摘要：礦井提升機的制動裝置直接影響到提升機的正常工作和安全，液壓盤式制動器采用傳統的制動調節方式，制動力調節不準確、液壓系統復雜和低可靠性。提升機制動系統采用數字控制，提高了制動系統的準確性和可靠性。通過對制動系統的實驗、建模、仿真分析和控制等研究，為機制動系統數字閥進一步設計提供理論依據。
　　關鍵詞：制動系統，數字閥，仿真，控制，研究
　　一、前言
　　礦井提升機的制動裝置（簡稱制動器），是提升機一個非常重要的組成部分，直接影響到提升機的正常工作和安全。我國卷筒直徑2m以上的提升機均采用以液壓松閘彈簧作制動的盤式閘制動器。
　　盤式制動系統的主要特點是閘瓦不作用于制動輪，而是作用在制動盤上。它是礦井提升機上的一種新型制動器，用蝶形彈簧作制動力源，反應速度快，因此《煤礦安全規程》規定，它的制動空行程時間不得超過0.3S，比油壓制動器0.6S要短。盤式制動器的優點是結構緊湊，閘的副數可根據需要靈活增減，我國目前生產的礦井提升機全都采用盤式制動系統。
　　二、制動原理及控制方式
　　制動器由幾組油缸裝置組成，每個油缸裝置由支架油缸體、蝶形彈簧、活塞、制動瓦等零件組成。當有壓力油充入時，通過活塞壓縮蝶形彈簧，同時推動制動瓦離開制動輪盤，形成松閘狀態。當卸壓時，油壓不斷下降，制動瓦塊在彈簧力的作用下，壓向制動輪盤達到制動目的。制動力的變化是根據油壓的改變而改變的，當油壓力為零時，提升機處于全制動狀態。
　　由此可見，提升機制動系統油壓的變化起著至關重要的作用，其靈敏度和準確度直接決定著制動力的大小，進而關系到提升機的安全穩定運行。
　　我國目前生產的液控盤式制動系統，其調壓部件是由溢流閥與噴嘴擋板系統組成的電液調壓裝置。其作用是根據提升機的實際制動力矩，限定最大工作油壓，即定壓和調壓。
　　這種傳統的制動調節方式，需要配以復雜的液壓回路和各種電液閥的協調動作來實現工作制動力矩的調節和緊急制動時產生二級制動。這勢必帶來制動力調節的準確性和液壓系統的復雜性和低可靠性。
　　三、提升機的計算機控制
　　提升機制動系統采用數字控制，接口部件就是數字式調壓閥。從而去掉復雜的液壓回路，可以提高制動力調節的準確性和制動的可靠性。
　　數字式調壓閥（簡稱數字閥）實現了計算機對液壓執行機構的直接數字控制，而無需中間環節，并可以將參數給定、數據顯示、記錄等集中在一起，使系統操作方便，控制容易。數字閥的應用是提升機全數字化的一個重要組成部分。
　　就目前掌握的資料情況來看，數字閥要應用于礦井提升機，至少還存在以下幾方面問題：
　　⑴對于控制閥芯式數字閥，它利用控制閥芯的轉動或軸向移動來控制節流口開口量，這種閥結構較復雜，尺寸要求嚴格，存在加工困難。
　　⑵對于噴嘴擋板式數字閥，它利用步進電機控制擋板位置，其重復精度及抗污染能力差。
　　⑶目前的數字閥大都使用個人計算機或單片機控制，在電機頻繁啟停，大量使用繼電器的提升機工作現場，干擾嚴重，導致步進電機不能正常運行。
　　本論文試圖對現有提升機液壓制動系統的調壓閥進行分析，建立起比較完備的靜動態數學模型，完善數字閥的設計理論，并初步確定數字閥的結構形式和控制方案，為數字閥的進一步設計研究提供一些理論依據。
　　四、提升機調壓閥系統實驗
　　提升機調壓閥系統實驗采用JTP一12型小型提升機，液壓系統如圖1所示，調壓閥系統實驗原理如圖2所示，提升機液壓站的最大工作油壓5.4Mpa；最大輸油量為99L／min；工作液體采用40號稠化液壓油。
　　
　　圖1液壓站系統原理圖
　　1—郵箱；2—電動機；3—電夜調壓閥；4、5、9、13—電磁閥；6—網式過濾器；7—葉片泵；
　　8—燒結過濾器；10—綜合閥；11—壓力表；12—單向閥；14—壓力繼電器
　　
　　圖2調壓閥系統實驗原理
