楊國(guó)銳,路 鑫

(山東立業(yè)機(jī)械裝備有限公司,山東新泰 271200)

液壓伺服控制系統(tǒng)在采煤機(jī)上的應(yīng)用

楊國(guó)銳,路 鑫

(山東立業(yè)機(jī)械裝備有限公司,山東新泰 271200)

為了更好地將液壓伺服控制系統(tǒng)應(yīng)用到煤礦開采設(shè)備上,逐步提升煤礦生產(chǎn)設(shè)備的開采能力,通過(guò)對(duì)液壓伺服控制系統(tǒng)的工作原理及液壓傳動(dòng)優(yōu)缺點(diǎn)分析,針對(duì)目前煤礦開采的特殊環(huán)境,設(shè)計(jì)出一種數(shù)控液壓伺服系統(tǒng)應(yīng)用到煤礦采煤機(jī)牽引部,以此來(lái)代替了傳統(tǒng)的采煤機(jī)牽引,提高采煤機(jī)的開機(jī)效率?；趯?duì)于液壓伺服控制系統(tǒng)工作原理的研究,進(jìn)一步探討液壓伺服控制系統(tǒng)在采煤機(jī)上的應(yīng)用方式。

液壓伺服;控制系統(tǒng);工作原理;采煤機(jī);牽引部

Application of Hydraulic Servo Control System in Coal Cutter

隨著液壓傳動(dòng)技術(shù)的不斷完善和發(fā)展,液壓傳動(dòng)已廣泛地應(yīng)用于我國(guó)的各行各業(yè),尤其在煤炭行業(yè),液壓傳動(dòng)的應(yīng)用已成為非常重要的環(huán)節(jié),例如現(xiàn)在的綜采液壓支架、綜掘機(jī)、采煤機(jī)等全部應(yīng)用了液壓傳動(dòng)技術(shù)。隨著煤礦行業(yè)機(jī)電一體化進(jìn)程的不斷加快,生產(chǎn)裝備的工作性能、反映速度和自動(dòng)化程度的要求也越來(lái)越高,為了使液壓控制技術(shù)更好地服務(wù)于煤礦生產(chǎn),本文分析了液壓傳動(dòng)的優(yōu)缺點(diǎn)和液壓伺服控制系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn),并進(jìn)一步分析了液壓伺服控制系統(tǒng)在采煤機(jī)牽引部上的應(yīng)用。

1 液壓傳動(dòng)的優(yōu)缺點(diǎn)

液壓傳動(dòng)是利用密閉系統(tǒng)中的壓力液體實(shí)現(xiàn)能量傳遞和轉(zhuǎn)換的傳動(dòng)。由動(dòng)力源、執(zhí)行元件、控制元件、輔助元件和工作液體 5部分組成。目前常見的有機(jī)械傳動(dòng)、氣體傳動(dòng)、電力傳動(dòng)和液壓傳動(dòng),液壓傳動(dòng)之所以能得到廣泛的應(yīng)用,是因?yàn)榕c其他傳動(dòng)相比,優(yōu)勢(shì)比較明顯。

1.1 液壓傳動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)

(1)液壓傳動(dòng)可以比較方便地將電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成液壓缸的直線運(yùn)動(dòng),并得到相應(yīng)較大的液壓缸的推力。而且液壓元件的安裝位置要求不是非常嚴(yán)格,可根據(jù)設(shè)備的實(shí)際情況選擇合適的位置,便于實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離能量的傳輸及控制。

(2)質(zhì)量輕、體積小。液壓傳動(dòng)與機(jī)械、電力等傳動(dòng)方式相比,在輸出同樣功率的條件下,體積和質(zhì)量可以減少很多。例如相同功率的電動(dòng)機(jī)的體積是液壓馬達(dá)的 8～9倍。目前的發(fā)電機(jī)和電動(dòng)機(jī)的單位功率的體積是液壓泵和液壓馬達(dá)的 10倍。可借助閥或變量泵、變量馬達(dá)實(shí)現(xiàn)大范圍內(nèi)無(wú)級(jí)調(diào)速,調(diào)速范圍可達(dá) 1∶2000,并可在液壓裝置運(yùn)行的過(guò)程中進(jìn)行調(diào)速。

