矿井提升机恒减速制动控制系统设计毕业设计

1、中国矿业大学信息与电气工程学院毕业设计 (论文)开题报告设计（论文）名称： 矿井提升机恒减速制动控制系统设计 毕业设计起止时间： 20年3月8日4月28日(共17周)学生姓名： 罗超 学号： 专 业： 电气工程及其自动化教学班级： 11-九 指导教师： 何凤友教授 报告日期： 一本课题的研究意义，国内外研究现状、水平和发展趋势： （一）本课题的研究意义在当今世界煤炭资源日益紧张的今天，煤炭开采的技术进步因素起着极为重要的作用，基于此，矿井提升机在煤炭开采行业起着越来越重要的作用。矿井提升机作为矿山采矿运输中的关键机械设备，承担着矿物提升.人员上下材料和设备的运输任务，而提升机的制动系统更是煤矿

2、生产中的重中之重，是煤矿生产安全的有力保证。目前，提升机的制动方式主要有一级制动二级制动和恒减速制动等，在一般情况下他们都能满足制动要求。但当安全性要求较高时，恒减速制动体现出绝对的优势，它使提升机以恒定的减速度减速停车，有效的保证了煤矿生产的安全。恒减速安全制动是以制动的减速度恒定为控制目标，通过自动调节制动转矩，使提升机按各种综合因素所设定的减速度进行制动，从根本上改善制动性能，提高了安全制动的可靠性，同时解决了摩擦提升机由于滑动所带来的困难，对提升机参数选型设备重量特性系数选择都带来方便。我国有丰富的矿产资源，低廉的劳动成本，本应该在国际市场中占有优势，但由于技术、管理和体制等原因，大部

3、分矿山企业的前景不容乐观。从采用先进技术的采矿国家发展经验可以得出的结论是:采用高新技术和先进的设备改造落后的矿井提升系统的现状是我国矿山企业在国内国际竞争中胜出的必由之路。本课题的研究意义也就在此：应用先进的PLC和计算机技术与电液比例控制技术相结合，提高提升机的速度控制性能，实现恒减速制动控制，减小机械冲击，增强矿井提升机的安全性能，提高工作效率，同时也降低了器件的磨损，节约成本。 （二）国内研究现状、水平和发展趋势 提升机是矿井的主要设备，用于升降人员和物料。提升机的发展随着矿山建设的需要，经历了三个阶段，现在成批生产的提升机按工作方式分为：缠绕式矿井提升机和摩擦式矿井提升机。目前使用的

4、矿用提升机，在机械部分有很大提高，近几年的提升机技术，正向着体积小、重量轻、提升运输能力大、效率高、性能稳定、安全可靠、自动化、智能化的方向发展。在机械部分无太大的变化，主要是在电控系统。较为先进的PLC控制代替原来的继电器技术，变频调速代替原来的串接电阻的调速方式。从企业的安全和经济效益考虑，在电控系统上，静态无功补偿系统和变频调速系统是提升绞车发展普及方向，他们对电网的安全运行、提高企业的经济效益、节能减排等方面意义巨大。深井及大终端荷载时，钢丝绳直径和卷筒容绳面积要求很大，这将导致提升机体积庞大，给制造、使用带来一定不便，限制了单筒缠绕式提升机在深井条件下的使用，所以深井多使用摩擦式提升

5、机。缠绕式矿井提升机是以电动机为动力源，通过减速器将动力传给缠绕钢丝绳的卷筒，实现容器的提升下放，通过电气传动实现调速，盘型制动器由液压和电气控制进行制动，通过位置指示系统实现容器的深度指示，通过各种传感器、测速发电机控制元件，组成安全保护系统。摩擦式提升机具有安全性高、钢丝绳直径细、主导轮直径小、设备重量轻、耗电少、价格便宜等优点，发展很快。除用于深立井提升外，还可用于浅立井和斜井提升。钢丝绳搭放在提升机的主导轮（摩擦轮）上，两端悬挂提升容器或一端挂平衡重（锤）。运转时，借主导轮的摩擦衬垫与钢丝绳间的摩擦力，带动钢丝绳完成容器的升降。钢丝绳一般为2-10根。摩擦式提升机主轴与轮毂为整体锻造，

