安四元

(中國(guó)煤炭科工集團(tuán)太原研究院，山西 太原 030006)

引言

隨著技術(shù)的發(fā)展，履帶車(chē)輛在煤礦井下的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，典型的履帶式車(chē)輛有履帶式掘進(jìn)機(jī)、錨桿機(jī)和連續(xù)采煤機(jī)等。作為一種特殊的煤礦井下作業(yè)設(shè)備，由于自身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，履帶式車(chē)輛具有接地面積大、比壓小、附著能力好和爬坡能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，然而由于煤礦井惡劣工況條件，以及受煤礦井下路況的限制，直線同步性成為了井下履帶車(chē)輛的關(guān)鍵問(wèn)題，履帶式車(chē)輛在井下直線行走時(shí)，不斷受到各種內(nèi)外因素的干擾，如煤礦井下路況變化、車(chē)輛內(nèi)部系統(tǒng)參數(shù)擾動(dòng)等。為了保證車(chē)輛的直行精度，需要不斷地根據(jù)干擾條件對(duì)車(chē)輛行駛狀態(tài)進(jìn)行修正。隨著煤礦井下設(shè)備對(duì)智能化要求的不斷提高，研究煤礦井下履帶車(chē)輛電液同步系統(tǒng)對(duì)于使井下履帶車(chē)輛實(shí)現(xiàn)智能化、提高直線行走精度、設(shè)備安全性與可靠性具有重要意義。同時(shí)該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)也為后續(xù)雙履帶設(shè)備電液行走系統(tǒng)設(shè)計(jì)積累經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，為高效快速掘進(jìn)系統(tǒng)向無(wú)人化、智能化發(fā)展提供技術(shù)支撐[1-4]。

1 履帶車(chē)行走系統(tǒng)

1.1 電液行走系統(tǒng)原理

如圖1所示，液壓柱塞泵1在防爆電機(jī)啟動(dòng)后，高壓油一路到達(dá)行走控制手柄6，控制二聯(lián)閥5換向，進(jìn)而控制行走液壓馬達(dá)4正反轉(zhuǎn)；另一路高壓油先到達(dá)二聯(lián)閥5，每一聯(lián)閥各控制左右兩側(cè)2個(gè)行走馬達(dá)，每一聯(lián)閥先到達(dá)兩側(cè)功能閥組3，再到兩側(cè)液壓馬達(dá)4，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)液壓馬達(dá)旋轉(zhuǎn)。液壓馬達(dá)為軸伸式馬達(dá)，通過(guò)法蘭與減速器8連接，減速器8內(nèi)部帶有制動(dòng)器，當(dāng)車(chē)輛開(kāi)始行走時(shí)，二聯(lián)閥中高壓油到達(dá)功能閥組3的A，B口，然后通過(guò)功能閥組3的B，R口輸出到減速器，進(jìn)而解除制動(dòng)，馬達(dá)開(kāi)始旋轉(zhuǎn)。

1.液壓柱塞泵 2.防爆電機(jī) 3.功能閥組 4.液壓馬達(dá) 5.二聯(lián)閥 6.行走控制手柄 7.高低速切換閥 8.減速器 9.測(cè)速裝置

1.2 負(fù)載特性

以某型履帶設(shè)備行走液壓系統(tǒng)為例，先介紹其平路上負(fù)載特性，現(xiàn)將驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)主要技術(shù)參數(shù)由表1列出。

表1 履帶車(chē)輛行走驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)主要技術(shù)參數(shù)

井下履帶式車(chē)輛行走液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)比例閥控液壓馬達(dá)的開(kāi)式回路，液壓泵輸出的流量經(jīng)過(guò)比例閥驅(qū)動(dòng)馬達(dá)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，經(jīng)由減速器變矩后，驅(qū)動(dòng)履帶鏈輪行走。履帶車(chē)輛行駛過(guò)程中所受的阻力有滾動(dòng)摩擦阻力、加速阻力和爬坡時(shí)的坡道阻力，行走液壓系統(tǒng)利用馬達(dá)提供的牽引力克服這些阻力后，為履帶車(chē)提供行駛驅(qū)動(dòng)力[5-8]。

