基于变频调速-高速开关的大型井架纠偏多点同步电液控制系统

1.本发明涉及同步控制领域，尤其是大型井架纠偏复位的多点同步控制领域。

背景技术：

2.井架是矿井提升系统重要的构筑物。提升系统长时间重载运行以及井架基础不均匀沉降，会导致井架提升中心产生偏斜，严重影响提升系统正常运行，并危及安全生产。
3.大型井架的高度和重量均大，目前世界最大的立井井架高110米，重1438吨。当前，矿井向超大直径、超深方向发展，对井架倾斜的控制愈加严格。目前，主要依靠人工爬进狭小的涵洞操作多台千斤顶来抬升沉降较多的支腿，以实现井架的纠偏复位。人工操作无法保证抬升的同步精度，导致千斤顶与支腿的接触面发生滑移，容易破坏千斤顶，存在较大的安全隐患，并且人工纠偏的流程复杂，工作效率低。由于安装井架顶升装置的涵洞空间狭小，常规压力的液压同步系统(额定压力35mpa，采用比例阀或伺服阀控制)无法适用，且支腿被顶升时具有平动和旋转的两维运动。目前，高压同步液压系统(额定压力70mpa)主要用于桥梁顶升和建筑物推移等领域，存在抗偏载能力差、控制点数少、同步精度低、液压系统效率低等突出问题，难以满足大型井架纠偏的工况和需求。

