液压伺服控制系统在采煤机上的应用

杨国锐,路 鑫

(山东立业机械装备有限公司,山东新泰 271200)

液压伺服控制系统在采煤机上的应用

杨国锐,路 鑫

(山东立业机械装备有限公司,山东新泰 271200)

为了更好地将液压伺服控制系统应用到煤矿开采设备上,逐步提升煤矿生产设备的开采能力,通过对液压伺服控制系统的工作原理及液压传动优缺点分析,针对目前煤矿开采的特殊环境,设计出一种数控液压伺服系统应用到煤矿采煤机牵引部,以此来代替了传统的采煤机牵引,提高采煤机的开机效率。基于对于液压伺服控制系统工作原理的研究,进一步探讨液压伺服控制系统在采煤机上的应用方式。

液压伺服;控制系统;工作原理;采煤机;牵引部

Application of Hydraulic Servo Control System in Coal Cutter

随着液压传动技术的不断完善和发展,液压传动已广泛地应用于我国的各行各业,尤其在煤炭行业,液压传动的应用已成为非常重要的环节,例如现在的综采液压支架、综掘机、采煤机等全部应用了液压传动技术。随着煤矿行业机电一体化进程的不断加快,生产装备的工作性能、反映速度和自动化程度的要求也越来越高,为了使液压控制技术更好地服务于煤矿生产,本文分析了液压传动的优缺点和液压伺服控制系统的优缺点,并进一步分析了液压伺服控制系统在采煤机牵引部上的应用。

1 液压传动的优缺点

液压传动是利用密闭系统中的压力液体实现能量传递和转换的传动。由动力源、执行元件、控制元件、辅助元件和工作液体 5部分组成。目前常见的有机械传动、气体传动、电力传动和液压传动,液压传动之所以能得到广泛的应用,是因为与其他传动相比,优势比较明显。

1.1 液压传动的优点

(1)液压传动可以比较方便地将电动机的旋转运动转换成液压缸的直线运动,并得到相应较大的液压缸的推力。而且液压元件的安装位置要求不是非常严格,可根据设备的实际情况选择合适的位置,便于实现远距离能量的传输及控制。

(2)质量轻、体积小。液压传动与机械、电力等传动方式相比,在输出同样功率的条件下,体积和质量可以减少很多。例如相同功率的电动机的体积是液压马达的 8～9倍。目前的发电机和电动机的单位功率的体积是液压泵和液压马达的 10倍。可借助阀或变量泵、变量马达实现大范围内无级调速,调速范围可达 1∶2000,并可在液压装置运行的过程中进行调速。

(3)传动平稳,负载变化时速度比较稳定。液压装置非常容易实现过载保护,不会因过载而造成主件损坏,使用安全可靠。借助于各种控制元件,较容易实现复杂的自动化工作循环,而且可以实现遥控。液体吸振能力较好,在液路中还可设置缓冲装置,使传动更加平稳,便于实现频繁换向。这也是采煤机牵引部采用液压传动的主要原因。

(4)液压传动的参数,如压力、速度、运动方向和位移量等控制简单,参数变化速度快,有利于控制自动化。

(5)由于采用液压油作为工作介质,使液压传动装置能自动润滑,因此,元件的使用寿命较长。由于液压元件易于实现系列化、标准化和通用化,因此,便于液压元件的设计和大批量生产,从而可提高生产率、提高产品质量、降低制作成本。

1.2 液压传动系统的主要缺点

(1)液压传动是以液压油或乳化液为工作介质,在相对运动表面间泄漏是不可避免的,同时油液几乎是不可压缩的,因此,不宜应用在传动比要求严格的场合。在使用过程中,一旦出现故障,需要对各部件进行拆卸才能实现检测排除故障,难度较大。而机电系统,可以方便的使用万用表和示波器等电子仪器来检查故障,维修也比较方便。