6、轮毂与摩擦轮辐采用高强度螺栓联接。摩擦衬垫采用高性能摩擦衬垫，摩擦系数高、耐磨性能好，吸收钢丝绳振动能，防止钢丝绳扭转，不会被浸湿，并抗腐蚀性强。滚动轴承选用双列向心球面滚子轴承，允许绕轴承中心微量蹿动，以补充由于轴受力弯曲而带来的角位移。缠绕式提升机和摩擦式提升机的现状和特点：减速器采用圆弧形人字齿轮减速器，提高了承载能力并减轻了重量。主轴装置的减速器和电动机布置在同一线轴上，对安装、检修极为方便。减速器有双力线和行星减速器两种。双力线中心驱动减速器是在使高速轴、低速轴在同一直线上，从而使主电机、减速器、主轴装置呈“一”字布局，结构紧凑减小机房面积，安装、维修方便。双力线中心驱动减速器全为人

7、字齿结构，它除了具有斜齿轮的特点外，还能自行平衡转动过程中产生的轴向力。进一步提高了承载能力和平稳性。中间齿轮采用弹性齿轮，整个减速器传递扭矩大，运行平稳噪音小，抗冲击能力强。在相同功率的前提下，可比其它型式的减速器输出功率更大。主轴装置采用滚动轴承，便于安装调整。主轴上采用的新结构形式滚筒与主轴同心度好，主轴抗冲击力强、寿命长。液压传动装置为手动控制的低压电液调节阀和电磁铁控制的安全三通阀，操纵省力，易于实现自动化和半自动化控制。双系统液压站，该液压站采用两套完全独立的控制系统，使用过程中当一套系统出故障时，可立即转换到另一套系统正常使用。液控元件使用了先进的电液比例控制技术，具有先导控制、

8、负载传感和压力补偿等功能，使液压站拥有更优良的使用性、高效的运行可靠性和方便的维护保养性。盘式制动灵敏，安全可靠。采用碟型弹簧产生压力，液压控制，制动时间小于0.3秒。机器控制完全集中在操作台上，方便，灵活。仪表齐全、操作简便。目前使用的矿用提升机，在机械部分有很大提高，控制系统普遍采用绕线电机转子串电阻的方式进行调速，该系统存在以下缺点：大量的电能消耗在转差电阻上，造成了严重的能源浪费，同时电阻器的安装需要占用很大的空间：控制系统复杂，导致系统的故障率高，接触器、电阻器、绕线电机碳刷容易损坏，维护工作量很大，直接影响了生产效率；低速和爬行阶段需要依靠制动闸皮摩擦滚筒实现速度控制，特别是在负载

9、发生变化时，很难实现恒减速控制，导致调速不连续、速度控制性能较差；启动和换档冲击电流大，造成了很大的机械冲击，导致电机的使用寿命大大降低，而且极容易出现“掉道”现象；自动化程度不高，增加了开采成本，影响了产量；低电压和低速段的启动力矩小，带负载能力差，无法实现恒转矩提升。 矿井提升机的运动方式是反复的启动-加速-等速-减速-低速爬行-停车过程。启动至等速阶段的自动控制是较易实现的，提升机自动控制的关键在减速阶段和低速爬行阶段以及最后的准确停车，而实现最后的低速爬行又是准确停车的必要条件。因此矿井提升机对制动系统的控制精度和安全性能都很高，一套稳定可靠的制动系统要求其控制精度高和响应速度都快。

10、恒减速制动控制与一般的一级制动和二级制动在控制方法和算法上是有区别的。为了达到恒减速制动，克服载荷的变化以及干扰因素的影响，“减速度”作为反馈信号形成闭环系统，这是恒加速的基本原理。 提升机发生紧急情况系统要求恒减速制动时保护装置向制动系统发出信号，此时液压系统的油压降到某一设定值，提升机运行在磨闸皮状态下。同时安装在滚筒的周编码器测量值进入PLC内部进行计算，得出减速度值和已设定的减速度值相比较，经数字处理器处理，由减速度偏差值得到一个与制动力矩相对应的电流值，将此电流值作用在恒减速电液比例阀上，通过电磁阀的启闭，使制动压力处于增压-保压-减压的状态转换中，从而使电机得到合适的制动力矩，使电