(3)傳動(dòng)平穩(wěn),負(fù)載變化時(shí)速度比較穩(wěn)定。液壓裝置非常容易實(shí)現(xiàn)過(guò)載保護(hù),不會(huì)因過(guò)載而造成主件損壞,使用安全可靠。借助于各種控制元件,較容易實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的自動(dòng)化工作循環(huán),而且可以實(shí)現(xiàn)遙控。液體吸振能力較好,在液路中還可設(shè)置緩沖裝置,使傳動(dòng)更加平穩(wěn),便于實(shí)現(xiàn)頻繁換向。這也是采煤機(jī)牽引部采用液壓傳動(dòng)的主要原因。

(4)液壓傳動(dòng)的參數(shù),如壓力、速度、運(yùn)動(dòng)方向和位移量等控制簡(jiǎn)單,參數(shù)變化速度快,有利于控制自動(dòng)化。

(5)由于采用液壓油作為工作介質(zhì),使液壓傳動(dòng)裝置能自動(dòng)潤(rùn)滑,因此,元件的使用壽命較長(zhǎng)。由于液壓元件易于實(shí)現(xiàn)系列化、標(biāo)準(zhǔn)化和通用化,因此,便于液壓元件的設(shè)計(jì)和大批量生產(chǎn),從而可提高生產(chǎn)率、提高產(chǎn)品質(zhì)量、降低制作成本。

1.2 液壓傳動(dòng)系統(tǒng)的主要缺點(diǎn)

(1)液壓傳動(dòng)是以液壓油或乳化液為工作介質(zhì),在相對(duì)運(yùn)動(dòng)表面間泄漏是不可避免的,同時(shí)油液幾乎是不可壓縮的,因此,不宜應(yīng)用在傳動(dòng)比要求嚴(yán)格的場(chǎng)合。在使用過(guò)程中,一旦出現(xiàn)故障,需要對(duì)各部件進(jìn)行拆卸才能實(shí)現(xiàn)檢測(cè)排除故障,難度較大。而機(jī)電系統(tǒng),可以方便的使用萬(wàn)用表和示波器等電子儀器來(lái)檢查故障,維修也比較方便。

(2)液壓傳動(dòng)對(duì)油或液的溫度變化反映較敏感。溫度變化時(shí),油或液的黏度隨溫度的改變而改變,嚴(yán)重影響了傳動(dòng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性,因此,不宜在高溫或低溫的環(huán)境下工作。

(3)液壓元件制造精度要求高。由于元件的技術(shù)要求較高且裝配比較困難,因此,制造、維護(hù)保養(yǎng)較困難,費(fèi)用較高,對(duì)于煤炭行業(yè)這種較差的工況環(huán)境,無(wú)疑是困難的。

(4)液壓傳動(dòng)易于發(fā)熱,損失功率,傳動(dòng)效率較低。

根據(jù)以上對(duì)液壓傳動(dòng)優(yōu)缺點(diǎn)的分析,優(yōu)點(diǎn)還是主要的,隨著機(jī)械制造工藝和維護(hù)水平的不斷提高,液壓傳動(dòng)技術(shù)將更廣泛的應(yīng)用到各個(gè)行業(yè)中。

2 液壓伺服控制系統(tǒng)的特點(diǎn)