(2)液压传动对油或液的温度变化反映较敏感。温度变化时,油或液的黏度随温度的改变而改变,严重影响了传动系统的稳定性,因此,不宜在高温或低温的环境下工作。

(3)液压元件制造精度要求高。由于元件的技术要求较高且装配比较困难,因此,制造、维护保养较困难,费用较高,对于煤炭行业这种较差的工况环境,无疑是困难的。

(4)液压传动易于发热,损失功率,传动效率较低。

根据以上对液压传动优缺点的分析,优点还是主要的,随着机械制造工艺和维护水平的不断提高,液压传动技术将更广泛的应用到各个行业中。

2 液压伺服控制系统的特点

液压伺服系统又称跟踪系统,是液压传动技术领域中重要的分支,是根据液压传动的工作原理建立起来的一种自动控制系统,以其优良的动态性能广泛应用于各行各业。在这种系统中,执行元件能自动地、快速而准确地按照输入信号的变化规律而动作,同时,系统还有信号功率放大的作用,这种由液压元件组成的系统称为液压伺服控制系统。

2.1 伺服控制系统的结构组成

伺服控制系统一般由比较环节、控制器、执行环节、被控对象、检测环节 5部分组成。

(1)比较环节是将输入的指令信号与系统的反馈信号进行比较,从而获得输出与输入之间的偏差信号的环节。

(2)控制器通常是计算机或 PI D控制电路,其主要任务是对比较元件输出的偏差信号进行变换处理,以控制执行元件按要求动作。

(3)执行环节的作用是按控制信号的要求,将输入的各种形式的能量转化成机械能,驱动被控对象工作。

(4)被控对象是位移、速度、加速度、力、力矩等机械参数。

(5)检测环节是指能够对输出进行测量并转换成比较环节所需要的量纲的装置。

2.2 液压伺服系统的分类

(1)按控制信号可分为机液、电液和气液 3种伺服系统。

(2)按控制方式可分为阀控系统和变量泵控系统,其中阀控系统又分为转阀式、滑阀式、喷嘴挡板式和喷管式。

(3)按功用可分为实现方形的伺服系统、实现放大的伺服系统和实现同步的伺服系统。

(4)按所控制的物理量可分为速度控制系统、位置控制系统、力控制系统和其他控制系统。

2.3 液压伺服控制系统的优缺点

液压伺服系统分为机械液压、电液和气液 3种伺服系统。其指令信号分别为机械信号、电信号和气压信号。电液伺服系统特点是电气控制灵活;气液伺服系统的特点是比较适合防爆的环境或容易获得气压信号的地方。目前以高压液体作为动力源的液压伺服系统应用较为广泛,基于多年在工作中对液压控制技术的应用和研究,现对液压伺服系统优点和缺点进行总结。

液压伺服控制系统优点：同其他伺服系统相比较,液压伺服系统工作稳定;对指令信号反应快;稳态误差小;抗干扰性能好;较容易通过液压缸实现大功率的直线伺服驱动,而且结构简单;功率 -重量比大;力矩惯量比大,一般回转式液压马达的力矩惯量比是同容量电动机的 10倍至 20倍。

液压伺服控制系统存在的缺点：使用不方便,维护困难;液压系统常出现泄漏;抗污染能力差,成本较高,噪声大。

2.4 液压伺服控制系统的主要特点

(1)液压伺服系统是一个位置跟随系统,系统的输出量能自动地、快速而准确地复现输入量。

(2)系统可以将输入较小功率的输入信号放大为输出较大功率的信号。因此,作为功率放大装置,由液压能源供给功率放大所需的能量,供给能量的控制是根据伺服系统偏差大小自动进行的。

