矿井装载装置设计(液压与电控)

中国矿业大学2008届本科生毕业设计第1页1绪论1.1引言矿井提升装置是采矿业的重要设备，随着科学技术进步和矿井生产现代化要求的不断提高，人们对提升机工作特性的认识进一步深化，提升设备及拖动控制系统也逐步趋于完善，各种新技术、新工艺逐步应用于矿井提升设备中。特别是模拟技术、微电子技术、微电脑技术在提升机控制中的应用已成为必然的发展方向。矿井提升是矿山井下生产系统和地面工业广场相连接的枢纽，是矿山的运输的咽喉。因此提升设备在矿山生产的全过程中占有极其重要的地位。随着科学技术的发展及生产的机械化和集中化，目前，世界上经济比较发达的一些国家，提升机的运行速度已达20-25m/s，一次提升量达到50t，电机容量已超过10000KW，但其自动化程度不高，如果提升过程中出在故必然会造成停产，产生严重后果。装载机提升能力是衡量整机性能的一个重要参数，提升能力不足是指在生产中或新产品性能试验、设计验证时，发现装载机不能将规定重量的载荷举升到规定高度。提升能力不足将影响整机性能的发挥，降低工作效率。因此必须进行改进，提高提升能力改进设计时，应考虑改动的部分越少越好，这样可尽量不影响装载机的其它性能且减少了工作量。此外，矿井提升设备是一大型的综合机械——电气设备，其成本和耗电量比较高，所以在新矿井的设计和老矿井的改建设计中，必须要从新的角度来考滤。本设计结合机械——电气——液压系统，全自动化装载。1.2装卸载系统组成测元件主要是用于检测装置的运行状态。中国矿业大学2008届本科生毕业设计第2页图1-1矿井提升系统安装示意图1.2.1矿井提升设备中的装卸载设备目前国内矿井装卸载设备都是采用气压传动方式，虽然气压传动方式具有响应快、以空气作工作介质方便等优点，但更多得缺点使得气动式装卸载装置普遍存在工作能力低、可靠性差等问题，现场使用中，具体反映在以下几个方面：(1)使用集中气源，管路长，压力损失及泄漏量大；(2)压力低，气动执行元件(气缸)结构尺寸大，不易布置；(3)定位精度低，动作稳定性差，传动冲击大，使设备寿命降低；中国矿业大学2008届本科生毕业设计第3页(4)水份分离不净，冬季易产生管路冻结；(5)噪声污染大。装卸载装置是矿井运输环节得主要组成部分，随着矿井生产能力得不断提高,对矿井装卸载装置得工作能力和工作可靠性都提出了更高的要求，采用气压传动方式已远远不能满足其生产要求。因此采用新型的传动方式，以提高转载卸装置的工作能力和可靠性是当前矿山生产中急需解决的问题。高产、高效矿井对装卸载装置的工作能力和可靠性具体要求体现在以下几个方面：（1）装卸载量大、速度快，以满足高产、高效矿井生产要求。（2）装载闸门、箕斗箱和溜嘴应定位精确；（3）发生停电事故时，闸门、溜嘴应回到初始位置，以使箕斗通过。针对气动式卸载装置存在的问题，结合毕业实习，根据矿井提升机卸载系统原理，采用液压工作方式设计一矿井提升机卸载液压系统。从70年代开始，随着微机技术的发展，微机控制技术已逐步应用于矿井提升机中。目前，国外已达到相当成熟的阶段，使整个拖动控制产生一次大的变革。其应用主要体现在以下几方面：1）提升工艺过程微机控制在交流变频装置中，提升工艺大都采用微机控制。由于微机的功能强，使用灵活，运算速度快，监视显示易于实现，并具有诊断功能，这是采用模拟控制无法实现的。如AEG公司采用CP-80微机、ABB公司采用MWSTER-200和SIEMENS采用S5-150等微机实现的变频控制，都获得了相当的成功。它们控制、监视、基准值预测以及模拟控制等组合在公共的微机控制总线上，组成静止变流器的传动控制，计算机实现速度及多个变量的调节。2）提升行程的控制提升机的控制从本质上说是一个位置控制，要保证提升容器在约定的地点准确停车，要求准确度高。采用微机控制，可通过采集各种传感信号，如转角脉冲变换、钢丝绳打滑、井筒位置、滚筒及钢丝绳磨损等消耗进行处理，计算储容器准确地位置而施以控制和保护，在罐笼提升时可实现无爬行提升，大大提高了提升能力。