技术实现要素：

4.针对上述技术的不足和大型井架纠偏的重大需求，本发明提供一种安全高效的大型井架纠偏用多点同步控制系统，可实现12点、24点及以上的多点同步顶升和下降。
5.为实现上述技术目的，本发明的基于变频调速-高速开关的大型井架纠偏多点同步电液控制系统包括多套变频调速-高速开关高压系统、中央控制系统；其中每套高压液压系统包含多只高压双作用油缸，共同顶升井架的支腿，中央控制系统通过数据线与多套液压系统连接并通讯，以监测并控制多只高压双作用油缸同步位移，从而实现大型井架的纠偏复位；采用中央控制系统集中控制、多套液压系统并行工作的架构，便于系统扩展和组网，以满足不同点数的同步控制；
6.所述的变频调速-高速开关高压系统包括变频调速泵站、多条并联的控制支路，其中每条控制支路包括控制阀组、高压软管、高压双作用油缸、吸附式位移传感器、压力传感器，控制阀组串联于变频调速泵站和高压双作用油缸之间，用于控制高压双作用油缸的上升和下降动作，变频调速泵站为系统提供可调节的系统流量，以控制同步升降的速度；
7.所述的变频调速泵站包括变频驱动器、变频调速电机、高压径向柱塞泵、安全阀组、油箱，其中变频驱动器与变频调速电机通过电缆连接，变频调速电机和高压径向柱塞泵机械连接，高压径向柱塞泵的进口连接油箱，出口连接控制阀组，通过变频驱动器调节电机转速，控制高压径向柱塞泵流量，从而控制同步速度；所述安全阀组并联于高压径向柱塞泵的出口，使油缸在顶升和下降时系统具有不同的溢流压力；
8.所述的控制阀组包括高速开关阀、液控单向阀、单向节流阀，其中高速开关阀具有
三位四通和y型中位功能，其p口连接高压径向柱塞泵的出口，a口通过高压软管连接高压双作用油缸的小腔和液控单向阀的k口，b口与液控单向阀、单向节流阀依次连接，单向节流阀通过高压软管连接高压双作用油缸的大腔；通过切换高速开关阀处于不同的工作位控制高压双作用油缸的上升和下降；当高压双作用油缸下降时，单向节流阀产生背压以控制下降速度，同时液控单向阀间歇地打开和关闭，以防止超速下降；
9.所述的高压双作用油缸伸出杆的顶端安装有偏转头，偏转头一端是平面，其与箱型支腿底面接触，一端是半球形，与伸出杆顶端球面接触；顶升时偏转头随着箱型支腿偏转，使高压双作用油缸的受力始终沿着活塞杆的轴线方向，从而避免高压双作用油缸承受偏载而被破坏；在偏转头和伸出杆之间安装有中空的测量板，吸附式位移传感器的测量头吸附在测量板的伸出端，当偏转头偏转时，测量板可保持不动，以保证位移测量的精度；高压双作用油缸的进出油口和高压软管的两端均设置具有单向导通功能的快插插头，以方便管路的快速连接，同时可防止管路拔出时高压双作用油缸与高压软管内的油液向外泄漏；
10.所述的吸附式位移传感器吸附在高压双作用油缸的外壁，且吸附位置可调整，用于检测高压双作用油缸的位移，所述压力传感器并联在高压径向柱塞泵的出口和单向节流阀的出口，用于检测系统的压力和高压双作用油缸的大腔压力；
11.所述的中央控制系统主要包括通过数据线连接的数据采集单元、控制器、上位机，其中数据采集单元采集系统各处的压力信号和高压双作用油缸的位移信号，并反馈给控制器，控制器经过运算后输出信号给变频驱动器，以控制变频调速电机的转速，从而调节高压径向柱塞泵输出的流量，同时控制器发送信号给高速开关阀，控制其开关的频率，从而协同控制多只高压双作用油缸的动作，上位机与控制器进行通讯，用于监测系统的运行状态、设置系统参数和切换工作模型。
12.有益效果：
13.所发明的大型井架纠偏多点同步电液控制系统，融合变频液压调速技术和高速开关控制技术，具有如下技术优点：
14.(1)根据同步的点数和速度来调节变频电机转速进而控制系统流量，从而避免了溢流损失，因此系统的节能效果好；
15.(2)在泵和多个油缸之前设置多路高速开关阀，利用高速开关阀的快速开关来控制油缸的位移，实现了单泵-多执行器的同步控制，并避免了油缸负载偏差的干扰，抗偏载能力强，因此系统的同步精度高。实践已表明：在大偏载下12点的同步位置误差小于0.5mm，可满足大型井架纠偏的需求；
16.(3)采用70mpa级高压液压元件，具有体积小，顶升力大的优点，适合在狭小涵洞开展纠偏作业，同时油缸上部设置偏转头，其可旋转支腿旋转，可避免油缸承受侧向力而破坏；
17.(4)每一套变频调速泵站控制多个高压双作用油缸，而中央控制系统控制多套变频调速泵站，这种架构便于扩展和组网，可实现上百点的同步控制；
18.(5)液压系统设置了安全阀、液控单向阀等多重安全保护，即使爆管也可以保持顶升的负载不下降，系统具有安全性高的优点。
附图说明
19.图1是本发明的大型井架4个支腿基础的示意图
20.图2是本发明的一个支腿的油缸顶升布置图
21.图3是本发明的大型井架纠偏多点同步电液控制系统的结构示意图
22.图4是本发明的变频调速-高速开关高压系统的液压原理图
23.图5是本发明的带偏转球头高压双作用油缸的示意图
24.图6是本发明的多缸同步控制测控原理
25.图7是本发明的多点同步电液控制系统的实验效果
26.图中：1-箱型支腿，2-混凝土基础，3-井筒，4-涵洞，100-变频调速-高速开关高压系统，110-变频调速泵站，111-变频驱动器，112-变频调速电机，113-高压径向柱塞泵，114-安全阀组，115-油箱，120-控制阀组，121-高速开关阀，122-液控单向阀，123-单向节流阀，130高压软管，131-单向导通功能的快速插头，140-高压双作用油缸，141-偏转头，142-测量板，150-吸附式位移传感器，160-压力传感器，200-中央控制系统，210-数据采集单元，220-控制器，230-上位机
