CN115367653A - 一种兼顾闸瓦温度与磨损程度的矿井提升机制动控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种兼顾闸瓦温度与磨损程度的矿井提升机制动控制方法,首先根据闸瓦磨损量的程度不同划分磨损等级,然后按照磨损等级不同对制动总扭矩进行分配得到各个盘式制动器的期望制动力矩,最后依据闸瓦实时摩擦系数和分配后的制动力矩得到各个盘式制动器的期望制动力,采用压力闭环的方式实时调节三位四通比例换向阀的开口大小完成对期望制动力的跟踪控制,实现了矿井提升机制动系统的智能调控。本方法不仅避免了由盘式制动器闸瓦不均匀磨损造成的个别盘式制动器寿命下降问题,而且解决了制动过程中可能存在的因闸瓦温度升高使其摩擦系数降低进而造成制动力矩不足和制动性能下降等问题,从而极大地提升了矿机提升机的运行安全性。
Description
技术领域
本发明涉及矿井提升机技术领域,具体涉及一种兼顾闸瓦温度与磨损程度的矿井提升机制动控制方法。
背景技术
矿井提升机作为煤炭生产中负责提升材料和设备、升降人员等任务的关键设备,其安全可靠性不仅直接影响整个矿井的生产和经济效益,而且最重要的是关系到矿工的生命安全。随着矿井提升机对运力要求的不断提升,以及对安全性要求的提高,研究人员研发出一种多通道制动系统以提升矿井提升机制动过程中的安全性,该制动系统由n个独立的盘式制动器通道组成,每个制动通道由独立的三位四通比例换向阀控制,在制动命令发出后,控制器根据相同的减速指令信号和同一速度反馈信号实现提升机的恒减速制动。在这种方式下,每个盘式制动器会获得相同的制动力给定信号,然后由单独的三位四通比例换向阀调节回油腔压力完成制动力的跟踪控制。理论上在制动过程中,每个盘式制动器会保持相同的制动压力,但是由于液压管路布置差异,制动器安装误差,换向阀压力流量特性,盘式制动器响应特性差异等因素必然会导致盘式制动器作用于闸盘的制动力不一致的现象,进而导致闸瓦出现不均匀磨损的问题。因此,如果给每个盘式制动器相同的制动设定压力,往往会导致闸瓦磨损不一致的问题,出现单个或多个盘式制动器闸瓦磨损加剧的现象,致使其制动性能下降,使用寿命降低甚至出现制动器失效等问题。除此之外,在制动过程中闸瓦与闸盘发生摩擦使得闸瓦摩擦表面的温度升高,随着摩擦表面的温度升高,闸瓦的摩擦系数以近似线性的方式下降,如果采用恒定的摩擦系数进行制动力矩到制动正压力的转化,会导致最终作用于闸盘上的制动扭矩与期望值之间产生较大的偏差。
发明内容
本发明的目的在于提供一种兼顾闸瓦温度与磨损程度的矿井提升机制动控制方法,可以实现矿井提升机的协同制动控制,既保证了多个盘式制动器闸瓦的磨损一致性,且能够根据闸瓦的温度反馈实时调节闸瓦的摩擦系数,从而提高了矿井提升机运行安全性。
为实现上述目的,本发明的一种兼顾闸瓦温度与磨损程度的矿井提升机制动控制方法,基于矿井提升机控制系统,控制系统包括N个独立通道的盘式制动器,每个盘式制动器由单独的三位四通比例换向阀控制,在每个盘式制动器上安装有位移传感器、温度传感器和油压传感器,所述控制方法包括如下步骤,
步骤S1测量闸瓦磨损量,根据闸瓦磨损量的程度不同划分磨损等级;
步骤S2测量闸瓦的实时温度,利用闸瓦温度与摩擦系数关系式得到闸瓦实时摩擦系数;
步骤S3按照磨损等级不同,对制动总扭矩进行分配,得到各个盘式制动器的期望制动力矩;
步骤S4依据闸瓦实时摩擦系数和分配后的制动力矩,得到各个盘式制动器的期望制动力;
步骤S5利用油压传感器的反馈信号,采用压力闭环的方式实时调节三位四通比例换向阀的开口大小,完成对期望制动力的跟踪控制。
进一步地,在步骤S1中,通过检测闸瓦完全松闸时的位置和完全贴闸时的位置得到单个闸瓦的磨损量既而得到制动系统共n个盘式制动器的闸瓦总磨损量为盘式制动器平均磨损量为计算闸瓦平均磨损量εavg相对总磨损量εsum的百分比ηavg=εavg/εsum=1/n。
