提升机制动系统数字阀研究

　　摘要：矿井提升机的制动装置直接影响到提升机的正常工作和安全，液压盘式制动器采用传统的制动调节方式，制动力调节不准确、液压系统复杂和低可靠性。提升机制动系统采用数字控制，提高了制动系统的准确性和可靠性。通过对制动系统的实验、建模、仿真分析和控制等研究，为机制动系统数字阀进一步设计提供理论依据。
　　关键词：制动系统，数字阀，仿真，控制，研究
　　一、前言
　　矿井提升机的制动装置（简称制动器），是提升机一个非常重要的组成部分，直接影响到提升机的正常工作和安全。我国卷筒直径2m以上的提升机均采用以液压松闸弹簧作制动的盘式闸制动器。
　　盘式制动系统的主要特点是闸瓦不作用于制动轮，而是作用在制动盘上。它是矿井提升机上的一种新型制动器，用蝶形弹簧作制动力源，反应速度快，因此《煤矿安全规程》规定，它的制动空行程时间不得超过0.3S，比油压制动器0.6S要短。盘式制动器的优点是结构紧凑，闸的副数可根据需要灵活增减，我国目前生产的矿井提升机全都采用盘式制动系统。
　　二、制动原理及控制方式
　　制动器由几组油缸装置组成，每个油缸装置由支架油缸体、蝶形弹簧、活塞、制动瓦等零件组成。当有压力油充入时，通过活塞压缩蝶形弹簧，同时推动制动瓦离开制动轮盘，形成松闸状态。当卸压时，油压不断下降，制动瓦块在弹簧力的作用下，压向制动轮盘达到制动目的。制动力的变化是根据油压的改变而改变的，当油压力为零时，提升机处于全制动状态。
　　由此可见，提升机制动系统油压的变化起着至关重要的作用，其灵敏度和准确度直接决定着制动力的大小，进而关系到提升机的安全稳定运行。
　　我国目前生产的液控盘式制动系统，其调压部件是由溢流阀与喷嘴挡板系统组成的电液调压装置。其作用是根据提升机的实际制动力矩，限定最大工作油压，即定压和调压。
　　这种传统的制动调节方式，需要配以复杂的液压回路和各种电液阀的协调动作来实现工作制动力矩的调节和紧急制动时产生二级制动。这势必带来制动力调节的准确性和液压系统的复杂性和低可靠性。
　　三、提升机的计算机控制
　　提升机制动系统采用数字控制，接口部件就是数字式调压阀。从而去掉复杂的液压回路，可以提高制动力调节的准确性和制动的可靠性。
　　数字式调压阀（简称数字阀）实现了计算机对液压执行机构的直接数字控制，而无需中间环节，并可以将参数给定、数据显示、记录等集中在一起，使系统操作方便，控制容易。数字阀的应用是提升机全数字化的一个重要组成部分。
　　就目前掌握的资料情况来看，数字阀要应用于矿井提升机，至少还存在以下几方面问题：
　　⑴对于控制阀芯式数字阀，它利用控制阀芯的转动或轴向移动来控制节流口开口量，这种阀结构较复杂，尺寸要求严格，存在加工困难。
　　⑵对于喷嘴挡板式数字阀，它利用步进电机控制挡板位置，其重复精度及抗污染能力差。
　　⑶目前的数字阀大都使用个人计算机或单片机控制，在电机频繁启停，大量使用继电器的提升机工作现场，干扰严重，导致步进电机不能正常运行。
　　本论文试图对现有提升机液压制动系统的调压阀进行分析，建立起比较完备的静动态数学模型，完善数字阀的设计理论，并初步确定数字阀的结构形式和控制方案，为数字阀的进一步设计研究提供一些理论依据。
　　四、提升机调压阀系统实验
　　提升机调压阀系统实验采用JTP一12型小型提升机，液压系统如图1所示，调压阀系统实验原理如图2所示，提升机液压站的最大工作油压5.4Mpa；最大输油量为99L／min；工作液体采用40号稠化液压油。
　　
　　图1液压站系统原理图
　　1—邮箱；2—电动机；3—电夜调压阀；4、5、9、13—电磁阀；6—网式过滤器；7—叶片泵；
　　8—烧结过滤器；10—综合阀；11—压力表；12—单向阀；14—压力继电器
　　
　　图2调压阀系统实验原理
