CN105217504A - 一种矿用液压绞车电液比例控制系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种矿用液压绞车电液比例控制系统，其包括比例驱动系统和比例制动系统。驱动系统采用电液比例减压阀取代减压式先导阀，通过改变变量泵的排量以闭环控制马达转速，提高了系统的控制水平、调速精度和转速平稳性；在制动系统中，制动泵站为制动回路提供独立的油源，并采用比例溢流阀调节制动油压，使液压马达的制动力独立可调；采用双手柄控制，使驱动与制动独立控制，有助于增强驱动与制动的协同性，减少压力冲击。本发明适用于大惯量、调速精度要求较高的泵控马达容积调速系统，如矿用液压绞车等。
Description
技术领域
本发明涉及一种液压绞车的控制系统，尤其是矿用防爆液压绞车的电液比例控制系统。
背景技术
目前，液压绞车因其具有优越的防爆性能和良好的容积调速的特点，在煤矿中有广泛的应用，是高瓦斯矿井井下提升煤炭和矸石、升降物料、设备和人员的主要设备，其运行状态的优劣对煤矿安全生产以及高效运作产生重大影响。
图1是传统液压绞车的液压控制原理图。司机扳动操纵手柄232，调节减压式先导阀211的输出压力，以控制比例油缸212的活塞杆位移；比例油缸212的活塞杆推动伺服阀215的阀芯移动，因伺服阀215与差动油缸216组成机液位置伺服，差动油缸216的活塞杆跟随伺服阀215的阀芯而移动，进而调节变量泵218的排量大小，改变泵的流量，进而调节液压马达225的转速。液压马达225拖动卷筒226旋转，然后卷筒226通过钢丝绳227拖动负载228移动，最终实现了对负载的升降速度的控制。利用梭阀213将驱动与制动联系起来，梭阀213并联于比例油缸212的两个控制油口之间，并取其高压，驱动液控换向阀229换向，以控制盘闸224的开启和关闭。当操纵手柄232处于零位时，减压式先导阀211两路输出压力都为零，比例油缸212的活塞杆处于中位，变量泵218处于零排量，系统流量为零，液压马达225不转，同时液控换向阀229处于初始位，制动回油，盘闸224关闭制动；当操纵手柄232角度增大，比例油缸212的活塞杆处于偏离中位，变量泵218排量增大，减压式先导阀211的高压经梭阀213驱动液控换向阀229换向，使盘闸224开启松闸，液压马达225开始转动。电磁方向阀228用于断电制动。
目前，煤矿液压绞车的控制系统主要存在以下问题：
(1)开环控制，调速精度低。
液压绞车是依靠司机手动操作减压式先导阀211，改变变量泵218的排量，以控制液压马达225的转速，而该转速并没有被测量、反馈并参与控制，所以液压绞车的驱动系统属于典型的开环控制。但因液压系统自身所具有的非线性、参数慢时变特性以及变量泵218调节死区的影响，致使进入液压马达225的流量不稳定，导致液压马达225的调速精度低。
(2)手动控制，自动化水平低，平稳性差，安全性差。
在操作液压绞车时，司机需监视深度指示器，依靠手动操作减压式先导阀211，调节绞车速度。因手动操作具有随意性、不精确性和不可重复性，绞车速度受人为因素过多，自动化水平低，严重影响绞车的平稳运行，特别是在减速段和停车点，极易引起压力冲击和震荡，危及煤矿安全。
(3)驱动与制动协同性差，压力冲击严重，可靠性差。
因驱动系统采用泵控，制动系统采用阀控，而阀控速度快于泵控，且制动无法单独控制，导致驱动与制动协同性差，特别是当重负载工况时，极易引起常见的“坡起负载瞬时下滑”与停车时系统压力冲击现象，严重影响系统运行可靠性和液压元件寿命。
发明内容
发明目的：为了解决矿用液压绞车存在的自动化水平低、调速精度低、调速平稳性差以及驱动与制动协同性差的问题，提出一种矿用液压绞车电液比例控制系统。
技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种矿用液压绞车电液比例控制系统，包括电液比例驱动部分和电液比例制动部分；
