控效率极低、稳定性差，不仅影响到井下提升安全，而且也降低了矿用绞车的使用寿命。本文提出了一种新的矿用绞车电液控制系统，该系统调速过程中稳定性好，对提升井下液压绞车工作稳定性具有重要意义。

1 液压绞车控制系统

矿用液压绞车主要通过泵孔马达来实现调速，满足不同提升情况下的控制需求。在控制方式上主要采用了人工非闭环调速控制，由操作人员通过操纵杆控制先导阀，根据推出量的不同来控制执行油缸活塞杆的伸出量，通过调整变量泵排量的方式来实现对马达转速的调整。但该调整方式严重依赖于操作人员的操作技巧，调速性能差、反应速度慢、控制精度低，调速过程中的液压冲击严重，不利于安全性的进一步提升。

结合液压绞车的实际使用需求，本文提出了一种新的液压调速控制系统，采用了电液比例调整和闭环调速控制的模式，确保在整个调整过程中的调控效率和精确性，该新的矿用绞车液压调速控制系统如图1所示[1]。

图1 矿用绞车液压调速控制系统

由图1可知，该系统主要包括了比例阀、差动油缸、编码器、转速反馈控制系统等，利用电磁比例减压阀来实现对执行油缸的位移量进行调整，控制精确性高、调整速度快，有效解决了传统控制系统中先导阀调速控制的缺陷。为了提高系统的操控性，满载驱动手柄控制位置两侧设置了磁体，通过检测手柄接近信号来判断系统要求的调控方向，进而控制执行油缸活塞杆的伸出方向，满足调控灵活性需求。

针对传统控制模式下调速性能差，马达实际转速和要求转速偏差大的情况，系统还引入了转速反馈控制模式，通过对实际输出转速的监测、对比，来实现对输出转速的调整，使其尽可能地接近实际调速的理论值，从而提升绞车的调速控制精确性。

2 液压绞车闭环调速控制的原理

根据新的绞车电液控制系统特性，在工作过程中，传感器根据驱动扳手和磁铁的距离，换算出所应执行的转速，此时系统从旋转编码器处读取液压绞车的实际运行转速，将实际转速和需要控制执行的转速进行对比，获取转速偏差，将该偏差量转换为指令调节信号，用于控制比例减压阀和电磁换向阀的动作，控制执行油缸活塞杆行程和变量泵的排量，最终达到精确调整变量泵流量的目的，实现对液压绞车运行状态的精确控制，该闭环调速控制原理如下页图2所示[2]。

图2 闭环调速控制原理图

3 电液控制系统的仿真分析

利用AMESIM仿真分析[4]软件建立绞车电液控制系统的仿真分析模型，根据控制系统的控制逻辑，采用了7阶闭环传递函数控制，在设置各类仿真分析影响因素时，对控制过程进行充分分析，然后确定主要影响因素，然后将其他因素进行简化，最终设置系统变量泵角速度为105 rad/s，马达工作时的排量为3.3 L/r，执行油缸活塞杆运行时的阻尼比为0.17，比例控制阀的弹簧钢度为18 394 N/m，活塞杆的有效面积为6.24×10-4m2，为了简化仿真分析过程，提高仿真分析速度，将控制比例溢流阀和电磁换向阀的过程简化为一阶控制[4]，满足系统整体的控制精度，简化后的仿真分析模型如图3所示。

图3 系统仿真分析模型

根据液压绞车实际工作负载，仿真分析时将负载量设置为45kN·m，将阶跃信号设置为10V，对绞车运行过程中的调节情况进行分析，结果如图4所示。

图4 仿真分析结果

由仿真分析结果可知，在阶跃控制信号的控制下，绞车的实际转速和理论转速表现出了高度的重合性，滞后量仅比理论信号慢了0.02 s，比传统控制作用下0.8 s的反应速度，将调速调整时间缩短了97.5%。在运行过程中实际速度和理论速度的最大偏差量为0.12 r/min，比传统控制作用下0.95 r/min的偏差量，将控制精度提升了87.4%，显著地提升了液压绞车工作时的控制精度和灵活性，同时由于调速稳定性的提升，在运行过程中未出现过压力冲击，对延长液压元器件使用寿命也有一定的意义。

4 结论

1）新的液压调速控制系统采用了电液比例调整和闭环调速控制的模式，确保绞车在整个调整过程中的调控效率和精确性；

2）将控制比例溢流阀和电磁换向阀的过程简化为一阶控制，能够缩短分析时间，提高分析精度；

3）新的控制系统能够将绞车的调速调整时间缩短97.5%，将调速跟踪精度提升87.4%，调速过程中稳定性好。