11、机按照恒定的减速度停车。 目前国内外主要集中于研究以下几种情况的恒减速制动控制系统的设计。 1.恒减速制动模糊控制器的设计 模糊控制是将人的思想和控制经验赋予控制器进行控制和决策，它不需要建立对象完整的数学模型，是一种理想的非线性控制方法，可以灵活的安排控制规则来满足不同的控制要求，具有良好的鲁棒性和控制规则灵活性，模糊控制的优点正弥补了这些不足之处，在控制过程中，提升机的减速度偏差到制动控制电流输出的计算控制用模糊控制的算法来完成，再有模拟执行元件实现制动力矩作用在电机渣盘上是提升机恒减速停车。 2.恒减速制动模拟电路控制法的设计 采用模拟电路对测出的速度进行计算得出减速度控制量，在经过模拟

12、电路实现减速度偏差的闭环控制，输出与制动力矩相对应的电流值来调节电液比例阀，控制油压，这种控制方法原理简单，动作响应直接.快速,由于这些优点国外在恒加速领域发展过早的瑞典ABB和德国SIEMENS都选用这种方法来实现恒减速的控制，即是将提升机减速度作为控制量，以阻容元件和各种放大器组成的模拟期间电路板，通过PID单环来实现控制减速度恒定的功能。而目前国内也有类似控制方法的的恒减速制动装置，采用模拟元件组成控制电路板，由内环制动压力环和外环提升机速度环组成一个双闭环的调节系统，使控制更加精确，动态效果更好。这种恒减速制动的控制方法目前运用已较成熟。 3.数字PID控制法 选用“PLC+以单片机为

13、核心的闭环PID控制”，其中PLC完成计算和保护功能，用单片机进行设计一个恒减速的数字处理器。以单片机为核心组成的数字处理器进行闭环控制，提升机制动时的减速度作为被控量，通过数字处理器使是机减速度跟踪设定加速度，从而达到恒减速制动的目的。通过与控制程序中设定的恒减速速度值相比较，产生偏差控制量。经过数字计算机内的控制算法程序调节处理后，熟吃一个控制电压放大器，后者输出一个电流，通过比例溢流阀调节液压系统的压力改变制动器施加给制动盘上的制动力矩，从而使容器的减速度跟踪给定的减速度信号，进而实现对提升机紧急制动减速度的控制。 4.仿ABS控制法 汽车防抱死制动系统是一种典型的恒减速制动控制系统，它

14、的基本理论行成很早，控制方法也较为先进，所以矿井提升机恒减速制动控制可以借鉴汽车防爆制动装置的先进技术，比如逻辑门限值控制法和滑模变结构控制法，都是很先进的恒减速控制方法，能够使汽车制动时具有恒定的减速度，因此这些控制方法应用于矿井提升机的恒减速制动控制中。 二本课题的研究内容及方案：本文围绕矿井提升机恒减速制动控制系统的设计这一主题，对矿井提升机控制系统构成、作用、现状和发展有一个基本的认识和了解后，针对矿井提升机恒减速控制系统，结合仿真实习，对矿井提升机的恒加速制动控制系统设计进行深入分析。下面以矿井提升机液压站TE130为例进行深入的分析。 （一）电液调压装置的调压原理见下图图一： 图一

15、1. 固定螺母 2.十字弹簧 3.动线圈 4.永久磁铁 5.控制杆 6.喷头 7.中孔螺母 8.定压弹簧 9.手柄 10.圆锥体 11.辅助弹簧 12.滑阀13. 节流塞 14.滤芯 15 双椎体套 图二 图三调压过程如下：压力油由K处进入，一路去溢流阀的C腔，另一路经过静滤芯14，节流螺塞13，到G腔和溢流阀的D腔。（溢流阀阀芯上的阻尼孔已被堵住）当动线圈3的电流增加时，控制杆5下移，与喷嘴6的距离缩短，喷嘴喷出的压力油流量减少，G腔.D腔的油压升高，使溢流阀的阀芯12下降，从R处流出的流量减少，这样C腔的压力逐渐升高，K处的油压升高（即系统油压升高）。滑阀12处在新的平衡位置。当动线圈3的