液壓伺服系統(tǒng)又稱跟蹤系統(tǒng),是液壓傳動(dòng)技術(shù)領(lǐng)域中重要的分支,是根據(jù)液壓傳動(dòng)的工作原理建立起來(lái)的一種自動(dòng)控制系統(tǒng),以其優(yōu)良的動(dòng)態(tài)性能廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)。在這種系統(tǒng)中,執(zhí)行元件能自動(dòng)地、快速而準(zhǔn)確地按照輸入信號(hào)的變化規(guī)律而動(dòng)作,同時(shí),系統(tǒng)還有信號(hào)功率放大的作用,這種由液壓元件組成的系統(tǒng)稱為液壓伺服控制系統(tǒng)。

2.1 伺服控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成

伺服控制系統(tǒng)一般由比較環(huán)節(jié)、控制器、執(zhí)行環(huán)節(jié)、被控對(duì)象、檢測(cè)環(huán)節(jié) 5部分組成。

(1)比較環(huán)節(jié)是將輸入的指令信號(hào)與系統(tǒng)的反饋信號(hào)進(jìn)行比較,從而獲得輸出與輸入之間的偏差信號(hào)的環(huán)節(jié)。

(2)控制器通常是計(jì)算機(jī)或 PI D控制電路,其主要任務(wù)是對(duì)比較元件輸出的偏差信號(hào)進(jìn)行變換處理,以控制執(zhí)行元件按要求動(dòng)作。

(3)執(zhí)行環(huán)節(jié)的作用是按控制信號(hào)的要求,將輸入的各種形式的能量轉(zhuǎn)化成機(jī)械能,驅(qū)動(dòng)被控對(duì)象工作。

(4)被控對(duì)象是位移、速度、加速度、力、力矩等機(jī)械參數(shù)。

(5)檢測(cè)環(huán)節(jié)是指能夠?qū)敵鲞M(jìn)行測(cè)量并轉(zhuǎn)換成比較環(huán)節(jié)所需要的量綱的裝置。

2.2 液壓伺服系統(tǒng)的分類

(1)按控制信號(hào)可分為機(jī)液、電液和氣液 3種伺服系統(tǒng)。

(2)按控制方式可分為閥控系統(tǒng)和變量泵控系統(tǒng),其中閥控系統(tǒng)又分為轉(zhuǎn)閥式、滑閥式、噴嘴擋板式和噴管式。

(3)按功用可分為實(shí)現(xiàn)方形的伺服系統(tǒng)、實(shí)現(xiàn)放大的伺服系統(tǒng)和實(shí)現(xiàn)同步的伺服系統(tǒng)。

(4)按所控制的物理量可分為速度控制系統(tǒng)、位置控制系統(tǒng)、力控制系統(tǒng)和其他控制系統(tǒng)。

2.3 液壓伺服控制系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)

液壓伺服系統(tǒng)分為機(jī)械液壓、電液和氣液 3種伺服系統(tǒng)。其指令信號(hào)分別為機(jī)械信號(hào)、電信號(hào)和氣壓信號(hào)。電液伺服系統(tǒng)特點(diǎn)是電氣控制靈活;氣液伺服系統(tǒng)的特點(diǎn)是比較適合防爆的環(huán)境或容易獲得氣壓信號(hào)的地方。目前以高壓液體作為動(dòng)力源的液壓伺服系統(tǒng)應(yīng)用較為廣泛,基于多年在工作中對(duì)液壓控制技術(shù)的應(yīng)用和研究,現(xiàn)對(duì)液壓伺服系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)進(jìn)行總結(jié)。

液壓伺服控制系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)：同其他伺服系統(tǒng)相比較,液壓伺服系統(tǒng)工作穩(wěn)定;對(duì)指令信號(hào)反應(yīng)快;穩(wěn)態(tài)誤差小;抗干擾性能好;較容易通過(guò)液壓缸實(shí)現(xiàn)大功率的直線伺服驅(qū)動(dòng),而且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單;功率 -重量比大;力矩慣量比大,一般回轉(zhuǎn)式液壓馬達(dá)的力矩慣量比是同容量電動(dòng)機(jī)的 10倍至 20倍。