　　主要儀器：位移傳感器ZZF6—Ⅱ型電渦流式位移振幅傳感器；壓力傳感器CYZ型高輸出壓力傳感器；型號發生器1250頻率響應分析儀；數據采集裝置EPC—2000型便攜式工業計算機，配有PCL—818HD采集卡A/Ｄ轉換。
　　通過實驗得到調壓閥的靜、動態響應曲線如圖3、４所示。
　　
　　圖３調壓閥靜態特性實驗曲線                                               圖４調壓閥動態特性實驗曲線
　　實驗數據經過整理、取舍、并結合靜態仿真數據，確定調壓系統動態模型辨識數據。時間=0—0.3（s），步長0.003（s）；節流口面積階躍輸入=2.3mm2，（=0），=5mm2，（>0）；壓力=0，0.0013，0.0164，……，4.0956，3.9852，4.0340（Mpa），共100個采樣點。
　　通過MATLAB語言編制程序對以上實驗數據作傳動函數模型辨識，辨識結果如下：
　　Ｂ=［-０.0015，0.513，-5.9715，25.8045］；
　　A=［-０.0001，0.0013，0.4147，3.9，14.3314］；
　　即調壓閥的傳遞函數辨識模型為：
　　
　　五、數字閥式調壓閥設計與分析
　　計算機對電液控制系統進行實時控制，用數字信息直接控制閥，數字閥可直接與計算機接口，不需要Ａ／D轉換器。
　　增量式數字壓力閥組成：步進電機驅動機構及先導閥組成的先導級和功率級主閥。
　　數字閥先導級的設計：數字閥從步進電機的轉動輸入到數字閥的壓力輸出，必需要有合適的機械結構來實現這種轉換。對于溢流閥而言，機械轉換機構主要考慮三個方面的性能，即響應速度、線性度和復位靈活性。針對這三點要求，采用節流機構——孔交叉式節流機構。它具有以下特點：
　　1、結構原理簡單，采用旋轉閥芯式，省去了角位移向直線位移的轉化環節；
　　2、步進電機和旋轉閥芯采用剛性聯接，因此在響應速度和復位靈活性方面完全取決于步進電機，不存在機械滯后問題；
　　3、采用兩個矩形孔道交又旋轉節流方式，可以充分保證閥芯角位移與節流面積變化問的線性關系。
　　其結構原理如圖5所示。
　　
　　圖5孔交叉式節流機構
　　功率級主閥設計：溢流閥主閥的設計己有了比較完整的設計理淪與方法，作為數字式溢流閥的設計可參照普通溢流閥的進行，在此不再贅述。值得一提的是溢流閥采用二級同心式溢流閥，優點是工藝性好，加工精度和裝配精度容易保證，結構簡單，通用性、互換性好。因此，數字閥的設計應考慮選用二級同心式。
　　步進電機的動態特性分析：
　　步進電機步距角與齒數，拍數之間均存在如下關系：
　　
　　所以轉子轉速為
　　步進電機帶負載時運動方程
　　
　　式中——步進電機的步進角速度；
　　——步進電機的轉矩；
　　——負載阻轉矩；
　　——步進電機的轉子轉動慣量；
　　——負載轉動慣量；
　　——步進電機的加速轉矩，
　　帶入轉速公式得：
　　
　　式中——總的轉動慣量
　　對于具體的步進電機和給定負載的情況下，可以求出電機的最大啟動頻率和最大穩定運行頻率。在該頻率范圍內，步進電機每得到一個輸入電脈沖都句以準確地旋轉一個步距角，從而帶動數字閥實現壓力調節。
　　步進電機及其通常所配的斬波式驅動電源具有很小的重復誤差，而且幾乎不受溫度的影響，因此數字閥具有比比例閥更高的重復精度，另外，數字閥的滯環誤差也小于比例閥，一般在1％以下，而比例閥的滯環誤差一般在2—7％之間。這主要是因為步進電機的滯環遠小于比例電磁鐵的滯環。
　　可見，數字閥的許多優于其他液壓閥的性能都來源于步進電機及其驅動電路的性能，所以步進電機及其控制系統動態性能的研究應該成為數字閥研究的重要內容。
　　數字閥的動態模型及計算機仿真：
　　數字閥的結構框圖如圖6所示
　　
　　圖6數字式調壓閥系統框圖
　　由于步進電機的動態向應時間常數要遠遠小于溢流閥，因此在近似動態特性分析中，可以把步進電機的傳遞函數寫為：
　　