　　主要仪器：位移传感器ZZF6—Ⅱ型电涡流式位移振幅传感器；压力传感器CYZ型高输出压力传感器；型号发生器1250频率响应分析仪；数据采集装置EPC—2000型便携式工业计算机，配有PCL—818HD采集卡A/Ｄ转换。
　　通过实验得到调压阀的静、动态响应曲线如图3、４所示。
　　
　　图３调压阀静态特性实验曲线                                               图４调压阀动态特性实验曲线
　　实验数据经过整理、取舍、并结合静态仿真数据，确定调压系统动态模型辨识数据。时间=0—0.3（s），步长0.003（s）；节流口面积阶跃输入=2.3mm2，（=0），=5mm2，（>0）；压力=0，0.0013，0.0164，……，4.0956，3.9852，4.0340（Mpa），共100个采样点。
　　通过MATLAB语言编制程序对以上实验数据作传动函数模型辨识，辨识结果如下：
　　Ｂ=［-０.0015，0.513，-5.9715，25.8045］；
　　A=［-０.0001，0.0013，0.4147，3.9，14.3314］；
　　即调压阀的传递函数辨识模型为：
　　
　　五、数字阀式调压阀设计与分析
　　计算机对电液控制系统进行实时控制，用数字信息直接控制阀，数字阀可直接与计算机接口，不需要Ａ／D转换器。
　　增量式数字压力阀组成：步进电机驱动机构及先导阀组成的先导级和功率级主阀。
　　数字阀先导级的设计：数字阀从步进电机的转动输入到数字阀的压力输出，必需要有合适的机械结构来实现这种转换。对于溢流阀而言，机械转换机构主要考虑三个方面的性能，即响应速度、线性度和复位灵活性。针对这三点要求，采用节流机构——孔交叉式节流机构。它具有以下特点：
　　1、结构原理简单，采用旋转阀芯式，省去了角位移向直线位移的转化环节；
　　2、步进电机和旋转阀芯采用刚性联接，因此在响应速度和复位灵活性方面完全取决于步进电机，不存在机械滞后问题；
　　3、采用两个矩形孔道交又旋转节流方式，可以充分保证阀芯角位移与节流面积变化问的线性关系。
　　其结构原理如图5所示。
　　
　　图5孔交叉式节流机构
　　功率级主阀设计：溢流阀主阀的设计己有了比较完整的设计理沦与方法，作为数字式溢流阀的设计可参照普通溢流阀的进行，在此不再赘述。值得一提的是溢流阀采用二级同心式溢流阀，优点是工艺性好，加工精度和装配精度容易保证，结构简单，通用性、互换性好。因此，数字阀的设计应考虑选用二级同心式。
　　步进电机的动态特性分析：
　　步进电机步距角与齿数，拍数之间均存在如下关系：
　　
　　所以转子转速为
　　步进电机带负载时运动方程
　　
　　式中——步进电机的步进角速度；
　　——步进电机的转矩；
　　——负载阻转矩；
　　——步进电机的转子转动惯量；
　　——负载转动惯量；
　　——步进电机的加速转矩，
　　带入转速公式得：
　　
　　式中——总的转动惯量
　　对于具体的步进电机和给定负载的情况下，可以求出电机的最大启动频率和最大稳定运行频率。在该频率范围内，步进电机每得到一个输入电脉冲都句以准确地旋转一个步距角，从而带动数字阀实现压力调节。
　　步进电机及其通常所配的斩波式驱动电源具有很小的重复误差，而且几乎不受温度的影响，因此数字阀具有比比例阀更高的重复精度，另外，数字阀的滞环误差也小于比例阀，一般在1％以下，而比例阀的滞环误差一般在2—7％之间。这主要是因为步进电机的滞环远小于比例电磁铁的滞环。
　　可见，数字阀的许多优于其他液压阀的性能都来源于步进电机及其驱动电路的性能，所以步进电机及其控制系统动态性能的研究应该成为数字阀研究的重要内容。
　　数字阀的动态模型及计算机仿真：
　　数字阀的结构框图如图6所示
　　
　　图6数字式调压阀系统框图
　　由于步进电机的动态向应时间常数要远远小于溢流阀，因此在近似动态特性分析中，可以把步进电机的传递函数写为：
　　