其中，所述电液比例驱动部分包括依次连接的旋转编码器、控制器、放大器、电液比例减压阀、电磁换向阀，所述旋转编码器通过联轴器连接液压绞车的卷筒，所述电磁换向阀的输出端连接比例油缸的控制油口，所述电液比例减压阀的进油口连接驱动泵站；所述电液比例驱动部分还包括连接控制器的驱动手柄，所述驱动手柄为电位计型，并带有上位和下位两个开关，所述上位和下位开关分别与电磁换向阀左、右电磁铁串联；
所述电液比例制动部分包括制动泵站、液控换向阀、电磁换向阀、电液比例溢流阀，放大器、制动手柄；所述液控换向阀的进油口和电液比例溢流阀的溢流回油箱连接制动泵站的出油口，所述液控换向阀经电磁换向阀连接液压绞车的盘闸；所述制动手柄为电位计型，制动手柄的输出端经放大器连接电液比例溢流阀的控制端。
进一步的，当驱动手柄的上位或下位开关闭合时，所述旋转编码器的输出信号在控制器中与控制指令比较得到液压绞车的液压马达的转速误差值，所述转速误差值经放大器放大后传输到电液比例减压阀的控制端；所述控制指令包括启动、加速、匀速、减速、爬行、停车六个阶段。
进一步的，所述电液比例制动部分还包括连接所述盘闸的脚踏制动阀。
进一步的，还包括减压式先导阀、梭阀以及若干截止阀，减压式先导阀的进油口经一个截止阀连接到驱动泵站，减压式先导阀的两个控制油口分别通过一个截止阀连接比例油缸的两个控制油口，并在所述电磁换向阀和比例油缸的两个控制油口之间也分别设置截止阀，所述梭阀并联在减压式先导阀的两个控制油口之间，所述梭阀的信号输出端连接液控换向阀的换向控制口。有益效果：(1)利用高性能的电液比例减压阀取代手动减压式先导阀，使变量泵的排量线性度更好，流量调节更准确，有利于实现系统的低速稳定性。
(2)驱动系统采用自动控制，将液压马达的转速并反馈，实现了转速的闭环控制，提高了系统的调节精度，自动化控制水平，且控制信号来自于控制器，避免了人为因素的影响，改善了转速调节的平稳性。
(3)制动系统采用单独油源，并采用电液比例溢流阀取代普通溢流阀，使盘闸的制动力独立可调，增强驱动与制动协同性，基本上避免了“坡起负载瞬时下滑”与停车时系统压力冲击现象，提高了系统的可靠性。
(4)该电液控制系统是在原系统的基础上实现的，物尽所用，改造成本小，周期短。
附图说明
图1是传统矿用液压系统原理图；
图2是本发明矿用液压绞车电液比例控制系统原理图；
图3是控制指令曲线；
图4是电液比例减压阀的控制特性曲线；
图5是电液比例溢流阀的控制特性曲线；
图中，101-电液比例减压阀，102-电磁换向阀，103-截止阀，104-放大器，105-粗滤油器，106-截止阀，107-制动泵，108-制动电机，109-精滤油器，110-电液比例溢流阀，111-放大器，112-控制器，113-制动手柄，114-驱动手柄，115-旋转编码器，116-联轴器，201-油箱，202-粗滤油器，203-截止阀，204-双联叶片泵，205-辅电机，206-精滤油器，207-溢流阀，208-精滤油器，209-减压阀，210-溢流阀，211-减压式先导阀，212-比例油缸，213-梭阀，214-减压阀，215-伺服阀，216-差动油缸，217-主电机，218-变量泵，219-单向阀组，220-安全阀，221-单向阀组，222-背压阀，223-热交换阀，224-盘闸，225-液压马达，226-卷筒，227-钢丝绳，228-负载，229-液控换向阀，230-电磁换向阀，231-脚踏制动阀，232-操纵手柄。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
如图2所示，一种明矿用液压绞车电液比例控制系统，包括电液比例驱动部分和电液比例制动部分。
电液比例驱动部分包括驱动泵站、旋转编码器115、控制器112、放大器104、电液比例减压阀101、电磁换向阀102、驱动手柄114。其中，驱动泵站包括油箱201，粗滤油器202，截止阀203，双联叶片泵204，辅电机205，精滤油器206和208，溢流阀207和210、减压阀209和214。粗滤油器202的入油端连接箱201，其出油端通过截止阀203连接双联叶片泵204的入油口，辅电机205用于驱动双联叶片泵204，双联叶片泵204的小流量泵经精滤油器208连接减压阀209的入油口。
