一种升船机智能控制安全制动系统及其安全制动方法技术方案

一种升船机智能控制安全制动系统，包括四个安全制动子系统、一套传动协调控制站及传动协调控制站网络通讯模块；其中，四个安全制动子系统安装于升船机驱动系统的四套驱动机构上；每个安全制动子系统包括安全制动器、工作制动器、液压控制泵站、用于检测驱动电机转速的电机转速编码器、控制液压控制泵站的现地电气控制单元以及液压泵站压力检测装置；本系统可使船厢制动减速度和制动距离等指标满足安全设计要求；在升船机发生失衡事故时对驱动系统实施紧急制动，使船厢安全平稳地停止升降运行。

An Intelligent Control Safety Braking System for Ship Lift and Its Safety Braking Method

An intelligent control safety braking system for ship lift includes four safety braking subsystems, a set of transmission coordination control station and network communication module of transmission coordination control station. Four safety braking subsystems are installed on four driving mechanisms of ship lift drive system. Each safety braking subsystem includes safety brake, working brake, hydraulic control pump station and is used for inspection. The speed encoder of motor for measuring the speed of driving motor, the local electric control unit for controlling the hydraulic control pump station and the pressure detection device for the hydraulic pump station can meet the safety design requirements by the system, which can make the braking deceleration and braking distance of the ship compartment meet the safety design requirements, and implement emergency braking for the driving system in case of unbalanced accident of the ship lift, so that the ship compartment can stop the lifting operation safely and smoothly.

【技术实现步骤摘要】
一种升船机智能控制安全制动系统及其安全制动方法
本专利技术涉及水利水电工程升船机领域，具体说是一种适合平衡重式垂直升船机驱动系统的智能控制安全制动系统。
技术介绍
