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二次调节静液传动技术在矿井提升机中的应用 |
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作者：哈尔滨工业大学 姜继海 刘宇辉 |
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摘要：本文介绍了二次调节静液传动技术的原理和特点，对比分析了应用二次调节技术的矿井提升机和目前常用矿井提升机的节能特性，为二次调节技术在生产实际中的应用提供了参考。
关键词：二次调节 静液传动 矿井提升机 节能
1 引言
矿井提升机是矿井井上与井下以及井下之间的主要运输工具，是矿山运输的关键设备。它的能耗较大，耗电量一般占矿井总耗电量的30～40%。在能源日益紧张的今天，运用各种新技术、新方法研制出新型的节能系统，并应用于矿井提升机中，用来有效地节约能源，具有重要现实意义。
静液传动技术在矿井提升机中得到了广泛应用，如防爆液压绞车、制动闸等。应用于井下作业的防爆液压绞车，主要利用了静液传动功率密度大、体积小、液压元件易于防爆及控制调节方便等优点。但是，因其具有整机效率低、噪声大、发热量大等缺点，使其应用范围受到了限制。
基于能量回收与重新利用而提出的二次调节静液传动技术，是新发展起来的液压传动系统，它具有一系列独特的优点。二次调节静液传动系统能在四个象限内工作，可以回收与重新利用系统的制动动能和重物势能，在系统中二次元件能无损耗地从恒压网络中获取能量，提高了系统效率。同时，由于它是压力耦联系统，可以连接多个互不相关的负载，并可实现互不相关的控制规律。扩大了系统的工作区域，改善了系统的控制特性，它不但能明显地降低一次能耗，还能减少设备总投资。国外从70年代末开始着手研究，现已将它应用于造船工业、钢铁工业、大型试验台和车辆传动等领域。
2 二次调节静液传动系统的工作原理
在静液传动系统中，把机械能转化成液压能的元件(如液压泵)称为一次元件或初级元件；将液压能和机械能可以相互转换的元件(如液压马达/泵)称为二次元件或次级元件。二次调节静液传动技术是在恒压网络中对将液压能与机械能相互转换的二次元件所进行的调节。
图1所示是二次调节静液传动系统，二次元件的排量由变量油缸2进行控制，变量油缸2的流量通过电液伺服(比例)阀3控制。二次元件1转速的变化，可由与二次元件转轴相连的光电编码器(或其它测量元件)测出传送给控制器，控制器根据一定的控制方法而产生的控制信号传输给电液伺服(比例)阀3，而控制变量油缸2向左或向右移动，用来改变二次元件1的斜盘倾角，进而改变二次元件1的排量，使系统稳定地工作在某一工作状态。这个平衡状态可产生于任何的设定转速，通过改变电液伺服(比例)阀的控制信号，可以使二次元件的转速无级变化。
1.二次元件 2.变量油缸 3.电液(比例)伺服阀 4.恒压变量泵 5.蓄能器 6.安全阀
图1 二次调节静液传动系统原理图
二次调节静液传动系统中的二次元件对负载转矩或转速变化的反应，最终是通过改变它的排量来实现的。这种调节是在输出区的二次元件上进行的，调节功能通过二次元件自身的闭环反馈控制来实现，而不改变系统的工作压力。通过改变二次元件斜盘摆动方向(过零点)，二次元件能工作在四个象限内，既有“泵”工况，也有“马达”工况，从而提供了能量回收的可能性。当二次元件工作于泵工况时，向系统回馈能量。这里可以改变能量的形式或不改变能量的形式来存储能量，这部分能量既可由蓄能器储存，也可以立即提供给其它用户。
3 二次调节静液传动系统的特点
图1所示的二次调节静液传动系统具有以下特点：
(1)它是压力耦联系统，系统中的压力基本保持不变，二次元件直接与恒压油源相连，因此，在系统中没有原理性的节流损失，提高了系统效率。
(2)通过改变二次元件排量V2的大小可改变输出转矩M2大小，进而建立起与之相适应的转速n2；通过改变二次元件斜盘的摆动方向(过零点)来改变二次元件的旋转方向。二次元件可在四个象限内运行工作，它既可以工作在液压马达工况，也可以工作在液压泵工况，为能量的回收和再利用创造了条件。