(3)液压伺服系统正常工作必须设有反馈装置,如果没有反馈装置,则输出信号不能与输入信号进行比较,也就不能产生随动运动。

(4)液压伺服系统设有误差比较系统,输出与输入信号通过该系统实时比较,随着误差的逐渐消除,系统随之停止运动,否则将一直运动下去。

根据以上所述,液压伺服控制系统的工作原理就是通过反馈装置得到偏差信号,系统再利用偏差信号去控制液压能源输入到系统的能量,使系统向偏差小的方向变化,从而使系统实际输出与希望值相符的流体动力反馈控制。随着科技的进步,液压伺服系统逐渐发展为以机电一体化为主流的伺服系统,以及随着计算机在液压系统中的广泛应用,使液压伺服系统的应用前景更加广阔。

3 液压伺服控制系统在采煤机牵引部的应用

为使采煤机在额定功率条件下,安全、高效地进行截割,现在大部分采煤机牵引部采用了压力反馈的液压控制和速度反馈的电功控制的液压控制系统,根据外负载的变化,自动调整牵引速度。但如何根据采煤机的工况,调节其液压控制系统,使采煤机在最佳状态下工作,这一关键问题并未很好地解决,以下就该问题提出一些看法和方法。

采煤机牵引部液压传动系统不但能传递动力,而且还进行速度控制。系统通过牵引部电动机带动油泵排出压力油,压力油经过控制油路的控制阀驱动马达,油马达再经减速齿轮系统驱动牵引链轮。实现牵引的换向和牵引速度的调整,必须通过改变油泵的排油方向和排油量大小改变油马达的旋转方向和转速。在液压系统中必须安装安全阀和溢流阀,以防止牵引力过载,起到保护系统的目的。

由于要求调速伺服系统在采煤机截割情况下实现其牵引速度自动调整的目的,所以在设计液压牵引部自动调速伺服系统及选用元件时,必须首先考虑和分析伺服系统在载荷不断变化作用下的动态稳定性和可靠性。为了充分发挥采煤机的效率和功能,有效地避免机器过载,使采煤机始终处于最佳工作状态,凡是液压牵引的采煤机全部设计安装各种不同的自动调速伺服系统,这些系统根据整机或牵引部负载的变化,自动地调节采煤机的牵引速度,使采煤机经常处在额定工况下工作,有效提高采煤机的工作效率和稳定性。

工作原理：当采煤机处于要截割状态时,换向阀处于相应工作位置,液压马达转动并通过减速装置带动传动轮与销轨不断啮合,从而达到牵引采煤机的目的,如果采煤机的牵引力发生变化,则液压系统主油路的工作压力将随之发生变化,这样就必然破坏伺服滑阀的平衡状态而使其阀芯运动,随之引起伺服液压缸的活塞动作以改变变量泵的摆角,造成变量泵输出的油液量改变,因而导致液压马达的输出转速改变,并且通过一系列齿轮传动改变了传动轮的输出转速,也就是改变了采煤机的牵引速度。综上所述,只要作用在传动轮上的负载有变化,就将引起泵的变量机构动作,从而引起牵引速度变化,达到液压恒功率调速控制的目的。

整个系统中,影响其稳定性最大的环节是泵控马达系统,当选择了合适的阻尼孔直径 (d＜2mm),系统将更加稳定可靠;由于在系统中采用恒功率变量泵,该泵使用先导控制,并设置了适当的阻尼孔,因而具有良好的静态特性和动态品质。

4 结束语

随着科学技术不断发展,液压技术在煤矿生产装备中的作用越来越重要,掌握液压控制技术已成为实现煤矿开采机械自动化的重要环节。通过研究液压伺服控制原理及液压传动的优缺点,不断改革液压传动系统,并结合采煤机牵引部的特点,把液压伺服控制系统有效地应用到采煤机牵引部中,逐步提升采煤机的性能及工作效率,使液压传动技术更好地服务于高速发展的煤矿生产机械自动化。

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[责任编辑：王兴库 ]

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2010-11-15

杨国锐 (1976-),男,山东新泰人,工程师,主要从事矿山机电设备维修方面的研究。