液壓伺服控制系統(tǒng)存在的缺點(diǎn)：使用不方便,維護(hù)困難;液壓系統(tǒng)常出現(xiàn)泄漏;抗污染能力差,成本較高,噪聲大。

2.4 液壓伺服控制系統(tǒng)的主要特點(diǎn)

(1)液壓伺服系統(tǒng)是一個(gè)位置跟隨系統(tǒng),系統(tǒng)的輸出量能自動(dòng)地、快速而準(zhǔn)確地復(fù)現(xiàn)輸入量。

(2)系統(tǒng)可以將輸入較小功率的輸入信號(hào)放大為輸出較大功率的信號(hào)。因此,作為功率放大裝置,由液壓能源供給功率放大所需的能量,供給能量的控制是根據(jù)伺服系統(tǒng)偏差大小自動(dòng)進(jìn)行的。

(3)液壓伺服系統(tǒng)正常工作必須設(shè)有反饋裝置,如果沒(méi)有反饋裝置,則輸出信號(hào)不能與輸入信號(hào)進(jìn)行比較,也就不能產(chǎn)生隨動(dòng)運(yùn)動(dòng)。

(4)液壓伺服系統(tǒng)設(shè)有誤差比較系統(tǒng),輸出與輸入信號(hào)通過(guò)該系統(tǒng)實(shí)時(shí)比較,隨著誤差的逐漸消除,系統(tǒng)隨之停止運(yùn)動(dòng),否則將一直運(yùn)動(dòng)下去。

根據(jù)以上所述,液壓伺服控制系統(tǒng)的工作原理就是通過(guò)反饋裝置得到偏差信號(hào),系統(tǒng)再利用偏差信號(hào)去控制液壓能源輸入到系統(tǒng)的能量,使系統(tǒng)向偏差小的方向變化,從而使系統(tǒng)實(shí)際輸出與希望值相符的流體動(dòng)力反饋控制。隨著科技的進(jìn)步,液壓伺服系統(tǒng)逐漸發(fā)展為以機(jī)電一體化為主流的伺服系統(tǒng),以及隨著計(jì)算機(jī)在液壓系統(tǒng)中的廣泛應(yīng)用,使液壓伺服系統(tǒng)的應(yīng)用前景更加廣闊。

3 液壓伺服控制系統(tǒng)在采煤機(jī)牽引部的應(yīng)用

為使采煤機(jī)在額定功率條件下,安全、高效地進(jìn)行截割,現(xiàn)在大部分采煤機(jī)牽引部采用了壓力反饋的液壓控制和速度反饋的電功控制的液壓控制系統(tǒng),根據(jù)外負(fù)載的變化,自動(dòng)調(diào)整牽引速度。但如何根據(jù)采煤機(jī)的工況,調(diào)節(jié)其液壓控制系統(tǒng),使采煤機(jī)在最佳狀態(tài)下工作,這一關(guān)鍵問(wèn)題并未很好地解決,以下就該問(wèn)題提出一些看法和方法。

采煤機(jī)牽引部液壓傳動(dòng)系統(tǒng)不但能傳遞動(dòng)力,而且還進(jìn)行速度控制。系統(tǒng)通過(guò)牽引部電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)油泵排出壓力油,壓力油經(jīng)過(guò)控制油路的控制閥驅(qū)動(dòng)馬達(dá),油馬達(dá)再經(jīng)減速齒輪系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)牽引鏈輪。實(shí)現(xiàn)牽引的換向和牽引速度的調(diào)整,必須通過(guò)改變油泵的排油方向和排油量大小改變油馬達(dá)的旋轉(zhuǎn)方向和轉(zhuǎn)速。在液壓系統(tǒng)中必須安裝安全閥和溢流閥,以防止?fàn)恳^(guò)載,起到保護(hù)系統(tǒng)的目的。