(3)蓄能器回收的液压能可满足间歇性大功率的需要，在设备的启动过程中能利用蓄能器释放出的能量来加速启动过程，由此来提高系统的工作效率。
(4)二次元件的排量V2随外负载转矩M2变化而变化并能达到功率匹配。
(5)由于蓄能器的存在使系统中不会形成压力尖峰，可减少压力限制元件的发热，从而降低用于系统冷却的功率消耗。
(6)与电力系统相似，二次元件工作于恒压网络，在这个恒压网络中可以接多个互不相关的负载，并可实现互不相关的控制规律，而液压泵站只需按负载的平均功率之和进行设计安装。
(7)二次调节静液传动系统提供了新的控制规律和控制结构。可实现转速控制、位置控制、转矩控制和功率控制。
4 二次调节静液传动系统的节能特性
图2所示的矿井提升机上升与下降过程给定速度图中，OABC段和CDEF段分别代表矿井提升机提升及下降过程。矿井提升机在下降过程中，若能合理利用负载的重力势能，就能减少下降过程的能量消耗，甚至将重力势能转换为电能或其它形式的能量，从而实现能量的回收与重新利用。
图2 矿井提升机给定速度图
对于电动机施动的矿井提升机，若要进行重力势能的回收与重新利用，需利用电动机的可逆性，即通过电动机由电动机状态向发电机状态转换来实现。电动机作发电状态时需外界有原动机(对于矿井提升机是下降的负载)拖动转子及使转子以略超过其同步转速的转动速度运转，此时输入的机械功率变成电功率从定子输出，使电动机作发电机运行，向电网回馈能量。
一般矿井提升机在提升负载阶段不能进行能量回收，如图2所示的OABC段，系统仅从电网获取能量。在下放负载时，只能在加速或等速阶段(CDE段)形成负力矩时才能采用发电反馈制动，向电网回馈电能，而在减速阶段(EF段)不能采用发电制动。这是因为在减速阶段应使提升机从最大速度逐渐降低到零，这与矿井提升发电回馈能量时需要以超同步转速运转的要求相违背，这时的提升机需要采用其它制动方式来减速、停车。
应用了二次调节静液传动技术的矿井提升机，可以通过调节二次元件的斜盘倾角实现对制动动能和重力势能的回收。在提升货载速度曲线中的BC段，回收制动动能；在下放负载的全过程(CDEF段)回收重力势能。
应用二次调节静液传动技术的矿井提升机具有以下特点：
(1)拖动系统正反换向可通过调整二次元件的斜盘倾角(过零点)来实现，电动机在换向过程中不需停机，这样减小了电动机频繁起动对电网的冲击。
(2)回收的能量可直接供其它系统使用或由蓄能器储存供系统在提升加速需要大流量时使用，从而使系统设计功率可按平均功率取值，这样，既减少初期设备投资，又减少运行过程中的电能消耗。对于目前常用的矿井提升机虽然也能进行能量回收，但回收后的能量形式只能是电能，回收的能量对系统的设计功率没有影响，不能减少系统的设计功率。
(3)二次调节系统为压力耦联系统，可并联多个负载，此时系统功率按各个负载的平均功率之和进行设计，各自实现互不相关的控制规律，从而可对多负载系统采用集中的液压泵站，减少设备投资。现有液压绞车系统一般为由变量泵和定量马达组成的流量耦联系统，若接多个负载，系统功率需按各个负载的最大功率之和进行设计，运行过程中能耗大。
(4)二次调节系统直接从恒压网络中获取能量，无节流损失和溢流损失，使系统温升减小，噪声降低，节省冷却费用。
(5)对于矿井提升机来说，要保证其安全运行，必须使负载按给定速度曲线运行，并且应有良好的位置精度。二次调节系统可通过转速、位置和转矩等的复合控制实现上述要求，且控制参数少，易于实现。
5 结束语
通过以上分析可知，二次调节静液传动技术应用在矿井提升机中的能量的回收与重新利用比现有提升机具有明显的优越性，它可以减小主电机的设计功率，回收和重新利用系统的制动动能和重力势能，具有明显的节能效果。
(end)
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(6/13/2004) |
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