目前水利枢纽垂直升船机应用较多的是全平衡钢丝绳卷扬提升式垂直升船机、下水式钢丝绳卷扬提升式垂直升船机和全平衡齿轮齿条爬升式垂直升船机。安全制动系统是升船机安全保证体系的重要环节，是升船机提升驱动设备的重要组成部分，对于保证升船机运行安全至关重要。在传统的升船机主提升机安全制动系统设计中，紧急制动的制动力施加采用工作制动器调压上闸方式，工作制动器液压控制系统的电液比例阀按照预先设定的压力-时间曲线输出压力，其制动减速度难以达到设计要求。图8为传统的升船机安全制动系统工作制动器紧急制动理论时间-压力曲线，可以看出传统的无速度反馈控制的升船机安全制动系统，其制动过程对主提升机会产生一定的冲击。对于平衡重式垂直升船机,由于载荷大小和方向具有随机性，主提升机的载荷在主驱动电机机械特性的四个象限内工作。升船机长期运行过程中，驱动电机将不可避免地出现发电工况和电动工况交替地经历的现象。常闭式液压盘式制动器是通过蝶形弹簧对制动盘施加正压力产生摩擦力矩，由于摩擦力的特性，其制动力矩的方向永远与电机转速方向相反。对于发电工况，制动力克服外载荷进行制动，为保证制动安全性，制动力按最大载荷确定，由于主提升机载荷具有随机性，当实际载荷较小时，会产生较大的制动冲击；对于电动工况，所施加的制动力与外载荷碟加对驱动系统共同产生制动作用，因而产生数倍于发电工况的制动加速度，对驱动系统传动机械设备产生更大的冲击，造成设备损坏，甚至发生安全事故。
技术实现思路
为了解决上述问题，本专利技术专利的目的是根据平衡重式垂直升船机驱动系统的特点，同时针对传统升船机安全制动系统的不足，提出一种以实时速度反馈控制为特点的安全制动系统。本专利技术采用的技术方案是：一种升船机智能控制安全制动系统，包括四个安全制动子系统、一套传动协调控制站及传动协调控制站网络通讯模块；其中，四个安全制动子系统安装于升船机驱动系统的四套驱动机构上；每个安全制动系统包括安全制动器、工作制动器、液压控制泵站、用于检测驱动电机转速的电机转速编码器、控制液压控制泵站的现地电气控制单元、液压泵站压力检测装置以及升船机传动协调控制站的网络通讯模块；所述安全制动器.和工作制动器.均采用常闭式液压盘式制动器,其中，工作制动器布置在驱动电动机.输出轴与减速器.高速轴输入轴之间的联轴器制动盘上，安全制动器.布置在减速器高速轴另一端出轴上；工作制动器.的作用是在系统实施紧急制动时对驱动电机施加合适的制动力矩，使船厢制动减速度和制动距离等指标满足设计要求，安全制动器.的作用是在驱动系统停机后对减速器.出轴施加制动力矩，使驱动系统可承受最大不平衡载荷。进一步的，每套液压控制泵站各设一套现地电气控制单元，各液压控制泵站独立控制，不相互连接，各现地电气控制单元通过现地以太控制网络互连形成一个有机的整体，并通过网络通讯模块与传动协调控制站通讯，接受其远方控制；安全制动器、工作制动器及其现地电气控制单元，通过传动协调控制站与电气传动系统进行时序配合，保证升船机升降运行的启动平稳，避免由于机械传动系统间隙引起的启动冲击。进一步的，安全制动系统在正常制动工况工况以及由主电气传动系统实施的快速制动工况下，工作制动器在升船机由主电气传动系统控制使船厢速度接近零时实施正常制动，安全制动器延时10～15秒后同时实施制动。此时工作制动器和安全制动器均为全压制动；当驱动系统由静止制动状态过渡到启动状态时,安全制动系统与主电气传动系统配合,保证启动过程平稳无冲击.具体程序如下:驱动系统开始运行前，主电气传动系统首先接电，按船厢对接后不平衡力的方向及大小施加预加力矩，然后工作制动器.和安全制动器.相继松闸，最后主电气传动系统正式启动，驱动系统投入运行；当升船机出现严重故障或事故时，安全制动系统实施紧急制动，此时主电气传动系统退出工作，安全制动系统的工作制动器根据传动协调控制站提供的指令以及相关的载荷和速度信息，实施速度反馈控制调压上闸；安全制动器则在驱动电机输出转速接近零时全压上闸；速度反馈控制调压上闸的具体过程如下：传动协调控制站根据主电气传动系统退出前的定子电流和转速的相对关系，判断船厢驱动系统的载荷工况是发电工况还是电动工况；并将相关速度和载荷信息发送至各现地电气控制单元；然后主电气传动系统退出工作。