履帶車(chē)行駛時(shí)的受力方程為：

Ft=Ff+Fp+Fm

(1)

式中，F(xiàn)t,Ff,Fp,Fm分別為履帶車(chē)驅(qū)動(dòng)力、行駛摩擦阻力、坡道阻力和加速阻力，N。

履帶設(shè)備車(chē)車(chē)負(fù)載特性即為馬達(dá)的轉(zhuǎn)矩特性和馬達(dá)的轉(zhuǎn)速特性。

馬達(dá)的轉(zhuǎn)矩特性可以表示為：

(2)

式中，Mm—— 馬達(dá)輸出轉(zhuǎn)矩，N·m

rd—— 履帶鏈輪承載半徑，m

n—— 驅(qū)動(dòng)馬達(dá)數(shù)量

id—— 減速機(jī)傳動(dòng)比

Δpm—— 馬達(dá)進(jìn)出口壓差，bar

qm—— 馬達(dá)的排量，m3/r

ηmm—— 減速機(jī)機(jī)械效率

馬達(dá)的轉(zhuǎn)速特性可以表示為：

(3)

式中，Nm—— 馬達(dá)轉(zhuǎn)速，r/min

Qam—— 馬達(dá)流量，m3/min

ηvm—— 馬達(dá)的容積效率

Qap—— 比例閥輸入馬達(dá)的流量，m3/min

qp—— 泵的排量，m3/r

np—— 電機(jī)的轉(zhuǎn)速，r/min

ηvp—— 閥的容積效率

2 電液行走系統(tǒng)同步特性研究

2.1 電液行走系統(tǒng)同步原理

根據(jù)上述履帶車(chē)輛行走液壓系統(tǒng)原理與負(fù)載特性可以得出，要保持履帶車(chē)輛行走直線速度同步特性，就是在滿足車(chē)輛負(fù)載特性基礎(chǔ)上，控制左右兩側(cè)履帶馬達(dá)轉(zhuǎn)速特性，即滿足左右兩側(cè)控制閥輸出流量的對(duì)等原則，由于受到各種煤礦井下路況變化及內(nèi)部系統(tǒng)參數(shù)擾動(dòng)等，光靠控制左右兩側(cè)閥的流量很難滿足左右兩側(cè)履帶同步。針對(duì)履帶車(chē)輛在井下使用工況，提出以下控制策略：如圖2所示，以左側(cè)輪組為參考，通過(guò)左側(cè)減速器測(cè)速裝置檢測(cè)出左側(cè)履帶行走速度，同時(shí)通過(guò)右側(cè)減速器測(cè)速裝置檢測(cè)出右側(cè)履帶行走速度，通過(guò)與左側(cè)履帶行走速度比較得出兩者速度差，根據(jù)速度差選擇PID控制算法調(diào)整右側(cè)馬達(dá)對(duì)應(yīng)二聯(lián)閥開(kāi)口流量。

圖2 煤礦井下履帶車(chē)輛電液行走同步控制原理圖

PID控制原理如圖3所示，以左側(cè)履帶行走速度為給定目標(biāo)值，被控對(duì)象為右側(cè)履帶行走閥，被控量為右側(cè)行走閥開(kāi)口度，通過(guò)比例、積分和微分控制算法，選擇增量式PID控制算法，進(jìn)而保證了左右兩側(cè)速度同步特性，降低了左右兩側(cè)速度差，保證了整機(jī)行走直線度。

圖3 PID控制器原理圖

式中，T—— 采樣周期

k—— 采樣序號(hào)，k=0,1,2…

u(k)—— 第k次采樣時(shí)刻的計(jì)算機(jī)輸出值

e(k)—— 第k次采樣時(shí)刻輸入的偏差值

e(k-1)—— 第(k-1)次采樣時(shí)刻輸入的偏差值

KI—— 積分系數(shù)，KI=KPT/TI

KD—— 微分系數(shù)，KD=KPTD/T

KD[e(k-1)-e(k-2)]