　　式中——步進電機轉角；
　　——輸入脈沖數；
　　——步進電機轉距，對于40齒，三相六拍工作方式為1.5°。
　　對于節流機構——孔交叉式節流機構，節流閥芯轉角與節流口面積之間的關系為：
　　
　　式中——節流口全開面積；
　　
　　調壓閥的傳遞函數辨識模型為：
　　
　　因此，根據傳遞函數、、得到數字式調壓閥系統傳遞函數框圖為：
　　
　　圖7數字式調壓閥系統傳遞函數框圖
　　在MATLAB環境中，調用（）函數對作單位階躍仿真，結果如下。
　　
　　圖8數字閥動態響應計算機仿真曲線
　　圖中所示為數字閥系統在步進電機接受一個脈沖信號時的輸出壓力響應清況。由圖可以得到：上升時間tr=0.07s，最大超調量Mp=4%，調整時間tp=0.15s。
　　仿真結果顯示，該模型的各項性能指標基本符合提升機制動系統的調壓要求。
　　六、提升機數字控制系統
　　提升機制動裝置對提升機系統的穩定、安全運行起著至關重要的作用，提升機數控制動系統的組成部分如圖9所示。
　　
　　圖9提升機數控制動系統
　　步進電機驅動電路：采用VMOS高頻恒流斬波驅動電路。該電路解決了雙級型晶體管因二次擊穿而造成的故障，提高了可靠性，采用脈寬調制PWM技術，將斬波頻率固定在15—20Ｈz，解決了電機鎖定時的電磁噪聲問題，同時伺服驅動系統各繞組參數趨于致，且不依賴于電機繞組中的電感參數。
　　數字閥的計算機控制：其核心仍然是對步進電機的控制。步進電機的控制包括定時、步進（脈沖分配）功能、方向和步數控制、升降頻率控制等問題。控制主要有三個重要參數，即轉速、轉角和轉向。
　　步進電機采用PLC控制，由于步進電機的轉動是由輸入脈沖信號控制，所以轉速是由輸入脈沖信號的頻率決定，而轉過的角度有輸入脈沖信號的脈沖個數決定，轉向由環形分配器的輸出通過步進電機A、H、C相繞組控制，環形分配器通過控制各相通電的相序控制步進電機轉向。
　　程序設計采用“邏輯設計法”，由邏輯關系，當CON=0，正轉時步進電機A、B、C相線圈的通電相序為Ａ—ＡＢ—B—BC—C—CA—C……；當CON=1，反轉時步進電機A、B、C相線圈的通電相序為Ａ—ＡC—C—CB—B—BA—A……；
　　輸入輸出設備地址分配如表1
　　表1輸入輸出設備

　　步進電機環形分配器PLC梯形圖如圖10所示。
　　
　　圖10步進電機環形分配器梯形圖
　　設初始狀態為RESET有效，動合觸電閉合，0500輸出為“1”狀態，0501、0502為“0”狀態，RESET無效后，上述三輸出狀態各自保持原狀態。CON=0，當EN有效，且有輸入脈沖信號CLK輸入，CLK上升沿到來，輔助繼電器動合觸點閉合一掃描周期。在此期間，各輸出繼電器狀態自保持失效，0500輸出狀態為“1”狀態，0501輸出由“0”變“1”,0502輸出狀態為“0”，一個掃招周期過后，1000動合觸點斷開，動斷觸點閉合，各輸出繼電器狀態恢復自保持，等待下一個輸入脈沖信號上升沿的到來。
　　PLC環形分配器程序產生的相脈沖信號輸出接口連接步進電機驅動電路輸出。
　　七、結論
　　步進電機的控制力案可以說是多種多樣多，用硬件還是多用軟件，用微型計算機、單片機、PLC控制，都要通過實際情況而定。由于煤礦提升機工作環境步進惡劣，因此多采用PLC控制。
　　提升機制動系統采用數字控制，接口部件就是數字式調壓閥。從而去掉復雜的液壓回路，可以提高制動力調節的準確性和制動的可靠性。
　　數字式調壓閥實現了計算機對液壓執行機構的直接數字控制，而無需中間環節，并可以將參數給定、數據顯示、記錄等集中在一起，使系統操作方便，控制容易。
　　數字式調壓閥實現了數字控制，比D/A轉換器的數字一模擬控制，具有更好的抗干擾性和更高的可靠性。
　　
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