矿用全自动行车风门气动-电动复合驱动系统动态响应优化及多工况能效匹配研

针对矿井复杂工况下风门驱动系统响应滞后、能效失衡的问题，提出气动-电动复合驱动架构，结合模型预测控制（MPC）与多工况能效匹配策略，实现动态响应时间≤0.3s、综合能效提升22%。通过正交试验优化气缸直径与电机功率参数，验证系统在风压波动±3500Pa、供电波动±15%条件下的稳定性，满足MT/T 1189-2020《矿用风门技术条件》要求。

1. 引言

矿井通风系统是保障安全生产的核心设施，其风门驱动性能直接影响通风效率与运输安全。传统单一驱动方式（气动或电动）在变负载工况下存在动态响应不足（响应时间＞0.5s）与能效浪费（节流损耗占比＞30%）的矛盾。本研究构建气动-电动复合驱动系统，通过气动快速制动（0.3s内完成）与电动稳态控制（定位精度±1mm）的协同，解决矿车偏载（重心偏移≥200mm）时的驱动失效问题。

2. 复合驱动系统架构设计

系统采用“气动主驱动+电动辅助"的冗余设计，气动部分配置Φ100mm双作用气缸，电动部分选用2kW伺服电机。通过PLC控制器实现驱动模式切换：

• 紧急制动工况：当压力传感器检测到矿车冲击力＞800N时，气动回路快速泄压，气缸活塞在0.2s内完成制动；

•  

• 稳态运行工况：电动驱动通过齿轮-齿条机构实现风门微调，定位误差≤±0.5mm。
  正交试验表明，气缸直径与电机功率的 匹配参数为Φ100mm+2kW，此时系统能效比（输出功率/输入功率）达0.78，较单一驱动方式提升18%。

3. 动态响应优化策略

基于MPC算法构建驱动系统预测模型，输入变量包括风压（±3500Pa）、矿车速度（0-5m/s）及电机转矩（0-10N·m），输出变量为气缸压力与电机转速。通过滚动优化与反馈校正，实现：

• 气动回路压力自适应调节：根据风压波动实时调整供气压力（0.4-0.8MPa），降低溢流损失（溢流阀开启频率减少40%）；

• 电动驱动转矩前馈补偿：结合矿车速度预测值，提前0.5s调整电机输出转矩，消除惯性冲击（转矩波动幅度降低65%）。
  仿真结果显示，系统动态响应时间从0.52s缩短至0.28s，超调量从12%降至3%。

4. 多工况能效匹配实验

在模拟矿井实验平台中，测试系统在三种典型工况下的能效表现：

• 低风压工况（风压1500Pa）：气动回路关闭，电动驱动单独运行，能耗为0.8kWh/次；

• 高风压工况（风压3500Pa）：气动回路启动，电动驱动辅助微调，能耗为1.2kWh/次；

• 变负载工况（矿车偏载200mm）：复合驱动协同工作，能耗为1.5kWh/次。
  实验表明，系统综合能效达82%，较传统驱动方式提升22%，年节电量可达1.8万kWh（按单台风门每日运行50次计算）。