由于要求調(diào)速伺服系統(tǒng)在采煤機(jī)截割情況下實(shí)現(xiàn)其牽引速度自動(dòng)調(diào)整的目的,所以在設(shè)計(jì)液壓牽引部自動(dòng)調(diào)速伺服系統(tǒng)及選用元件時(shí),必須首先考慮和分析伺服系統(tǒng)在載荷不斷變化作用下的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性和可靠性。為了充分發(fā)揮采煤機(jī)的效率和功能,有效地避免機(jī)器過(guò)載,使采煤機(jī)始終處于最佳工作狀態(tài),凡是液壓牽引的采煤機(jī)全部設(shè)計(jì)安裝各種不同的自動(dòng)調(diào)速伺服系統(tǒng),這些系統(tǒng)根據(jù)整機(jī)或牽引部負(fù)載的變化,自動(dòng)地調(diào)節(jié)采煤機(jī)的牽引速度,使采煤機(jī)經(jīng)常處在額定工況下工作,有效提高采煤機(jī)的工作效率和穩(wěn)定性。

工作原理：當(dāng)采煤機(jī)處于要截割狀態(tài)時(shí),換向閥處于相應(yīng)工作位置,液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)動(dòng)并通過(guò)減速裝置帶動(dòng)傳動(dòng)輪與銷軌不斷嚙合,從而達(dá)到牽引采煤機(jī)的目的,如果采煤機(jī)的牽引力發(fā)生變化,則液壓系統(tǒng)主油路的工作壓力將隨之發(fā)生變化,這樣就必然破壞伺服滑閥的平衡狀態(tài)而使其閥芯運(yùn)動(dòng),隨之引起伺服液壓缸的活塞動(dòng)作以改變變量泵的擺角,造成變量泵輸出的油液量改變,因而導(dǎo)致液壓馬達(dá)的輸出轉(zhuǎn)速改變,并且通過(guò)一系列齒輪傳動(dòng)改變了傳動(dòng)輪的輸出轉(zhuǎn)速,也就是改變了采煤機(jī)的牽引速度。綜上所述,只要作用在傳動(dòng)輪上的負(fù)載有變化,就將引起泵的變量機(jī)構(gòu)動(dòng)作,從而引起牽引速度變化,達(dá)到液壓恒功率調(diào)速控制的目的。

整個(gè)系統(tǒng)中,影響其穩(wěn)定性最大的環(huán)節(jié)是泵控馬達(dá)系統(tǒng),當(dāng)選擇了合適的阻尼孔直徑 (d＜2mm),系統(tǒng)將更加穩(wěn)定可靠;由于在系統(tǒng)中采用恒功率變量泵,該泵使用先導(dǎo)控制,并設(shè)置了適當(dāng)?shù)淖枘峥?因而具有良好的靜態(tài)特性和動(dòng)態(tài)品質(zhì)。

4 結(jié)束語(yǔ)

隨著科學(xué)技術(shù)不斷發(fā)展,液壓技術(shù)在煤礦生產(chǎn)裝備中的作用越來(lái)越重要,掌握液壓控制技術(shù)已成為實(shí)現(xiàn)煤礦開采機(jī)械自動(dòng)化的重要環(huán)節(jié)。通過(guò)研究液壓伺服控制原理及液壓傳動(dòng)的優(yōu)缺點(diǎn),不斷改革液壓傳動(dòng)系統(tǒng),并結(jié)合采煤機(jī)牽引部的特點(diǎn),把液壓伺服控制系統(tǒng)有效地應(yīng)用到采煤機(jī)牽引部中,逐步提升采煤機(jī)的性能及工作效率,使液壓傳動(dòng)技術(shù)更好地服務(wù)于高速發(fā)展的煤礦生產(chǎn)機(jī)械自動(dòng)化。

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[責(zé)任編輯：王興庫(kù) ]

TD421.6 9

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1006-6225(2011)02-0080-03

2010-11-15

楊國(guó)銳 (1976-),男,山東新泰人,工程師,主要從事礦山機(jī)電設(shè)備維修方面的研究。