进一步地,在步骤S1中,根据单个闸瓦磨损量相对总磨损量的百分比ηi划分磨损等级,ηi<β1ηavg时为A级磨损;当β1ηavg≤ηi<β2ηavg为B级磨损;当ηi≥β2ηavg为C级磨损,闸瓦磨损程度等级划分系数β1取值范围为1.5-2.5,β2取值范围为4.5-5.5。
进一步地,在步骤S2中,利用公式μi=k(ti-ti0)+μi0得到ti温度下的闸瓦摩擦系数μi,k为比例系数,μi0为室温t0时的闸瓦摩擦系数。
进一步地,在步骤S4中,当盘式制动器闸瓦磨损等级为A级磨损时,制动扭矩选择线性比例分配,盘式制动器期望制动力为Fi,其值设定为
其中R为摩擦制动半径;利用盘式制动器分配制动力Fi、盘式制动器碟簧刚度K,液压缸有效作用面积s以及碟簧形变量xi,计算得到盘式制动器的回油腔压力pi,其计算公式为
判断是否存在回油腔压力pi小于零的情况,如果不存在,全部n个盘式制动器的回油腔压力分配值为pi;如果存在,说明盘式制动器达到最大制动能力,不能提供足够的制动力,即盘式制动器制动力饱和,检测回油腔压力pi小于零的数量m,对于m个回油腔压力小于零的盘式制动器,其回油腔压力分配值设定为pj=0,j=1,...,m;由于部分盘式制动器未能提供足够的制动力,进而导致总制动力矩不足,所以计算剩余所需制动力矩其中是盘式制动器回油腔压力pi=0时碟簧的形变量,对n-m个未达到制动力饱和的盘式制动器进行制动力矩Ts的再分配,其制动力设定值为
根据公式(2)和公式(3)计算得到n-m个未达到制动力饱和的盘式制动器的回油腔压力pk,其计算公式为:
进一步地,在步骤S4中,当盘式制动器闸瓦磨损等级为B级时,总制动扭矩T选择非线性指数分配,盘式制动器期望制动力为Fi,其值设定为
根据公式(2)和公式(5)计算得到盘式制动器的回油腔压力pi,其计算公式为
判断是否存在回油腔压力pi小于零的情况,如果不存在,全部n个盘式制动器的回油腔压力分配值为pi;如果存在,说明盘式制动器达到最大制动能力,不能提供足够的制动力,即盘式制动器制动力饱和,检测回油腔压力pi小于零的数量m,对于m个回油腔压力为零的盘式制动器,其回油腔压力分配值设定为pj=0,j=1,...,m;由于部分盘式制动器未能提供足够的制动力,进而导致总制动力矩不足,所以计算剩余所需制动力矩其中是盘式制动器回油腔压力pi=0时碟簧的形变量,对n-m个未达到制动力饱和的盘式制动器进行制动力矩Ts的再分配,其制动力分配值为Fk
根据公式(2)和公式(7)计算得到n-m个未达到制动力饱和的盘式制动器的回油腔压力pk,其计算公式为:
进一步地,当盘式制动器闸瓦磨损等级为C级时,此时的闸瓦磨损量较为严重,提升系统将进行停机检查,进行盘式制动器的检查,维修或者更换。
进一步地,在步骤S5中,完成盘式制动器回油腔压力pi或pj或pk后,以pi或pj或pk为压力参考值,安装于盘式制动器上的油压传感器所检测的油压为反馈信号,通过实时调节三位四通比例换向阀的开口大小,完成回油腔压力的闭环跟踪控制。
本发明的有益效果是:
(1)本发明通过检测盘式制动器闸瓦的位置信息进而获得每个盘式制动器闸瓦的磨损量,根据闸瓦磨损程度不同划分磨损等级,并根据磨损等级不同制定了总制动力矩动态分配策略,每个独立的盘式制动器依据闸瓦磨损等级不同获得相应的制动力矩分配,实现了基于闸瓦磨损量的矿井提升机多通道制动系统的制动力矩动态分配,克服了传统制动系统中存在的由供油管路长度、安装制造误差、盘式制动器性能差异等因素造成的盘式制动器闸瓦磨损不一致的现象,进而导致的个别盘式制动器闸瓦磨损过度造成制动力不足、制动性能下降、甚至制动失效等问题;