具体实施方式
27.下面结合附图，对本发明做更进一步的解释。
28.这里典型的实施例是，每套变频调速-高速开关高压系统包含6只高压双作用油缸，利用两套液压系统共计12只油缸的同步动作来控制两个支腿的升降，以进行大型井架的纠偏。
29.如图1和2所示，大型井架由4个箱型支腿1支撑，箱型支腿1下设置混凝土基础2，通过调整4个箱型支腿1支腿的高度来保证井架的中心与井筒3的中心保持一致。在混凝土基础2的两侧开设2个涵洞4，每个涵洞内安装3只高压双作用油缸140，共用6只高压双作用油缸同步顶升1个箱型支腿，以调整井架的姿态。
30.如图3所示，基于变频调速-高速开关的大型井架纠偏多点同步电液控制系统，包括2套变频调速-高速开关高压系统100、一套中央控制系统200，其中每套变频调速-高速开关高压系统100包含6只高压双作用油缸140，共同顶升箱型支腿1，中央控制系统200通过数据线与2套液压系统通讯，控制12只高压双作用油缸140的同步升降，从而实现大型井架的纠偏复位；采用中央控制系统200集中控制、多套液压系统100并行工作的架构，便于系统扩展和组网，以满足不同点数的同步控制。
31.如图4所示，所述的变频调速-高速开关高压系统100包括变频调速泵站110、多条并联的控制支路，其中每条控制支路包括控制阀组120、高压软管130、高压双作用油缸140、吸附式位移传感器150、压力传感器160，控制阀组120串联于变频调速泵站110和高压双作用油缸140之间，变频调速泵站110为系统提供可调节的系统流量，以控制同步升降的速度，控制阀组120控制高压双作用油缸的升降动作。
32.所述的变频调速泵站110包括变频驱动器111、变频调速电机112、高压径向柱塞泵113、安全阀组114、油箱115，其中变频驱动器111与变频调速电机112通过电缆连接，变频调速电机112和高压径向柱塞泵113机械连接，高压径向柱塞泵113的进口连接油箱115，出口连接控制阀组120，通过变频驱动器111调节变频调速电机112的转速，控制高压径向柱塞泵
113的输出流量，从而控制同步速度；所述安全阀组114并联于高压径向柱塞泵113的出口，其包括电磁换向阀、高压溢流阀、低压溢流阀，通过切换电磁换向阀处于不同的工作位，使顶升和下降工况系统具有不同的溢流压力；所述变频调速电机112包含但不限于交流伺服电机、直流伺服电机。
33.所述的控制阀组120包括高速开关阀121、液控单向阀122、单向节流阀123，其中高速开关阀121具有三位四通和y型中位功能，其p口连接高压径向柱塞泵113的出口，a口通过高压软管130连接高压双作用油缸140的小腔和液控单向阀122的k口，其b口与液控单向阀122、单向节流阀123依次连接，单向节流阀123通过高压软管130连接高压双作用油缸140的大腔；当高速开关阀121分别处于左位、中位、右位时，高压双作用油缸140将上升、停止、下降；当高压双作用油缸140下降时，单向节流阀123产生背压以控制下降速度，同时液控单向阀122间歇地打开和关闭，以防止超速下降。
34.如图5所示，所述高压双作用油缸140，其特征在于：其伸出杆的顶端安装有偏转头141，偏转头141一端是平面，其与箱型支腿1的底面接触，一端是半球形，与伸出杆顶端球面接触；顶升时偏转头141随着箱型支腿1偏转，使高压双作用油缸140的受力始终沿着活塞杆的轴线方向，从而避免高压双作用油缸140承受偏载而被破坏；在偏转头141和伸出杆之间安装有中空的测量板142，吸附式位移传感器150的测量头吸附在测量板142的伸出端，当偏转头141偏转时，测量板142可保持不动，以保证位移测量的精度；高压双作用油缸140的进出油口和高压软管140的两端均设置具有单向导通功能的快速插头131，以方便快速连接高压管路，同时可防止管路拔出时高压双作用油缸140与高压软管130内的油液向外泄漏；
35.所述的吸附式位移传感器150吸附在高压双作用油缸140的外壁，且吸附位置可调整，用于检测高压双作用油缸140的位移，所述压力传感器160并联在高压径向柱塞泵113的出口和单向节流阀123的出口，用于检测系统的压力和高压双作用油缸140的大腔压力。
36.如图6所示，中央控制系统200主要包括通过数据线连接的数据采集单元210、控制器220、上位机230，其中数据采集单元210采集系统12路的压力信号和高压双作用油缸140的位移信号，并反馈给控制器220，经过运算后控制器220输出信号给两路变频驱动器111，以控制两套变频调速电机112的转速，从而调节两台高压径向柱塞泵113输出的流量，同时控制器220发送信号给12路高速开关阀121，控制其开关的频率，从而协同控制12只高压双作用油缸140的动作，上位机230与控制器220连接并通讯，用于监测系统的运行状态、设置系统参数和切换工作模型。
37.现根据具体实施例，中煤五建五处对本技术所发明的基于变频调速-高速开关的大型井架纠偏多点同步电液控制系统开展了实验验证。实验工况如下：
38.系统最大工作压力70mpa，最大流量4l/min，顶升负载150t，采用单泵六缸同步顶升，顶升高度20mm，下降高度20mm，期望的最大同步位置误差0.5mm。
39.图7是6缸同步顶升和下降的实验结果。结果显示，顶升和下降过程中，6只双作用大推力油缸的负载各不相同，两油缸(1号缸和6号)的最大负载差别为24.8t，但即使在如此大偏载情况下，6只双作用高压双作用油缸同步位置误差控制在0.5mm左右，尤其是上升阶段的同步误差较小，这充分说明所发明的多点同步电液控制系统是可行的。