旋转编码器115通过联轴器116与液压绞车的卷筒226轴相连，旋转编码器115的输出端连接到控制器112的一个输入端。驱动手柄114为电位计型，其输出信号为0-10V电压信号，并带有上位和下位两个开关；驱动手柄114的输出端接控制器112的另一个输入端。控制器112的输出端经放大器104接到电液比例减压阀101的控制端。驱动泵站中的减压阀209的出油口分两路，一路经截止阀103.5连接比例减压阀101的进油口。液比例减压阀101经电磁换向阀102连接到比例油缸212，具体为，截止阀103.1和103.3分别串接在电磁换向阀102的两个出油口与比例油缸212的两腔之间。驱动手柄114的上位和下位两个开关分别与电磁换向阀102的左、右电磁铁串联。
电液比例驱动部分还包括减压式先导阀211以及若干截止阀。减压式先导阀211的进油口经截止阀103.6连接到减压阀209的出油口的另一路，减压式先导阀211的两个控制油口分别通过截止阀103.2、103.4连接到比例油缸212的两腔。
比例油缸212的活塞杆与伺服阀215的阀芯固连；伺服阀215进油口接减压阀214的出油口，精滤油器208连接在伺服阀215的入油口和双联叶片泵204中小流量泵的出油口之间，同时伺服阀215的阀芯与差动油缸216的活塞杆固连，形成机械反馈。主电机217通过联轴器驱动变量泵218；变量泵218的进、出油口与液压马达225的进、出油口通过液压管路相连，变量泵218能够从液压马达225的低压侧吸油，并向液压马达225的高压侧排油，液压马达225带动卷筒226旋转，卷筒226缠绕钢丝绳227拖动负载228运动。单向阀组221的进油口分别接变压泵218到液压马达225之间的主回路的高压侧和低压侧，单向阀组221的出油口接安全阀220并溢流回油箱201。单向阀组221用于取高压侧压力，安全阀220用于限定最高工作压力，一般调定为20-25MPa。减压阀209和214的作用是向电液比例驱动部分的变量控制机构提供稳定的低压，减压阀209的调定压力为4-4.5MPa，减压阀214的调定压力为3-3.5MPa。
电磁换向阀102的作用是实现变量泵218的双向变量，以改变液压马达225的旋转方向，实现负载228的提升和下放。当驱动手柄114处于中位时，驱动手柄114的两个开关都断开，电磁换向阀102失电而处于中位，变量泵218处于零排量，液压马达225停止，负载228停止；当驱动手柄114向前推时并使得上位开关闭合，电磁换向阀102左电磁铁得电而处于左位，液压马达225正转，负载228提升；当驱动手柄114向后推时并使得下位开关闭合，电磁换向阀102右电磁铁得电而处于右位，液压马达225反转，负载228下放。
明矿用液压绞车电液比例控制系统还包括补油及热交换回路，补油及热交换回路包括单向阀组219、背压阀222、热交换阀223。单向阀组219并联于主回路的高压侧和低压侧，用于向低压侧补油，以补充系统泄漏。热交换阀223并联于主回路的高压侧和低压侧，高压侧压力油使其换向，使低压侧的热油经背压阀222溢流回油箱201，从而实现热交换。背压阀222用于调定溢流压力，并比补油压力低0.2-0.3MPa。单向阀组219的入油端经精滤油器206连接到双联叶片泵204中大流量泵的出油端。溢流阀207连接在精滤油器206的输出端。溢流阀207和210的作用分别是调定双联叶片泵204中大流量泵和小流量泵的供油压力，溢流阀210的调定压力为5-5.5MPa，该压力也是电液比例制动部分的制动回路的供油压力；溢流阀207调定压力为1-1.2MPa，该压力是补油及热交换回路的补油压力。
电液比例驱动有两种工作模式：自动模式和手动模式，一般情况下系统工作于自动模式，而手动模式用于系统调试与维修。
