淺談液壓伺服系統在井下無軌采掘設備中的應用

張 偉

（河鋼礦業承德黑山鐵礦，河北 承德 067000）

液壓驅動是現在很多大型工程機械和生產裝備的主要動力傳輸方式。目前，采用伺服控制方式的液壓動力系統已在井下采掘機械設備中得到了廣泛的應用，取得了良好的效果，為井下安全高效提供了技術裝備保障。液壓伺服控制技術以液壓傳動為基礎，綜合應用了計算機模糊控制、集成傳感、電子信號傳輸等高新技術，實現對液壓機械的高精度、高響應速度和高度自動化控制。以液壓伺服控制為核心的井下無軌采掘設備的投入應用，使礦山生產率得到提高，為企業帶來了顯著的經濟效益。本文對液壓伺服系統在井下無軌采掘設備中的應用進行了探討。

1 液壓伺服控制系統簡介和控制原理概述

1.1 液壓伺服控制系統簡介

液壓伺服系統是對傳統液壓控制方式的改進，是在原有的液壓機構加上反饋機構所組成的閉環控制系統。液壓伺服系統綜合應用了液壓控制、計算機模糊控制、集成傳感、電子信號傳輸等高新技術，提高了液壓控制的精度和自動化水平。使系統的速度、力矩、位移等輸出量能夠快速而準確地跟隨輸入量的變化而自動調整，以使液壓控制的各項參數保持理想狀態；與此同時，輸出功率被大幅度地放大。液壓伺服系統是由液壓動力機構和反饋機構組成，其中液壓機構包括油路系統、密封系統、油泵等；反饋機構包括各種傳感器、模糊控制單元等。液壓伺服系統分為電氣液壓伺服系統和機械液壓伺服系統，目前隨著機械自動化水平的提高，很多大功率快速響應的力矩控制和位置控制都開始應用電液伺服系統。

1.2 液壓伺服系統控制原理

液壓伺服系統控制的基本原理是通過使用電液伺服閥，將小功率的電信號轉換為大功率的液壓動力，從而實現對重型機械設備的伺服控制。機械設備運行時，各傳感器會將采集的設備運行參數以電信號的方式反饋至模糊控制單元，由計算機對反饋信號進行處理，并將其與指令信號進行比對，得到誤差信號。如果誤差為零，則說明機械運行參數符合指令要求，伺服系統不進行調節；如果誤差不是零，便進行調節。調節時，由模擬控制單元將調節信號傳輸至執行機構，然后由執行機構控制液壓系統動作，執行調節指令，使機械設備完成對速度、位移等物理量的調節。液壓伺服控制主要具備以下工作特征：一是形式多樣，閉環控制系統信號的輸出和輸入之間為反饋連接，反饋介質可以為氣動、液壓、機械，亦或是它們的組合形式；二是信號負反饋，系統主反饋信號與輸入信號相反，系統調節以偏差信號為指令，輸入到液壓原件的能量使其向減小偏差的方向移動；三是以小控大，系統輸入信號功率很小，但通過信號放大裝置可以將輸出功率放大多倍，從而實現對大功率液壓機械的控制。功率放大所需能量的控制由伺服系統偏差大小自動完成。綜上所述，液壓伺服控制的原理就是流體動力的反饋控制，即利用反饋的偏差信號去控制液壓執行機構，讓系統不斷向著減小偏差的方向調節，使系統的輸出值與理想值保持一致。

2 液壓伺服系統的技術優勢

液壓伺服系統集成了液壓控制和計算機模糊控制兩種技術，也具備了它們的優勢，主要是動力傳輸穩定、力矩慣量比大、執行動作快、控制精確、自動化程度高。能夠使系統輸出的力矩、速度、位移等參數量自動、快速和準確地按照指令進行調節；同時，大幅度放大了輸出功率。因此，液壓伺服相比于氣動伺服和機電伺服在大型工程機械方面具有更廣泛應用。具體而言，液壓伺服系統的技術優勢主要有以下。