进一步的，当船厢驱动系统的载荷工况为发电工况时，现地电气控制单元根据传动协调控制站输入的驱动系统载荷信息以及设定的制动减速度，经过制动模型运算器计算发出首次时间采样电压信号V1，控制电液比例阀的阀芯移动使其产生对应的电液比例阀开度x1，从而输出首次采样时间内系统油压pg1，输入至工作制动器的油缸，使工作制动器的油缸油杆腔压力降低，工作制动器在碟形弹簧压力作用下与制动盘接触，并进而产生一定的正压力和与之对应的摩擦制动力；其中制动模型运算器计算首次采样时间内系统油压pg1的运算如下：①给定电机负载力矩ML和电机理论角减速度ε0，其中ML为电气传动系统退出前电机负载力矩的测量值，其中ε0根据船厢紧急制动减速度预先算出：式中，a为紧急制动减速度，i为驱动机构减速器传动比；②计算所需的制动力矩Mgb＝ML+Iε0(2)式中，I为驱动系统转动零部件相对于电机轴的总等效转动惯量的四分之一；③计算电液比例阀输出的液压系统油压式中，N为一套制动单元对制动盘施加的最大正压力总和；η为考虑液压管路沿程压力损失的效率值；Rb为工作制动器制动圆半径；S为制动器油缸有杆腔面积，μ为制动头与制动盘接触的摩擦系数；n为单台工作制动器的制动单元数目；在所施加的制动摩擦力矩作用下，驱动电动机的实际转速降低至ωm1＝ωm0-Δωm1，其中ωm0为紧急制动实施之前的电机测量转速，Δωm1为第一次采样时间间隔内电机测量转速减少量；驱动电动机测量转速通过速度编码器测量，并传送至现地电气控制单元的制动模型运算器，通过与给定理论转速曲线的比较以及“闭环反馈PI调节控制律”，计算出电磁阀的输出压力、电液比例阀开度值以及电压的增量值，将该电压增量值作为电液比例阀控制电压的偏差给定输入信号，实现安全制动器的速度偏差反馈控制；其中制动模型运算器的计算过程如下：①计算t1时刻，驱动电动机理论角速度ωd1与实测速度ωml差值ωd1-ωm1，判断其相对偏差δ＝(ωd1-ωm1)/ωd1的绝对值是否大于给定的偏差值；若小于偏差值，则继续按首次采样输出电压信号V0对应的输出压力pg1保持制动力矩不变；若大于偏差值，则根据速度差值的正负号，按驱动电动机设计角减速度的5％～10％给定一角加速度调整量Δε(为正值)：式中，k为以速度偏差为变量的调整函数；设定相对偏差大于0.025时开始实施速度反馈控制，调整函数按如下方式确定：k＝0当|δ|＜0.025时,k＝1+20|δ|当0.025≤|δ|≤0.05时(5)k＝2当|δ|＞0.05时,②计算工作制动器所施加的扭矩增量：ΔT1＝±IΔε(6)式中，I为驱动系统转动零部件相对于电机轴的总等效转动惯量的四分之一；“±”表示相对于初始制动力矩的增加或减少；当实测瞬时速度值低于该时刻的设计值时本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种升船机智能控制安全制动系统，其特征在于：包括四个安全制动子系统(1)、一套传动协调控制站(2)及传动协调控制站网络通讯模块；其中，四个安全制动子系统(1)安装于升船机驱动系统的四套驱动机构上，每个安全制动子系统(1)包括安全制动器(1.1)、工作制动器(1.2)、液压控制泵站(1.3)、用于检测驱动电机转速的电机转速编码器(1.5)、控制液压控制泵站的现地电气控制单元(1.9)以及液压泵站压力检测装置(1.6)；所述安全制动器(1.1)和工作制动器(1.2)均采用常闭式液压盘式制动器,其中，工作制动器(1.2)布置在驱动电动机(1.4)输出轴与减速器(1.8)高速轴输入轴之间的联轴器制动盘上，安全制动器(1.1)布置在减速器(1.8)高速轴另一端出轴上；工作制动器(1.2)的作用是在系统实施紧急制动时对驱动电机施加合适的制动力矩，使船厢制动减速度和制动距离等指标满足设计要求，安全制动器(1.1)的作用是在驱动系统停机后对减速器(1.8)出轴施加制动力矩，使驱动系统可承受最大不平衡载荷。

【技术特征摘要】