(2)通过检测盘式制动器闸瓦温度,利用闸瓦平均摩擦系数与摩擦表面温度近似线性关系表达式获得盘式制动器闸瓦的实时摩擦系数。在制动过程中,制动系统控制通过温度反馈动态调整闸瓦摩擦系数,因此能够保证作用于制动盘上的制动扭矩更贴近期望值,克服了以往制动控制中采用恒定的摩擦系数而忽略闸瓦温度变化引起摩擦系数变化的现象,最终导致制动扭矩不足的问题。
(3)通过检测盘式制动器回油腔压力,可以判断个别盘式制动器达到最大的制动力而未达到期望制动力矩的现象,将总制动力矩减去达到最大制动力的盘式制动器所完成的制动力矩,然后进行制动力矩再分配,避免了因为个别盘式制动器性能下降而导致整体制动系统制动性能下降的问题。
附图说明
图1为本发明的矿井提升机制动系统控制方法流程图;
图2为矿井提升机制动系统示意图;
图3为矿井提升机制动系统制动原理图;
图中,1-卷筒,2-制动盘,3-单向阀,4-三位四通比例换向阀,5-油压传感器,6-温度传感器,7-盘式制动器,8-位移传感器。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细说明。
一种兼顾闸瓦温度与磨损程度的矿井提升机制动控制方法,本控制方法基于矿井提升机制动系统,参考图2所示,制动系统包括八套独立的制动通道,每个制动通道包括一个液压单向阀3,一个三位四通比例换向阀4、一个油压传感器5,一个闸瓦温度传感器6、一个盘式制动器7,一个位移传感器8。八套制动通道布置于卷筒1上的制动盘2的两侧。每个盘式制动器7的回油腔通过液压管路与三位四通比例换向阀4,每组独立制动通道的三位四通比例换向阀4的进油口通过单向阀3与高压油源连接,三位四通比例换向阀4的回油口连接油箱,为防止换向阀零偏导致盘式制动器7误动作,本实施例选择的三位四通比例换向阀4阀芯中位为全遮盖结构。
参考图1所示,本实施例定义盘式制动器7贴闸方向为正向,在盘式制动器7安装调试完成后,并未投入制动工作使用前,记录闸瓦的初始厚度di0。利用位移传感器8分别测定盘式制动器在完全松闸和完全压紧状态时,闸瓦的初始位置信息和其中i表示第i个盘式制动器。利用安装在盘式制动器上的温度传感器6,测量室温ti0下的闸瓦摩擦系数μi0,根据相关文献介绍可知,随摩擦表面温度的上升,平均摩擦系数以近似线性的方式下降,利用闸瓦平均摩擦系数的变化与摩擦表面的温度近似线性关系公式,即:Δμi/Δti=k,通过实验方法,逐步增加闸瓦温度,测定不同温度下闸瓦对应的摩擦系数,进而得到比例系数k,最后利用公式μi=k(ti-ti0)+μi0得到ti温度下的闸瓦摩擦系数μi,其中Δμi表示闸瓦摩擦系数变化量,Δti表示闸瓦温度变化量。在制动工作中,利用安装在盘式制动器7上的位移传感器8检测盘式制动器7完全松闸时的位置和完全贴闸时的位置得到单个闸瓦的磨损量εi,其计算公式为制动系统共n个盘式制动器的闸瓦总磨损量为εsum,其计算公式为盘式制动器平均磨损量为εavg,其计算公式为计算闸瓦平均磨损量εavg相对总磨损量εsum的百分比ηavg,其计算公式为ηavg=εavg/εsum=1/n。计算单个闸瓦磨损量εi相对总磨损量εsum的百分比ηi,其计算公式为
根据单个闸瓦磨损量相对总磨损量的百分比ηi划分磨损等级,ηi<β1ηavg时为A级磨损;当β1ηavg≤ηi<β2ηavg为B级磨损;当ηi≥β2ηavg为C级磨损。闸瓦磨损程度等级划分系数β1取值范围为1.5-2.5,β2取值范围为4.5-5.5。
依据闸瓦磨损等级,通过温度传感器6检测闸瓦的温度ti得到闸瓦摩擦系数μi,对制动总扭矩T分配得到盘式制动器7的期望制动力。
当盘式制动器7闸瓦磨损等级为A级磨损时,制动扭矩选择线性比例分配,盘式制动器7期望制动力为Fi,其值设定为
其中R为摩擦制动半径。根据盘式制动器7的工作原理,利用得到的盘式制动器7分配制动力Fi、盘式制动器7碟簧刚度K,液压缸有效作用面积s以及碟簧形变量xi,计算得到盘式制动器7的回油腔压力pi,其计算公式为