2.1 力矩輸出平穩

液壓系統以液壓油為傳動介質，具有自潤滑功能，動力傳輸中阻力和能量損耗較小，確保了液壓執行機構的高效穩定運行。此外，液壓裝置也容易實現過載保護和自動化，借助于各種控制閥和電氣設備，很容易實現對復雜運行工況的自動循環和遠程控制，確保了系統的安全可靠運行。

2.2 力矩慣量比大

液壓傳輸另一個突出的優勢就是力矩慣量比大，由于液壓油具有更強的承壓性，因此相比于氣動或電動系統可以傳輸更大的力矩，一般液壓馬達的力矩慣量比是同容量電動機的十數倍。較大的力矩慣量比意味著系統能夠產生更大的加速度，具有更快的響應速度和更為理想的動態性能。

2.3 重量比大

相比于其它控制方式，同等功率輸出下系統體積更小，更方便在空間受限的環境中和需要較大力矩輸出的情況下使用。液壓系統要想提高輸出力矩和功率，只需要考慮油路密封和機械強度即可。因此，這也是在井下開采作業等許多場合下，直線運動控制中多采用液壓系統的原因。

3 液壓伺服系統在井下無軌采掘設備中的應用

金屬礦山井下開采環境復雜惡劣，傳統的有軌開采運輸方式具有靈活性差、運輸距離長、輔助工程多的弊端。為了更加靈活地組織生產和適應井下生產條件，提高礦山生產效率，減少井巷工程和降低開采成本，很多企業都開始選用無軌采掘成套設備進行采掘生產。常見的井下無軌采掘設備主要有鏟運機、自卸卡車、挖斗裝渣機等等。隨著礦山地下開采對無軌采掘設備性能要求的不斷提高，目前井下無軌采掘設備基本都采用了液壓伺服系統進行控制，使設備運行的效率、穩定性、操控性能等得到顯著提高。

3.1 液壓伺服系統在鏟運機設備中的應用

鏟運機在井下開采中主要負責對礦石的鏟裝、卸載和短距離運輸，在對爆落礦石進行鏟挖時需要非常大的鏟取力，這對鏟運機的動力系統是非常大的考驗。液壓系統在力矩輸出方面具有其它方式難以比擬的優勢，可以適應鏟運時對巨大鏟取力的需要。液壓伺服系統通過疊加閥、電液伺服閥等將小功率的電信號轉變為大功率的液壓能輸出，實現了對鏟運機鏟取力等物理量的準確控制，使鏟運機能夠根據生產需要對鏟取力輸出進行調節。液壓伺服系統控制下的鏟運機不僅力矩輸出平穩，而且響應迅速，更加機動靈活，顯著提高了生產效率。液壓伺服系統在鏟運機設備中應用十分廣泛，比如山特維克公司生產的TORO1400E電動鏟運機、Atlas公司生產的ST-1020柴油鏟運機等均采用液壓伺服控制。

3.2 液壓伺服系統在自卸卡車中的應用

自卸卡車主要用于井下長距離運輸，工作特點是運輸距離長、卸載高度大。以常見的翻卸式卡車為例，卸載時需要用液壓缸將車箱向側端翻倒傾卸。

由于井下地形復雜，卸載硐室較高，因此翻卸的難度較大，控制不好就容易將礦石散落。液壓伺服系統采用電信號反饋控制極大地提高了液壓系統操控的準確性，使司機可以更好地控制翻卸的高度和角度，提高生產效率，避免礦石散落。

3.3 液壓伺服系統在機械設備保護中的應用

很多井下無軌采掘設備都裝設有各種保護裝置，比如常見的超速保護、超壓保護、軸向位移保護、低油壓報警保護、徑向振動保護等，它們都是采用液壓伺服系統進行保護控制。當設備某個運行參數超過不允許的數值時，現場的傳感器就會將該參數以電信號的方式傳輸至保護系統，系統會自動啟動相應的保護裝置，使設備停止動作，避免設備超負荷運行。

4 結語

液壓伺服系統在工程機械中應用十分廣泛，在未來的發展中將與自動化控制系統深入的融合，推動礦山裝備向信息化、智能化、遠程操作化發展，最終實現礦山生產的無人化和少人化。