在自动控制模式下，电液比例驱动处于闭环控制，控制指令来自于控制器112，如图3所示，控制指令为梯形信号，其一个工作循环包括启动、加速、匀速、减速、爬行、停车六个阶段。在自动控制模式下驱动手柄114仅起开关作用，现以提升为例，具体说明：控制截止阀103.1、103.3、103.5打开，截止阀103.2、103.4、103.6关闭；将驱动手柄114扳动最大角度，使得上位开关闭合，电磁换向阀102左电磁铁得电，使该阀处于左位，旋转编码器115测量卷筒226的转速，并反馈到控制器112，反馈信号与指令信号比较，得到转速误差信号；该误差信号经放大器104输出电流信号到比例减压阀101，以调节该阀的出口压力，从而控制比例油缸212的一腔压力，其另一腔则通过电磁换向阀102回油箱，比例减压阀101的压力与比例油缸212的弹簧力平衡，推动比例油缸212的活塞杆移动，进而改变伺服阀215阀芯的位移。因伺服阀215与差动油缸216组成机液位置伺服，差动油缸216的活塞杆将跟随伺服阀215的阀芯而移动，进而调节变量泵218斜盘倾角，即改变变量泵218的排量，以调节泵出口的流量，变量泵218在主电机217的带动下，通过改变排量控制液压马达225的转速，最终使液压马达根据梯形控制指令完成一个工作循环的调速过程。绞车下放时，将驱动手柄114向后推到最大，使得下位开关闭合，电磁换向阀102右电磁铁得电，从而控制负载228下降的工作过程与与提升过程相似。
在手动模式下，电液比例驱处于开环控制，控制器112不参与控制仅起联通作用，控制指令来自于驱动手柄114。现以提升为例，具体说明调速过程：控制截止阀103.1、103.3、103.5打开，截止阀103.2、103.4、103.6关闭；操纵驱动手柄114向前推一定角度，电磁换向阀102左电磁铁得电而处于左位，使液压马达225正转；同时驱动手柄114经控制器112向放大器104输入0-10V控制指令，以调节电液比例减压阀101的出口压力，控制变量泵218的排量，从而调节马达转速225的转速，且驱动手柄114扳动角度越大，液压马达225的转速越高。绞车226下放时，将驱动手柄114向后推，电磁换向阀102处于右位，其他情况与提升过程类似。
电液比例减压阀101选用直动式电液比例减压阀，最大控制压力为3.2MPa，对应控制电压为10V。如图4所示，该阀控制压力(A口压力)与控制电压成正比，具有良好的控制特性，可提高泵的排量调节线性度，使系统调速更精确更平稳。
电液比例制动部分包括制动泵站、液控换向阀229、电磁换向阀230、电液比例溢流阀110，放大器111、制动手柄113。其中，制动泵站包括粗滤油器105、截止阀106、制动泵107、制动电机108、精滤油器109。制动电机108通过联轴器与制动泵107相连，制动泵107的进口通过截止阀106连接粗滤油器105，粗滤油器105连接油箱201。制动泵107的出口接精滤油器109的入油端，精滤油器109的出油端分两路，一路接电液比例溢流阀110的溢流回油箱，另一路接经截止阀103.7连接到液控换向阀229的进油口。同时，双联叶片泵204中小流量泵连接的精滤油器208的出油口还通过截止阀103.8也连接到液控换向阀229的进油口。液控换向阀229经电磁换向阀230连接液压绞车的盘闸224。溢流阀210连接在精滤油器208的输出端。制动手柄113为电位计型，制动手柄113的输出端经放大器111连接电液比例溢流阀110的控制端。
电液比例制动部分还包括梭阀213和脚踏制动阀231。梭阀213并联在比例油缸212的两腔之间，即受比例油缸212的两腔之间的压力控制，梭阀213的信号输出端连接液控换向阀229的换向控制口。脚踏制动阀231连接盘闸224，用于紧急制动。
电液比例制动中，盘闸224的工作原理是：盘闸224的制动力随其中液压油压力增大而减小，当液压油压力大于5MPa时，盘闸224完全打开，不制动；液压油回油箱，压力接近零值时，盘闸224完全关闭，制动力最大。制动过程如下：打开截止阀103.7，关闭截止阀103.8，制动电机108驱动制制动泵107旋转，经粗滤油器105从油箱201吸油，经精滤油器109向液控换向阀229供油，油液由经电磁换向阀230到盘闸224；操纵制动手柄113，向放大器111输入0-10V的电压信号，放大器111将电压信号转换为电流信号，调节制动泵107的出口压力，从而控制盘闸224内油液的压力，以控制盘闸224的“紧”与“松”，从而使液压马达225的制动力可调。
