矿井提升机理想S形速度运行曲线的模型研究

矿井提升机理想S形速度运行曲线的模型研究

祁刚民

洛阳九亿重工集团有限公司  471800

摘要:矿井提升机的运行速度和可靠程度是衡量矿山开采技术水平、采矿设备安全与经济合理性以及管理能力最重要指标。本文主要是对S形速度运行曲线进行理论分析，利用Matlab软件建立简单模型，进行求解计算仿真得到结果，根据数据结果，分析矿井提升机理想S形速度运行曲线的特性。

关键词：矿井提升机；S形速度运行曲线；建模

随着我国经济的飞速发展，矿井提升机在国民经济中发挥着越来越重要的作用。中国是一个矿业大国，对矿井进行深度开采和高产高效生产成为必由之路。近年来，由于煤炭资源紧缺造成一系列环境问题，让人们意识到寻找新能源与传统意义上煤代油不足之间有一定的联系:在我国石油天然气等矿产储量丰富的情况下，如果直接将煤炭资源投入到井下或进行其他形式的开采，则会浪费大量能源，同时也增加了环境污染。目前矿井提升机在大型化和高产高效利用方面有着巨大贡献。因此我们有必要对影响速度问题的因素进行分析研究。

1、 矿井提升机理想S形速度运行曲线理论分析

1.1 矿井提升机理想运行曲线计算

通常情况下，矿井提升机的运行曲线是指最大速度(或瞬时)和最小加速度之间平面上线性上升与反向下降渐变过程中的一条直线。一般认为:理想状态下最速值和最大安全系数应该等于已知条件峰值所期望达到平均速度，而实际工作环境中有许多复杂因素对提高系统效率都有影响。

为简化计算，我们通常假定最小运动损失近似相等，忽略最小安全系数和最大速度的影响，因此我们可认为，理想状态下最大速或最大安全性都比实际工作时提高系统效率要高。在确定最佳提升机运行曲线之后，必须对上述求得参数进行分析计算。实际工作环境中所要求达到最小安全系数和最大速度的变化量等因素直接影响我们得到的理论结果是否准确可靠、程度高低与精确性。

1.2 矿井提升机系统速度运行曲线的影响

通常情况下，我们将影响提升机的运行速度曲线因素分为两类:一类是由于各种外界条件而导致的变化规律；另一类则为与井筒转速、和摩擦副运动等有关系。在实际工程应用过程中，有很多影响系统动态性能，如提高功率因数或改善输入电流。我们可利用瞬时冲击响应曲线分析各种影响因素对系统动态性能的作用，在瞬态矿井提升机的运行曲线中，由于各种外力作用，使各部件受到不同程度地形变以及运动学方程变化所产生出来的非线性相互作用导致振荡现象。

2、矿井提升机理想S形速度运行曲线的建模

2.1 理想S形速度运行曲线的构建

将简化的数学模型转化为一个简单且易于理解并且能够直接进行观测和计算的线性系统。其中，理想S形曲线在求解时只需要对初始条件、参数以及给定值等做一些假设，所以可利用该非线性函数来近似地描述。

建立理想S型速度问题通常是由以下三个步骤组成:首先确定时间域内各点所达到的平衡状态；其次分析出期望附近找到一个接近于零且满足平正连续的极点系统，最后分析出系统在任何时刻的谷值和下限，即到达时间距离。

2.2 基于MATLAB的理想S形速度运行曲线建模

在对理想S形速度进行研究时，我们通常会建立数学模型，然后将其转化为二维或三维的形式来描述。一般情况下用MATLAB软件编写一个简单程序，方便我们分析、比较所设系统中各参变量之间存在的关系：(1)每个步序有两个运动周期；(2)每一条轨道运行于不同区间上时速度值是多少个曲线。，理想S形速度在什么样以及如何变成为最优解。我们需分析曲线的初始条件和最优解，然后再对各个步序进行求和，从而得到一个最优化值。我们先用MATLAB编写一个初始化程序，在设置好参数之后，将曲线分成若干个部分。每个步序的速度值设为Y0、X2和Y3两组子块并赋予它们各自相应的权数；然后再依次对每一段进行求和处理直至所得各参量相等为止；最后根据求出曲线中某个点k(n)=m+1这一解域内各个阶次之和，即为我们要研究的是最小曲边三角形，也称为M里蜗轮形。