16、电流减少时，控制杆从上述的平衡位置上移，使喷嘴6喷出的压力油流量增加，G腔.D腔的油压瞬间降低，使滑阀12上移，R处流出的流量增加，C腔压力减少，K处的油压下降（即系统油压下降）。滑阀12又处在新的平衡位置。当动线圈3的电流继续增大至最高时，控制杆5向下的力大于喷嘴6向上的液动力，使控制杆5盖住喷嘴6的小孔，这时，K处的油压最高（即系统的油压最高）。当动线圈3的电流减少至零时，控制杆5向下的力小于喷嘴6向上的液动力，使控制杆5离开喷嘴6的小孔，处于最高位置。这时，K处的油压最低，为残压（即系统地油压为残压）。 （二）TE130液压站的原理见图四所示： 图四 TE130液压站原理图 1.油箱 2

17、.网式过滤器 3.电机 4.油泵 5.纸质过滤器 6.电液调压装置 7.电磁换向阀 8.溢流阀 9.减压阀 10.单向阀 11.电磁换向阀 12.弹簧蓄力器 13.液动换向阀 14.压力表开关 15.压力表 16.电磁换向阀 17.电磁换向阀 18.电磁换向阀 19.电接点温度计 20.电接点压力表 21.截止阀 22.温度控制器 23.电加热器TE130液压站的工作状态表： 工作过程描述如下： 系统正常工作时，电磁换向阀G3.G4.G5.通电（TE130液压站的电磁换向阀G1.G2.G6断电）压力油通过电磁换向阀G3.G4进入盘形制动器，使其开闸，保证提升机正常运转。同时，压力油经过减压阀9

18、.单向阀10，进入弹簧蓄能器12，达到某一确定的一级制动油压值P1级（压力表15显示的压力）。当矿井提升机出现事故状态。如全矿停电，液压站的安全制动部分将会产生紧急制动，即安全制动。其原理如下：油泵电机3断电停止转动，油泵停止供油，电磁换向阀G3.G4断电，固定卷筒的盘形制动器的压力油迅速流回油箱，油压降到零压。 卷筒的盘形制动器的压力油经电磁换向阀G4，一部分经过溢流阀8流回油箱，另一部分流到弹簧蓄能器12内。使这部分的油压值，保持一级制动油压值P1级，经过延时继电器的延时，电磁换向阀G5延时断直流电;G6延时通直流电，使油压迅速降低到零压。上述的一级制动油压值P1级是经过减压阀9.溢流阀8

19、调定的。正常工作时，工作油压经减压阀9.单向阀10进入蓄能器12，油压降为P1级(压力表15的显示值），溢流阀8调定的油压值P1级比P1级大0.2-0.3MPa即可。以上这个过程，使提升机在紧急制动时，获得了良好的二级制动性能，特性见图 。从图三上看，从A点（即Pmax点）降到B点，固定卷筒的盘形制动器处于制动状态，整个卷筒受到1/2以上的制动力。游动卷筒的盘形制动器的油压降到一级制动油压PI级（从B点到C点）延时t1秒后到达D点，此时提升机已停车，电磁换向阀G5延时后断电，G6延时后通电，油压从P1级降到零压（即从D点到E点），完成二级制动。盘形制动器把卷筒牢固的闸住，使其安全的停止转动。

20、（三）TE130液压站调绳离合部分，其调绳动作过程如下： 1、电磁铁G1、G2、G3、G4、G5、G6断电，盘形制动器处于全制动状态，打开图1中序号21两只球阀。 2、G2通电，压力油进入调绳离合器油缸的离合腔，使游动卷筒与主轴脱开。 3、G3通电，压力油进入固定卷筒制动缸，调节提升高度和绳长，调绳结束后，G3断电，固定卷筒处于紧闸状态。 4、G1通电，油路和调绳离合器的合上腔相通，使主轴和游动卷筒合上。5、G1断电，电磁阀18处于中位，切断了通入离合器的油路，调绳过程到此结束，把图1中序号21的两只球阀关死。 （四）TE130、TE131液压站调阀皮间隙动作过程如下：1、G3通电，G1、G2、G4、G5、G6断电，TE130液压站游动卷筒制动器处于制动状态，TE130液压站固定卷筒制动器（TE131液压站卷筒右边制动器）处于开闸状态