判断是否存在回油腔压力pi小于零的情况,如果不存在全部n个盘式制动器7的回油腔压力分配值为pi;如果存在说明盘式制动器7达到最大制动能力,不能提供足够的制动力,即盘式制动器7制动力饱和,检测回油腔压力pi小于零的数量m,对于m个回油腔压力为零的盘式制动器7,其回油腔压力分配值设定为pj=0,j=1,...,m;由于部分盘式制动器7未能提供足够的制动力,进而导致总制动力矩不足,所以计算剩余所需制动力矩其中是盘式制动器回油腔压力pi=0时碟簧的形变量,对n-m个未达到制动力饱和的盘式制动器7进行制动力矩Ts的再分配,其制动力分配值为
根据公式(2)和公式(3)计算得到n-m个未达到制动力饱和的盘式制动器7的回油腔压力pk,其计算公式为:
当盘式制动器7闸瓦磨损等级为B级时,总制动扭矩T选择非线性指数分配,盘式制动器7期望制动力为Fi,其值设定为
根据公式(2)和公式(5)计算得到盘式制动器7的回油腔压力pi,其计算公式为
判断是否存在回油腔压力pi小于零的情况,如果不存在全部n个盘式制动器7的回油腔压力分配值为pi;如果存在说明盘式制动器7达到最大制动能力,不能提供足够的制动力,即盘式制动器7制动力饱和,检测回油腔压力pi小于零的数量m,对于m个回油腔压力为零的盘式制动器7,其回油腔压力分配值设定为pj=0,j=1,...,m;由于部分盘式制动器7未能提供足够的制动力,进而导致总制动力矩不足,所以计算剩余所需制动力矩其中是盘式制动器回油腔压力pi=0时碟簧的形变量,对n-m个未达到制动力饱和的盘式制动器7进行制动力矩Ts的再分配,其制动力分配值为Fk
根据公式(2)和公式(7)计算得到n-m个未达到制动力饱和的盘式制动器7的回油腔压力pk,其计算公式为:
当盘式制动器7闸瓦磨损等级为C级时,此时的闸瓦磨损量较为严重,提升系统将进行停机检查,进行盘式制动器7的检查,维修或者更换。
完成盘式制动器7回油腔压力pi(或pj和pk)设计计算后,以pi(或pj和pk)为压力参考值,,以安装于盘式制动器7上的油压传感器5所检测的油压为反馈信号,通过实时调节三位四通比例换向阀4的开口大小,完成回油腔压力的闭环跟踪控制。
完成制动任务,实现制动力的动态分配,当需要进行下次制动操作时,重复上述步骤。
矿井提升机多通道制动系统智能调控方法结构原理参考图3所示,制动控制器在设定矿井提升机制动参考信号下利用提升机的系统状态反馈计算得到总制动力矩T。然后通过位移传感器8和温度传感器6的信号反馈,根据盘式制动器的分配制动力矩Ti以及闸瓦实时摩擦系数μi,组合计算后得到盘式制动器7的期望制动压力,根据得到的期望制动压力Fi,利用回油腔压力计算公式得到盘式制动器7期望回油腔压力pi(或pj和pk)。最后利用三位四通比例换向阀4和油压传感器5完成盘式制动器7回油腔压力闭环控制,最终实现了矿井提升机多通道制动系统的协同控制。
上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明,但是本发明并不限于此,在所属技术领域的技术人员所具备的知识范围内,在不脱离本发明宗旨的前提下可以作出的各种变化,都处于本发明权利要求的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种兼顾闸瓦温度与磨损程度的矿井提升机制动控制方法,其特征在于,控制方法基于矿井提升机控制系统,控制系统包括N个独立通道的盘式制动器,每个盘式制动器由单独的三位四通比例换向阀控制,在每个盘式制动器上安装有位移传感器、温度传感器和油压传感器,所述控制方法包括如下步骤:
步骤S1测量闸瓦磨损量,根据闸瓦磨损量的程度不同划分磨损等级;
步骤S2测量闸瓦的实时温度,利用闸瓦温度与摩擦系数关系式得到闸瓦实时摩擦系数;
步骤S3按照磨损等级不同,对制动总扭矩进行分配,得到各个盘式制动器的期望制动力矩;
步骤S4依据闸瓦实时摩擦系数和分配后的制动力矩,得到各个盘式制动器的期望制动力;