2.3 矿井提升机理想S形速度运行曲线的绘制

在绘制线性转角方程时，我们一般先画出上下两轴上的曲线，然后再分别对其进行插值和微分等温线来完成整个分析计算（示例如图2-3）。1.下垂系数、瞬时速以及最大扭矩三者之间是如何影响提升机理想S形速度运行曲线的呢?2.转速和质量，即一定值时转速和质量都对理想S形速值的影响是。3.最大扭矩，即一定值时的瞬时速以及所对应曲线上点为圆周角。4.速度与加速度之间存在着反比关系:当转角公式定义为F/A时为瞬间响应率；而Lmax则正好相反.5.转速对最佳S形转速产生影响，这可能是在实际情况下我们分析计算出的是理想状态下提升机所需的最大扭矩，即在一定值时，转速变化不超过1s。

图2-3  S形速度运行曲线绘制示意图

2.4 矿井提升机理想S形速度运行曲线模拟仿真检验

在建立了理想S形速度解析模型的基础上,我们还需要利用MATLAB软件对该系统进行模拟仿真,通过分析得到其具体的运行曲线，研究实际情况下提升机工作时制动器最大加速度和摩擦力矩与主瞬时均方根圆周角、副垂线等参数之间是否存在相互制约关系。

（1）将系统的瞬时均角度和最大加速度进行表示,并建立理想S形初值与实际情况下各阶偏转角之间存在相互制约关系。

(2)用MATLAB计算出各个速度列摩擦力矩、制动器最大电流以及主瞬时功率Pi等相关参数。

(3)将得到的各个参数结合，利用MATLAB计算出各阶偏转角的最大值和最小值,并对速度曲线进行拟合。

3、 矿井提升机理想S形速度运行曲线研究

3.1 矿井提升机理想S形速度运行曲线参数设置

通常情况下，我们设置的参数主要有:提升机最大速度、最大转矩以及平均电流等。

(1)转速范围。在一定条件下，确定最佳运行区间时一般是以最高额定值为依据进行选取；若要使提升机能得到较高的效率和加速度曲线，应根据经验公式或计算式获得不同参数要求；同时还应对电机功率及传动系统性能有充分地了解并能对其合理控制才能保证整个矿井提升机电控系统功能的充分发挥。

(2)最大转速在确定电机功率及传动系统性能参数的过程中，应首先考虑其最大转速。若电动机工作时产生较大得转矩，则需增大叶片数和绕组匝数。

(3)平均电流。由于提升机运行时会受到各种力作用而出现一定幅度地下降等情况且曲线上各点加速度不相同时则可按相应公式计算得到近似值或较低幅值；但在实际的矿井生产过程中为了便于后续程序处理及提高瞬时功率密度系数等问题要求电动机功率及传动系统工作时产生的电流幅值必须相同且相位差不能相差太远。

3.2 矿井提升机运行特性

由于提升机的工作环境相对较为恶劣，在井下受很多电气设备、机械装置及其他因素影响。因此，为的实现提高矿井整体运输效率和保证工作人员安全生产等目标，需更加严格控制提升系统中各个部分之间运行速度变化情况。通常而言主要有以下几种状态:

(1)低速跑空；

(2)冲击负荷反应迅速；电动机转速较高，产生过大电流导致电机启动瞬间出现过载，引起整个传动系剧烈振动，严重影响提升系统的使用寿命和可靠性。

(3)制动跑偏；由于电动机的转速太高而引起电机启动瞬间出现过电流，导致矿井运输生产异常，严重影响其正常运行。提升机在实际工作时往往会受到各种电气设备以及机械装置等因素的综合作用，比如:电力系统中变压器、发电机和功率器件等，同时也受着环境温度变化带来了一些问题，如:空气湿度升高；升降速度增快后制动器加速磨损等会导致提升机的运行故障。

参考文献：

[1]魏豆云.矿井提升机钢丝绳张力监测传感器应用研究[J].机械管理开发,2022,37(06):177-179.DOI:10.16525/j.cnki.cn14-1134/th.2022.06.074.

[2]曹勇.矿井提升机载荷监测系统设计与应用研究[J].机械管理开发,2022,37(06):276-277+280.DOI:10.16525/j.cnki.cn14-1134/th.2022.06.119.