电液比例溢流阀110选用先导式电液比例溢流阀，最大溢流压力为8MPa，对应控制电压10V。如图5所示，该阀控制压力(P口压力)与控制电压成正比，具有良好的控制特性，可提高盘闸制动力的线性度，使制动更均匀。
本发明的明矿用液压绞车电液比例控制系统采用双手柄控制，驱动手柄114控制液压马达225转速，制动手柄113调节盘闸224的制动力，且二者相互独立，因此可以通过调节制动力的大小以及制动时间，来实现驱动与制动的协同控制。如重载启动时，操纵制动手柄113延迟并缓慢松闸，可防止“坡起负载瞬时下滑”现象，特别是重载下放时，通过制动手柄113调节制动力，使液压马达225带一定制动力运行，可防止下放时超速；停车时，操纵制动手柄113延迟并缓慢紧闸，可避免“停车时系统压力冲击”现象。
通过截止阀103.1-103.6可实现传统液压控制与本发明的电液比例控制的切换，提高了系统的保障性能。利用梭阀213将驱动与制动联系起来，同样也提高了系统的保障性能。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (4)
1.一种矿用液压绞车电液比例控制系统，其特征在于：包括电液比例驱动部分和电液比例制动部分；
其中，所述电液比例驱动部分包括依次连接的旋转编码器(115)、控制器(112)、放大器(104)、电液比例减压阀(101)、电磁换向阀(102)，所述旋转编码器(115)通过联轴器(116)连接液压绞车的卷筒(226)，所述电磁换向阀(102)的输出端连接比例油缸(212)的控制油口，所述电液比例减压阀(101)的进油口连接驱动泵站；所述电液比例驱动部分还包括连接控制器(112)的驱动手柄(114)，所述驱动手柄(114)为电位计型，并带有上位和下位两个开关，所述上位和下位开关分别与电磁换向阀(102)左、右电磁铁串联；
所述电液比例制动部分包括制动泵站、液控换向阀(229)、电磁换向阀(230)、电液比例溢流阀(110)，放大器(111)、制动手柄(113)；所述液控换向阀(229)的进油口和电液比例溢流阀(110)的溢流回油箱连接制动泵站的出油口，所述液控换向阀(229)经电磁换向阀(230)连接液压绞车的盘闸(224)；所述制动手柄(113)为电位计型，制动手柄(113)的输出端经放大器(111)连接电液比例溢流阀(110)的控制端。
2.根据权利要求1所述的矿用液压绞车电液比例控制系统，其特征在于：当驱动手柄(114)的上位或下位开关闭合时，所述旋转编码器(115)的输出信号在控制器(112)中与控制指令比较得到液压绞车的液压马达(224)的转速误差值，所述转速误差值经放大器放大后传输到电液比例减压阀(101)的控制端；所述控制指令包括启动、加速、匀速、减速、爬行、停车六个阶段。
3.根据权利要求1或2所述的矿用液压绞车电液比例控制系统，其特征在于：所述电液比例制动部分还包括连接所述盘闸(224)的脚踏制动阀(231)。
4.根据权利要求1或2所述的矿用液压绞车电液比例控制系统，其特征在于：还包括减压式先导阀(211)、梭阀(213)以及若干截止阀，减压式先导阀(211)的进油口经一个截止阀连接到驱动泵站，减压式先导阀(211)的两个控制油口分别通过一个截止阀连接比例油缸(212)的两个控制油口，并在所述电磁换向阀(102)和比例油缸(212)的两个控制油口之间也分别设置截止阀，所述梭阀(213)并联在减压式先导阀(211)的两个控制油口之间，所述梭阀(213)的信号输出端连接液控换向阀(229)的换向控制口。
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