DO I :10.13532/j .cnki .cn11 -3677/td.2011.02.027 第 16卷 第 2期 (总第 99期) 2011年 4月 煤　矿　开　采 CoalminingTechnology Vo1.16No.2 (SeriesNo.99) April　 2011 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) [ 摘　要] 　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。 [ 关键词] 　液压伺服;控制系统;工作原理;采煤机;牵引部 [ 中图分类号] TD421.6 9　　 [ 文献 标识码] B　　 [ 文章编号] 1006-6225 (2011) 02-0080-03 ApplicationofHydraulicServoControlSystem inCoalCutter 　　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 [ 收稿日期 ] 2010-11 -15 [ 作者简介 ] 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 。 80 中国煤炭期刊网 www.chinacaj.net

杨国锐等:液压伺服控制系统在采煤机上的应用 2011年第 2期 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 PID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 81 中国煤炭期刊网 www.chinacaj.net

总第 99期 煤　矿　开　采 2011年第 2期 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。 [ 参考文献] [ 1] 蒋志勤 .MLS-3 -170 采煤 机牵引部 液压恒功 率调速 伺服系 统的数学模型及稳定性分析 [ J] .煤矿机械 , 1982 (06). [ 2] 王显正 , 等 .控制理论基础 [ M] .北 京 :国防工 业出版社 , 1980. [ 3] 秦 　亿 , 等 .现代交流伺服系统 [ M] .武汉 :华中理工大学 出版社 , 1999. [ 4] 许 　宏 , 赵王定 .PCM控制的液 体固定节 流体联控 伺服系统 的建模与仿真研究 [ J] .机床与液压 , 2000 (04). [ 5] 王宣银 , 朱世强 , 丁 　凡 .流 体调制技 术及其 在流体 伺服控 制中的应用 [ J] .机床与液压 , 2000 (04). [ 6] 刘庆和 , 等 .斜轴 式恒功率 变量泵控 制机构的 理论分 析及数 字仿真 [ J] .工程机械 , 1986 (3). [ 责任编辑 :王兴库 ] (上接 15页) [ 3] 齐庆新 , 窦林名 .冲击地压理论与技术 [ M] .徐州 :中国矿 业大学出版社 , 2008. [ 4] 石必明 , 俞启香 , 周世 宁 .保 护层开 采远距 离煤 岩破裂 变形 数值模拟 [ J] .中国矿业大学学报 , 2004, 33 (3) . [ 5] 石必明 , 刘 泽功 .保护 层 开采 上 覆煤 层变 形 特性 数 值模 拟 [ J] .煤炭学报 , 2008, 33 (1):17 -22. [ 6] 涂 　敏 , 缪协兴 , 黄乃 斌 .远 程下保 护层开 采被 保护煤 层变 形规律研究 [ J] .采矿与安全工程学报 , 2006, 23 (3). [ 7] 李明好 .下保护层开采卸压范围及卸压程度的研究 [ D] .淮 南 :安徽理工大学 , 2005. [ 8] 吴建亭 .开采保护层煤层的防 突作用效果 分析 [ J] .煤 炭科 学技术 , 2010, 38 (5):66 -69, 128. [ 9] 谢世勇 , 赵伏军 , 陈才贤 .开采 解放层 预防煤 与瓦斯 突出的 35 (4):22 -28. [ 10] 尚政杰 , 程远平 , 刘海波 , 等 .下保护层开采上 覆煤岩体变 断裂力学分析 [ J] .煤炭科学技术 , 2007, 化的数值模拟 [ J] .煤矿安全 , 2010 (3):5 -9. [ 11] 谢文兵 , 陈晓祥 , 郑百生 .采 矿工程问题数值 模拟研究与分 析 [ M] .徐州:中国矿业大学出版社 , 2005. [ 12] 秦子晗 , 潘俊锋 , 任 　勇 .薄 煤层作为保护层 开采的卸压机 理 [ J] .煤矿开采 , 2010, 15 (2):85-86, 106. [ 13] 胡国忠 , 王宏图 , 范晓刚 , 等 .急倾斜俯伪斜上 保护层保护 28 [ 责任编辑 :邹正立 ] 范围的三维数值模拟 [ J] .岩石力 学与工程 学报 , 2009, (S1):2845 -2852. 82 中国煤炭期刊网 www.chinacaj.net