1.一种升船机智能控制安全制动系统，其特征在于：包括四个安全制动子系统(1)、一套传动协调控制站(2)及传动协调控制站网络通讯模块；其中，四个安全制动子系统(1)安装于升船机驱动系统的四套驱动机构上，每个安全制动子系统(1)包括安全制动器(1.1)、工作制动器(1.2)、液压控制泵站(1.3)、用于检测驱动电机转速的电机转速编码器(1.5)、控制液压控制泵站的现地电气控制单元(1.9)以及液压泵站压力检测装置(1.6)；所述安全制动器(1.1)和工作制动器(1.2)均采用常闭式液压盘式制动器,其中，工作制动器(1.2)布置在驱动电动机(1.4)输出轴与减速器(1.8)高速轴输入轴之间的联轴器制动盘上，安全制动器(1.1)布置在减速器(1.8)高速轴另一端出轴上；工作制动器(1.2)的作用是在系统实施紧急制动时对驱动电机施加合适的制动力矩，使船厢制动减速度和制动距离等指标满足设计要求，安全制动器(1.1)的作用是在驱动系统停机后对减速器(1.8)出轴施加制动力矩，使驱动系统可承受最大不平衡载荷。2.根据权利要求1所述的升船机智能控制安全制动系统，其特征在于：每套液压控制泵站(1.3)各设一套现地电气控制单元(1.9)，各液压控制泵站独立控制，不相互连接，各现地电气控制单元(1.9)通过现地以太控制网络互连形成一个有机的整体，并通过网络通讯模块与传动协调控制站(2)通讯，接受其远方控制；安全制动器(1.1)、工作制动器(1.2)及其现地电气控制单元(1.9)，通过传动协调控制站(2)与电气传动系统进行时序配合，保证升船机升降运行的启动平稳，避免由于机械传动系统间隙引起的启动冲击。3.根据权利要求1所述的升船机智能控制安全制动系统的安全制动方法，其特征在于：安全制动系统在正常制动工况工况以及由主电气传动系统实施的快速制动工况下，工作制动器(1.2)在升船机由主电气传动系统控制使船厢速度接近零时实施正常制动，安全制动器(1.1)延时10～15秒后同时实施制动，此时工作制动器和安全制动器均为全压制动；当驱动系统由静止制动状态过渡到启动状态时,安全制动系统与主电气传动系统配合,保证启动过程平稳无冲击具体程序如下:驱动系统开始运行前，主电气传动系统首先接电，按船厢对接后不平衡力的方向及大小施加预加力矩，然后工作制动器(1.2)和安全制动器(1.1)相继松闸，最后主电气传动系统正式启动，驱动系统投入运行；当升船机出现严重故障或事故时，安全制动系统实施紧急制动，此时主电气传动系统退出工作，安全制动系统的工作制动器根据传动协调控制站提供的指令以及相关的载荷和速度信息，实施速度反馈控制调压上闸；安全制动器(1.1)则在驱动电机(1.4)输出转速接近零时全压上闸；速度反馈控制调压上闸的具体过程如下：传动协调控制站(2)根据主电气传动系统退出前的定子电流和转速的相对关系，判断船厢驱动系统的载荷工况是发电工况还是电动工况；并将相关速度和载荷信息发送至各现地电气控制单元(1.9)，然后主电气传动系统退出工作。4.根据权利要求3所述的升船机智能控制安全制动系统的安全制动方法，其特征在于：当船厢驱动系统的载荷工况为发电工况时，现地电气控制单元(1.9)根据传动协调控制站输入的驱动系统载荷信息以及设定的制动减速度，经过制动模型运算器计算发出首次时间采样电压信号V1，控制电液比例阀的阀芯移动使其产生对应的电液比例阀开度x1，从而输出首次采样时间内系统油压pg1，输入至工作制动器(1.2)的油缸，使工作制动器(1.2)的油缸油杆腔压力降低，工作制动器(1.2)在碟形弹簧压力作用下与制动盘接触，并进而产生一定的正压力和与之对应的摩擦制动力；其中制动模型运算器计算首次采样时间内系统油压pg1的运算如下：①给定电机负载力矩ML和电机理论角减速度ε0，其中ML为电气传动系统退出前电机负载力矩的测量值，其中ε0根据船厢紧急制动减速度预先算出：式中，a为紧急制动减速度，i为驱动机构减速器传动比；②计算所需的制动力矩Mgb＝ML+Iε0(2)式中，I为驱动系统转动零部件相对于电机轴的总等效转动惯量的四分之一；③计算电液比例阀输出的液压系统油压式中，N为一套制动单元对制动盘施加的最大正压力总和；η为考虑液压管路沿程压力损失的效率值；Rb为工作制动器制动圆半径；S为制动器油缸有杆腔面积，μ为制动头与制动盘接触的摩擦系数...

【专利技术属性】
技术研发人员：廖乐康，唐勇，方杨，
申请(专利权)人：长江勘测规划设计研究有限责任公司，
类型：发明
国别省市：湖北,42