步骤S5利用油压传感器的反馈信号,采用压力闭环的方式实时调节三位四通比例换向阀的开口大小,完成对期望制动力的跟踪控制。
5.根据权利要求4所述的一种兼顾闸瓦温度与磨损程度的矿井提升机制动控制方法,其特征在于,在步骤S1中,根据单个闸瓦磨损量相对总磨损量的百分比ηi划分磨损等级,ηi<β1ηavg时为A级磨损;当β1ηavg≤ηi<β2ηavg为B级磨损;当ηi≥β2ηavg为C级磨损,闸瓦磨损程度等级划分系数β1取值范围为1.5-2.5,β2取值范围为4.5-5.5。
6.根据权利要求5所述的一种兼顾闸瓦温度与磨损程度的矿井提升机制动控制方法,其特征在于,在步骤S2中,利用公式μi=k(ti-ti0)+μi0得到ti温度下的闸瓦摩擦系数μi,k为比例系数,μi0为室温t0时的闸瓦摩擦系数。
7.根据权利要求6所述的一种兼顾闸瓦温度与磨损程度的矿井提升机制动控制方法,其特征在于,在步骤S4中,当盘式制动器闸瓦磨损等级为A级磨损时,制动扭矩选择线性比例分配,盘式制动器期望制动力为Fi,其值设定为
其中R为摩擦制动半径;利用盘式制动器分配制动力Fi、盘式制动器碟簧刚度K,液压缸有效作用面积s以及碟簧形变量xi,计算得到盘式制动器的回油腔压力pi,其计算公式为
判断是否存在回油腔压力pi小于零的情况,如果不存在,全部n个盘式制动器的回油腔压力分配值为pi;如果存在,说明盘式制动器达到最大制动能力,不能提供足够的制动力,即盘式制动器制动力饱和,检测回油腔压力pi小于零的数量m,对于m个回油腔压力小于零的盘式制动器,其回油腔压力分配值设定为pj=0,j=1,...,m;由于部分盘式制动器未能提供足够的制动力,进而导致总制动力矩不足,所以计算剩余所需制动力矩其中是盘式制动器回油腔压力pi=0时碟簧的形变量,对n-m个未达到制动力饱和的盘式制动器进行制动力矩Ts的再分配,其制动力设定值为
根据公式(2)和公式(3)计算得到n-m个未达到制动力饱和的盘式制动器的回油腔压力pk,其计算公式为:
8.根据权利要求7所述的一种兼顾闸瓦温度与磨损程度的矿井提升机制动控制方法,其特征在于,在步骤S4中,当盘式制动器闸瓦磨损等级为B级时,总制动扭矩T选择非线性指数分配,盘式制动器期望制动力为Fi,其值设定为
根据公式(2)和公式(5)计算得到盘式制动器的回油腔压力pi,其计算公式为
判断是否存在回油腔压力pi小于零的情况,如果不存在,全部n个盘式制动器的回油腔压力分配值为pi;如果存在,说明盘式制动器达到最大制动能力,不能提供足够的制动力,即盘式制动器制动力饱和,检测回油腔压力pi小于零的数量m,对于m个回油腔压力为零的盘式制动器,其回油腔压力分配值设定为pj=0,j=1,...,m;由于部分盘式制动器未能提供足够的制动力,进而导致总制动力矩不足,所以计算剩余所需制动力矩其中是盘式制动器回油腔压力pi=0时碟簧的形变量,对n-m个未达到制动力饱和的盘式制动器进行制动力矩Ts的再分配,其制动力分配值为Fk
根据公式(2)和公式(7)计算得到n-m个未达到制动力饱和的盘式制动器的回油腔压力pk,其计算公式为:
9.根据权利要求8所述的一种兼顾闸瓦温度与磨损程度的矿井提升机制动控制方法,其特征在于,当盘式制动器闸瓦磨损等级为C级时,此时的闸瓦磨损量较为严重,提升系统将进行停机检查,进行盘式制动器的检查,维修或者更换。
10.根据权利要求9所述的一种兼顾闸瓦温度与磨损程度的矿井提升机制动控制方法,其特征在于,在步骤S5中,完成盘式制动器回油腔压力pi或pj或pk后,以pi或pj或pk为压力参考值,安装于盘式制动器上的油压传感器所检测的油压为反馈信号,通过实时调节三位四通比例换向阀的开口大小,完成回油腔压力的闭环跟踪控制。
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