　　式中——步进电机转角；
　　——输入脉冲数；
　　——步进电机转距，对于40齿，三相六拍工作方式为1.5°。
　　对于节流机构——孔交叉式节流机构，节流阀芯转角与节流口面积之间的关系为：
　　
　　式中——节流口全开面积；
　　
　　调压阀的传递函数辨识模型为：
　　
　　因此，根据传递函数、、得到数字式调压阀系统传递函数框图为：
　　
　　图7数字式调压阀系统传递函数框图
　　在MATLAB环境中，调用（）函数对作单位阶跃仿真，结果如下。
　　
　　图8数字阀动态响应计算机仿真曲线
　　图中所示为数字阀系统在步进电机接受一个脉冲信号时的输出压力响应清况。由图可以得到：上升时间tr=0.07s，最大超调量Mp=4%，调整时间tp=0.15s。
　　仿真结果显示，该模型的各项性能指标基本符合提升机制动系统的调压要求。
　　六、提升机数字控制系统
　　提升机制动装置对提升机系统的稳定、安全运行起着至关重要的作用，提升机数控制动系统的组成部分如图9所示。
　　
　　图9提升机数控制动系统
　　步进电机驱动电路：采用VMOS高频恒流斩波驱动电路。该电路解决了双级型晶体管因二次击穿而造成的故障，提高了可靠性，采用脉宽调制PWM技术，将斩波频率固定在15—20Ｈz，解决了电机锁定时的电磁噪声问题，同时伺服驱动系统各绕组参数趋于致，且不依赖于电机绕组中的电感参数。
　　数字阀的计算机控制：其核心仍然是对步进电机的控制。步进电机的控制包括定时、步进（脉冲分配）功能、方向和步数控制、升降频率控制等问题。控制主要有三个重要参数，即转速、转角和转向。
　　步进电机采用PLC控制，由于步进电机的转动是由输入脉冲信号控制，所以转速是由输入脉冲信号的频率决定，而转过的角度有输入脉冲信号的脉冲个数决定，转向由环形分配器的输出通过步进电机A、H、C相绕组控制，环形分配器通过控制各相通电的相序控制步进电机转向。
　　程序设计采用“逻辑设计法”，由逻辑关系，当CON=0，正转时步进电机A、B、C相线圈的通电相序为Ａ—ＡＢ—B—BC—C—CA—C……；当CON=1，反转时步进电机A、B、C相线圈的通电相序为Ａ—ＡC—C—CB—B—BA—A……；
　　输入输出设备地址分配如表1
　　表1输入输出设备

　　步进电机环形分配器PLC梯形图如图10所示。
　　
　　图10步进电机环形分配器梯形图
　　设初始状态为RESET有效，动合触电闭合，0500输出为“1”状态，0501、0502为“0”状态，RESET无效后，上述三输出状态各自保持原状态。CON=0，当EN有效，且有输入脉冲信号CLK输入，CLK上升沿到来，辅助继电器动合触点闭合一扫描周期。在此期间，各输出继电器状态自保持失效，0500输出状态为“1”状态，0501输出由“0”变“1”,0502输出状态为“0”，一个扫招周期过后，1000动合触点断开，动断触点闭合，各输出继电器状态恢复自保持，等待下一个输入脉冲信号上升沿的到来。
　　PLC环形分配器程序产生的相脉冲信号输出接口连接步进电机驱动电路输出。
　　七、结论
　　步进电机的控制力案可以说是多种多样多，用硬件还是多用软件，用微型计算机、单片机、PLC控制，都要通过实际情况而定。由于煤矿提升机工作环境步进恶劣，因此多采用PLC控制。
　　提升机制动系统采用数字控制，接口部件就是数字式调压阀。从而去掉复杂的液压回路，可以提高制动力调节的准确性和制动的可靠性。
　　数字式调压阀实现了计算机对液压执行机构的直接数字控制，而无需中间环节，并可以将参数给定、数据显示、记录等集中在一起，使系统操作方便，控制容易。
　　数字式调压阀实现了数字控制，比D/A转换器的数字一模拟控制，具有更好的抗干扰性和更高的可靠性。
　　
　　参考文献：
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