如AEG、ABB、SIEMENS等公司已采用32位微机来构成行程给定控制器。一般过程控制用微机不同时用作监视，行程控制也采用单独微机完成，从而大大提高了系统的可靠性。3）提升过程监视由于近代提升机控制系统的设计特别强调安全可靠性，所以提升过程监视与安全回路一样，是现代提升机控制的主要环节，提升过程采用微机主要中国矿业大学2008届本科生毕业设计第4页完成如下参数的监视：提升过程中各工况参数监视；各主要设备运行监视；各传感器信号的监视。使各种故障在出现之前就得以处理，防止事故的发生，并对个监视参数进行储存、保留或打印输出。甚至与上位机联网，合并于矿井监视系统中。4）安全回路安全回路是指提升机在出现机械、电气故障时控制提升机进入安全护状态极为主要的环节。对不同故障一般采用不同的处理方法，大致分为一下几种情况：报警显示，如冷却器过高等；二次不能开车，如电机绕组过热、制动油过热等；立即进行电气制动，如停车终点设备出现故障时本次提升应尽快停下来；立即进行安全制动，如过卷、超速等。安全回路极为重要，它是保护的最后环节之一，英、德几家公司都采用两台PC微机构成安全回路，使安全回路具有完善的故障监视功能，无论是提升机还是安全回路本身出现故障时都准确实施安全制动。5）刹车特性的控制和监视刹车控制系统除姚保证可靠地完成制动和安全制动外，还要完成对液压站的控制以及各环节参数的监视，其技术要求与安全回路相似。如西门子公司采用两套可编程序控制器（PC）的双重控制与保护系统。6)全数字化系统高速控制德国AEG公司的Tyrak(16位机)系统都已应用于提升机上。全数字化系统具有硬件结构单一、参数稳定且调整方便，可方便地与上位机联网等优点。当然此类系统要求维护人员有更高的技术水平和计算机知识。（4）内装式提升机AEG公司生产的内装式提升机，将提升主电机与滚筒合为一体，转子固定，转动的定子充当滚筒，使机构大为简化，占地面积小，制造成本低。（5）直线电机驱动矿井提升机最近国外提出了一种用于立井提升机的“矿井运输系统”，为直线电机在矿井提升中的应用开拓了崭新的途径。基本原理是将具有绕组结构的直线电机初级绕组间隔地布置在提升罐道中，它既是提升支撑系统，又是动力源。绕组由配电站供电，产生沿井筒方向的平移磁场。由永久磁铁组成的次级处于双边初级的中间并已导向轮沿提升罐道滚动，提升容器通过吊挂装置与次级相连接。采用同步直线电机变频调速方式达到提升要求。这种系统的主要优点是：井筒深度不受限制；提升系统大为简化，提升设备极少；减少了占地空间，不需要井塔。但系统还存在制动系统的重大技术问题，目前国外尚无报道。中国矿业大学2008届本科生毕业设计第5页1.2.2矿井装卸载工艺过程矿井提升系统各设备的安装位置如图1所示。提升系统是周期性工作的，其工艺过程为，箕斗下放到装矿位，溜嘴油缸伸出，闸门油缸缩回打开闸门，矿石从计量斗通过闸门借助溜嘴进入箕斗，装满箕斗后，闸门油缸伸出关闭闸门，然后溜嘴油缸缩回。接近开关 1～4 用来控制闸门油缸和溜嘴油缸的伸缩位置。箕斗提升到达井口，由卸载油缸拉动箕斗，使箕斗旋转，到位后分配小车油缸伸出，箕斗打开卸料。卸料结束后，分配小车油缸缩回，之后卸载油缸伸出使箕斗归位以便进入下一个工作循环。接近开关5和 6用于控制分配小车油缸的位置，接近开关7和 8用于控制箕斗旋转时的定位。1.3装置组成矿井装卸载装置包括两部分：装载装置和卸载装置。本次主要研究装载装置液压系统，系统主要由执行元件（闸门油缸、溜嘴油缸），液压油源，控制阀组，系统工况监测元件（温度传感器、压力继电器、滤油器发讯装置和压力表）等组成。1.4工作过程装载装置在输送生产线上循环动作，一个工作周期内的工况顺序为：（1）箕斗箱下放，当接近开关检测斗箱到位后，溜嘴油缸伸出；（2）到位后，闸门油缸缩回打开闸门，打开料舱门使矿料从料舱通过闸门借助溜嘴进入箕斗箱；（3）由定量秤检测物料重量，满足要求后，油缸伸出关闭闸门，到位后，缩回溜嘴油缸，箕斗上提到井口卸载，接着箕斗下放，进入下一周期。