Δu(k)=KP[e(k)-e(k-1)]+KIe(k)+

KD[e(k)-2e(k-1)+e(k-2)]=

KPΔe(k)+KIe(k)+KD[Δe(k)-Δe(k-1)]

(4)

式中，Δe(k)=e(k)-e(k-1)

根據(jù)上式(4)中得出的偏差，來(lái)調(diào)整右側(cè)履帶行走閥開(kāi)口度，進(jìn)而保證了左右兩側(cè)履帶行走速度同步特性。

2.2 輪邊測(cè)速裝置設(shè)計(jì)

由于煤礦井下履帶車(chē)輛工況復(fù)雜，不易測(cè)速，還需要做防爆結(jié)構(gòu)處理，將測(cè)速裝置9安裝在減速器上，測(cè)速裝置工作原理如圖4所示。測(cè)速裝置工作原理為：連接盤(pán)2與連接耳3通過(guò)焊接固定在一起，連接耳3通過(guò)減速器連接座4與減速器10固定，通過(guò)螺母8和墊圈9固定，連接盤(pán)2平均分布裝有24個(gè)磁鋼5，通過(guò)壓盤(pán)1固定磁鋼5，連接盤(pán)2和壓盤(pán)1之間通過(guò)螺釘6和墊圈7連接。當(dāng)減速器旋轉(zhuǎn)時(shí)，磁鋼隨著減速器一起轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)速傳感器通過(guò)感應(yīng)磁鋼的數(shù)量，測(cè)出每分鐘減速器旋轉(zhuǎn)角度，進(jìn)而測(cè)出減速器轉(zhuǎn)速。通過(guò)左右側(cè)履帶行走測(cè)速裝置檢測(cè)到左右兩側(cè)履帶行走速度，利用控制器內(nèi)部程序控制左右兩側(cè)履帶行走速度，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了左右兩側(cè)履帶速度同步特性。

1.壓盤(pán) 2.連接盤(pán) 3.連接耳 4.減速器連接座 5.磁鋼 6.螺釘 7、9.墊圈 8.螺母 10.減速器 11.轉(zhuǎn)速傳感器

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

將上述電液行走系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案應(yīng)用到煤礦井下某型履帶車(chē)輛行走系統(tǒng)中，通過(guò)檢測(cè)左右兩側(cè)馬達(dá)流量來(lái)測(cè)試系統(tǒng)行走同步特性，將測(cè)試儀測(cè)試系統(tǒng)中流量和壓力數(shù)據(jù)直接保存在測(cè)試儀中，然后通過(guò)數(shù)據(jù)線將測(cè)試結(jié)果傳送到電腦上，如圖5所示，通過(guò)觀測(cè)左右兩側(cè)馬達(dá)流量，可得到右側(cè)履帶馬達(dá)相比較左側(cè)履帶馬達(dá)跟隨同步性很好，比例閥存在很小的波動(dòng)是因?yàn)閺膱D5看不出由于隨內(nèi)外環(huán)境因素的變化而有微小的波動(dòng)。

圖5 左右履帶馬達(dá)試驗(yàn)測(cè)試圖

4 結(jié)論

本研究基于煤礦井下履帶車(chē)輛行走液壓系統(tǒng)的負(fù)載特性和工作原理進(jìn)行理論分析，針對(duì)煤礦井下惡劣工況，研究開(kāi)發(fā)了適用于煤礦井下履帶設(shè)備車(chē)輛的電液同步系統(tǒng)，并將該系統(tǒng)應(yīng)用到煤礦井下某型履帶車(chē)輛上，試驗(yàn)證明：

(1)該系統(tǒng)中測(cè)速裝置可適用于煤礦井下履帶車(chē)輛，可以實(shí)時(shí)精確測(cè)速；

(2)通過(guò)電子與液壓相結(jié)合的方法，采用PID控制方法實(shí)現(xiàn)了左右兩側(cè)履帶同步特性；

(3)該系統(tǒng)可以為煤礦井下履帶式車(chē)輛實(shí)現(xiàn)自動(dòng)行走提供可靠的行走方案。