面向超深矿井提升机的电机械制动闸可靠性及自适应控制律研究

The braking system of the mine hoist is the key equipment to ensure the safe operation of coal mine. In view of the difficulties in improving the braking response and reliability of the mine ultra-high pressure hydraulic braking technology, this project applies the electromechanical braking technology with high response and high reliability to the coal mine braking system, and solves the key scientific problems such as the electromechanical coupling braking mechanism of the ultra-deep mine hoist. The dynamic characteristics of the electromechanical damper brake under complex mine environment and working conditions are expounded, and the indirect braking method of the electromechanical mechanism controlling butterfly spring is proposed. After obtaining the optimal structure parameters of the electromechanical damper brake and the dynamic model of the transmission system, the correlations between the braking performance indexs and structural parameters are mastered. This project analyzes the braking reliability and adaptive control strategy of the electromechanical damper brake, and reveals the optimal control law of the brake relief clearance for given structural parameters and control precision. The closed-loop control system and the virtual simulation model based on the feedback of the brake relief clearance are constructed, and the prototype test based on the optical precision measurement of the brake relief clearance is carried out. The potential interference factors affecting the control accuracy and their sources are studied. Based on the above research, the braking requirements with the high response and high reliability of the ultra-deep mine hoist are met. The research results, which are of great significance to the safe and efficient operation of the ultra-deep mine hoist, can further expand the application of electromechanical braking technology.

提升机制动系统是保障煤矿矿井安全运行的关键设备。本项目针对超高压的矿井液压制动技术在提高制动响应、提升系统可靠性等方面存在的难题，将具有高响应和高可靠性的电机械制动技术应用于煤矿矿井制动系统，解决超深矿井提升机的机电耦合制动机理等关键科学问题。阐明电机械制动闸在矿井环境和提升工况下的动力学特性，提出电机械机构控制蝶形弹簧的间接制动方法，获得电机械制动闸的最优结构参数及其传动系统的动力学模型，掌握制动性能指标与结构参数的相关性，分析电机械制动闸的制动可靠性及其自适应控制策略，揭示给定结构参数和控制精度下的缓解间隙最优控制律，构建基于缓解间隙距离反馈的闭环控制系统及其虚拟仿真模型，开展基于缓解间隙光学精密测量的样机试验，研究影响控制精度的潜在干扰因素及其来源，满足超深矿井提升机的高响应和高可靠性等制动需求。研究成果可进一步拓宽电机械制动技术的应用，对超深矿井提升机的安全、高效运行具有重要意义。

随着浅部矿物资源逐渐枯竭，深部煤炭资源开发势在必行，受限于更为苛刻的开采环境，迫切需要突破煤炭深部开采的核心关键技术、提升装置的自动化和智能化水平，采用电机械制动技术研究超深矿井提升机制动系统，对提升系统响应和可靠性十分必要，具有重要意义。.本项目通过理论分析、数值模拟和实验研究等方法，提出了电机械控制蝶形弹簧的间接制动方法，设计了“电机-减速器-垂直换向-自增力连杆”结构，构建了超深矿井提升机的机电耦合制动模型，掌握了矿井环境和提升工况下的电机械制动闸动力学特性；构建了适用于矿井提升机的电机械制动器以及试验台，开展了关键零部件的选型、校核和疲劳寿命分析，并通过贝叶斯网络方法完成了可靠性分析，掌握了电机械制动闸可靠性分析方法；搭建了电机械制动器实验样机以及试验台，设计了线性二次型和Cspace控制器，建立了闭环控制系统，实现了自适应调节制动间隙、在线调节制动力的制动目标，并提出了系统主轴不平衡轴心轨迹提纯与反馈方法；完成了电机械制动器制动响应性能分析、制动力与输入电压/电流关系、制动力和堵转位移关系等实验研究。研究结果表明：1）所设计的电机械制动器最大正压力达33KN；2）制动误差小于10%，制动间隙消除时间小于0.1s；3）控制器实现了制动间隙实时调节，使得制动间隙稳定在1±0.04mm范围内，稳态误差小于4%，上升时间为0.4s，调节时间为0.8s；4）电机电流输入与制动正压力输出之间成线性关系，斜率为4.17、截距为0.62，丝杆位移输出与制动压力输出成三次方关系，且零点误差较小，实验结果较好。.本项目共发表论文9篇，其中SCI检索3篇、EI检索2篇，核心论文4篇；搭建电机械制动闸控制系统和试验台1套；申请国家发明专利5件，其中授权2件；授权实用新型专利2件，登记软件著作权1件，培养6名硕士研究生。上述工作已达到本项目预定的研究目标，基于电机械控制蝶形弹簧间接制动理论和方法的提出，对大载荷电机械制动理论和利用工程的发展，对煤炭深部开采的自动化和智能化发展战略有着十分重要的学术价值和广泛应用前景。