1.5电控系统电控系统是整个装置的控制核心，负责装置与外部系统的通讯，控制油缸的动作并具有检测系统本身故障的功能。系统组成如图1-2所示。工作前由中控室发出准备信号，由控制器先控制泵站将蓄能器充液，达到压力后使泵泻荷，并发出装载装置准备完毕信号，当收到箕斗接近开关的中国矿业大学2008届本科生毕业设计第6页信号后，依次控制溜嘴油缸伸出，闸门油缸缩回，并发信号给料舱控制器下料，当称重传感器发出信号后，控制器首先发信号给料舱控制器停止下料，然后依次控制闸门油缸伸出、溜嘴油缸缩回，油缸到位后，控制油泵给蓄能器供液，达到压力后压力继电器动作使泵站卸荷等待下一周期。为了满足现场要求，当系统停电时要保证溜嘴油缸全部缩回、闸门油缸全部伸出。在电控系统中还采用了备用电瓶，并可检测电瓶电压。停电后，靠复位开关切换供电线路，由电瓶对电磁铁供电，使溜嘴和闸门归位，以保证整个系统的可靠性。行程开关、按钮、温度传感器、污染报警器、接近开关、称重传感器中控室、料舱控制器s7-200PLCTD200电磁阀图1-2电控系统框图1.5.1PLC在箕斗装卸自动控制中的应用主井箕斗装卸载设备自动控制式为实现煤矿主井提升自动化而设计的PLC微机控制设备，它既可实现主井箕斗装卸工艺过程的控制要求，又可模拟显示其工艺过程，以监视装卸设备的运行状态，同时进行故障诊断检测，以保证系统正常运行。PLC系统抗干扰能力强，工作稳定性可靠，通用性、灵活性强，能很方便的实现多种复杂的自动工作循环，使用简单，编程方便，中国矿业大学2008届本科生毕业设计第7页还可实现控制的可视化。其软件实现了模块化，硬件实现了积木化，便于改进，扩展和维修，其井下设备为防爆型，能适应煤矿的要求。1.5.2系统的功能(1)保证箕斗装卸载系统的设备按规定的程序运行，并根据状态的设备运行情况自动发出开、停提升机指令。(2)设备运行状态载井下集控的模拟屏上均有信号显示，可监视各设备的运行情况。当装卸设备发生故障时，能根据故障性质发出停止设别运转的指令，并报警显示故障设备的代号。还有自动计数、显示功能和天神级方向断电记忆显示功能。(3)具有自动控制和手动控制两种控制方式。载井下集控台上可集中手动控制各设备的工作。(4)配有通讯接口，可实现与矿井调度管理微机的联网。1.5.3系统结构及工作原理系统主要由模拟显示柜、井下集控台防爆控制箱、卸载信号箱及各种传感器组成。(1)开关量输入开关量输入用来接收装卸系统各部分的状态信号，这些信号由位置传感器或状态接触点通过电缆送到PLC的输入端，PLC对这些信号进行采集处理，输出指控指令，在开关量输入信号中，单向状态信号以高电位表示“1”，低电位表示“0”，而双向状态信号，高电位表示启动，低电位表示停止，以上电信号均由无源触点提供。PLC系统提供一个单独的与主机电源隔离的电源，信号通过触点返回到各开关输入端，每个输入端都有对应的信号指示灯。(2)开关量输出开关量输出式用来驱动箕斗装卸系统的执行机构。(3)系统的工作原理采用PLC实现装卸设备的自动化控制式根据主井装卸系统的工艺过程和控制要求，用PLC的梯形图语言编制用户软件，以实现装卸系统的自动化控制。软件采用循环顺序控制的程序。系统启动后，首先初始化各个状态，容纳后，对各开关量输入进行采集、运算和处理，再输给驱动电控，以控制带中国矿业大学2008届本科生毕业设计第8页式输送机和装卸载设备。1.5.4PLC的故障诊断为了延长系统的有效寿命，就要知道那些部分容易出现故障，以便采取相应措施。系统故障主要分为外部故障和内部故障两类，外部故障指系统与实际过程相连的传感器、检测开关、执行机构和负载等外部设备的故障。外部设备发生故障，直接影响系统饿控制功能，这类故障一般是由本身的质量和寿命所致。内部故障指 PLC 本身的故障。一般来说，PLC 本省的故障率很低，可靠性远远高于外部设备的可靠性，根据现场经验，PLC系统的故障诊断大致分为以下几步：(1)