技术特征：

1.基于变频调速-高速开关的大型井架纠偏多点同步电液控制系统，其特征在于：它包括多套变频调速-高速开关高压系统、中央控制系统；其中每套高压系统包含多只高压双作用油缸，共同顶升井架的支腿，中央控制系统通过数据线与多套液压系统连接并通讯，以监测并控制多只高压双作用油缸同步位移，从而实现大型井架的纠偏复位；采用中央控制系统集中控制、多套液压系统并行工作的架构，便于系统扩展和组网，以满足不同点数同步控制；所述的变频调速-高速开关高压系统包括变频调速泵站、多条并联的控制支路，其中每条控制支路包括控制阀组、高压软管、高压双作用油缸、吸附式位移传感器、压力传感器，控制阀组串联于变频调速泵站和高压双作用油缸之间，用于控制高压双作用油缸的上升和下降动作，变频调速泵站为系统提供可调节的系统流量，以控制同步升降的速度。2.根据权利要求1所述的基于变频调速-高速开关的大型井架纠偏多点同步电液控制系统，其特征在于：所述的变频调速泵站包括变频驱动器、变频调速电机、高压径向柱塞泵、安全阀组、油箱，其中变频驱动器与变频调速电机通过电缆连接，变频调速电机和高压径向柱塞泵机械连接，高压径向柱塞泵的进口连接油箱，出口连接控制阀组，通过变频驱动器调节电机转速，控制高压径向柱塞泵流量，从而控制同步速度；所述安全阀组并联于高压径向柱塞泵的出口，使油缸在顶升和下降时系统具有不同的溢流压力。3.根据权利要求1所述的基于变频调速-高速开关的大型井架纠偏多点同步电液控制系统，其特征在于：所述的控制阀组包括高速开关阀、液控单向阀、单向节流阀，其中高速开关阀具有三位四通和y型中位功能，其p口连接高压径向柱塞泵的出口，a口通过高压软管连接高压双作用油缸的小腔和液控单向阀的k口，b口与液控单向阀、单向节流阀依次连接，单向节流阀通过高压软管连接高压双作用油缸的大腔；通过切换高速开关阀处于不同的工作位控制高压双作用油缸的上升和下降；当高压双作用油缸下降时，单向节流阀产生背压以控制下降速度，同时液控单向阀间歇地打开和关闭，以防止超速下降。4.根据权利要求1所述的基于变频调速-高速开关的大型井架纠偏多点同步电液控制系统，其特征在于：所述的高压双作用油缸伸出杆的顶端安装有偏转头，偏转头一端是平面，其与箱型支腿底面接触，一端是半球形，与伸出杆顶端球面接触；顶升时偏转头随着箱型支腿偏转，使高压双作用油缸的受力始终沿着活塞杆的轴线方向，从而避免高压双作用油缸承受偏载而被破坏；在偏转头和伸出杆之间安装有中空的测量板，吸附式位移传感器的测量头吸附在测量板的伸出端，当偏转头偏转时，测量板可保持不动，以保证位移测量的精度；高压双作用油缸的进出油口和高压软管的两端均设置具有单向导通功能的快插插头，以方便管路的快速连接，同时可防止管路拔出时高压双作用油缸与高压软管内的油液向外泄漏。5.根据权利要求1所述的基于变频调速-高速开关的大型井架纠偏多点同步电液控制系统，其特征在于：所述的吸附式位移传感器吸附在高压双作用油缸的外壁，且吸附位置可调整，用于检测高压双作用油缸的位移，所述压力传感器并联在高压径向柱塞泵的出口和单向节流阀的出口，用于检测系统的压力和高压双作用油缸的大腔压力。6.根据权利要求1所述的基于变频调速-高速开关的大型井架纠偏多点同步电液控制系统，其特征在于：所述的中央控制系统主要包括通过数据线连接的数据采集单元、控制器、上位机；数据采集单元采集系统各处的压力信号和高压双作用油缸的位移信号，并反馈
给控制器，控制器经过运算后输出信号给变频驱动器，以控制变频调速电机的转速，从而调节高压径向柱塞泵输出的流量，同时控制器发送信号给高速开关阀，控制其开关的频率，从而协同控制多只高压双作用油缸的动作，上位机与控制器进行通讯，用于监测系统的运行状态、设置系统参数和切换工作模型。

技术总结

本发明公开了基于变频调速-高速开关的大型井架纠偏多点同步电液控制系统，适用大型井架的纠偏复位，包括多套变频调速-高速开关高压系统、中央控制系统；其中每套高压液压系统包含多只高压双作用油缸，共同顶升井架的支腿，采用中央控制系统集中控制、多套液压系统并行工作的架构，便于系统扩展和组网，以满足不同点数的同步控制。所发明的多点同步电液控制系统具有同步精度高、同步点数多、系统体积小、节能效果好、安全性高等诸多优点。安全性高等诸多优点。安全性高等诸多优点。