現代化采煤機搖臂姿態定位技術研究

申偉鵬

（山西煤炭運銷集團神農煤業有限公司，山西晉城 048400）

0 引言

對于綜采工作面自動化而言，其隸屬于復雜綜合體，它是通過控制系統、供電系統、供液系統、破碎機、轉載機、運輸機、液壓支架以及采煤機協同工作。在此之中，最為重要的設備當屬采煤機。由此可看出，若想實現綜采工作面的自動化，那么首先需設計出符合我國煤層條件的自動控制系統。對于采煤機而言，其系統工程極為復雜，其中所包含的技術有自動化控制、通訊、電器以及機械等等。為了實現采煤機自動化，首先需對采煤機的自動化技術進行深入研究，而其所包含的子系統又分為故障診斷系統、自適應調高、自主定位、遠程控制、通訊系統以及基本控制。采煤機的自主定位又分為兩種，一種是位置定位，另一種是姿態定位，這二者均為自動化采煤機實施的重要問題。

1 采煤機姿態定位

1.1 姿態定位方法

就采煤機而言，牽引機構與其滾筒式的截割機構的連接主要通過鉸接形式實現，并利用伸縮的油缸完成鉸接中心的轉動，與此同時，還利用軸編碼器或是傾角傳感器對采煤機的搖臂角位移、搖臂傾角或是工作面傾角進行采集，并在此基礎上對其進行數學模型的建立，從而測算出搖臂高度，通過所得數據的分析，實現對采煤機截割姿態軌跡的描述，從而為其進行自動截割與遠程控制打下良好基礎[1]。

1.2 編碼器姿態定位

由于采煤機隸屬高集成度綜采設備，且自身所含空間較為狹小，故而在進行各傳感器的安裝時難度相對較大。通常情況下，編碼器都會安裝于采煤機牽引部與搖臂之間的鉸接耳處，且所選安裝位置較為合理，并通過結構的優化設計，使得安裝設備能夠在復雜條件下持續穩定運行。在此背景下，設備能夠合理地對狹小空間進行利用，從而在所安裝的鉸軸處能夠使搖臂與鉸軸同步轉動，并確保實際的采煤數據與編碼器所顯示的數據一致。在進行鉸軸與編碼器連接時，需利用扁平小軸和較為柔軟的聯軸器，以此來有效降低加工難度，從而達到因振動所帶來的編碼器影響。從某一程度上來講，此方式不僅降低了安裝時所需條件，還充分利用了內部的有限空間，與此同時，還實現了對編碼器的合理維護[2]，如圖1所示。

圖1 姿態定位編碼器連接安裝示意圖

2 編碼器姿態定位

本文所選研究對象為綜采工作面MG2x 200∕925 AWD的采煤機，該型式采煤機主要生產于蓋州煤業公司，通過軸編碼器對其機身轉動角度進行測量，并根據相應公式對其采高進行計算。本研究所用的軸編碼器的搖臂長度與分別率分別是2 350 m和2π∕4 096，且其自姿態定位的精度理論值為2 350 x 2π∕4 096，約為3.6 mm。從自動化控制的角度來講，本研究所用理論值符合研究要求。然而由于在實際使用過程當中，采煤機所處環境較為惡劣，且工作產生振動程度相對較大，尤其是在薄煤層的環境下工作，因其機身相對較輕，故而在遇到斷層巖時，常會出現較為強烈的震動現象。因此，在進行安裝之前，首先需對其姿態定位的精度進行確立，使其能夠符合所需要求，不僅如此，在設備運行一段時間后，尤其是有著明顯的震動時，還需對編碼器進行固定，如若不然，將會致使設備出現較大的姿態定位誤差，從而嚴重降低自動化控制的效果。而此時，則需進行編碼器的重新固定或是安裝，并對其數據進行相應的改變，這在無形當中增添了許多麻煩，并對井下生產與推進造成了嚴重阻礙[3]。

3 姿態定位技術改進

3.1 位移傳感器姿態定位

基于對編碼器狀況的研究，為了有效降低其在使用過程中所產生的不良影響，通過國內外相關技術的研究發現，對于采煤機而言，其姿態測量傳感器的安裝需在調高油缸內部，并通過相關設備對油缸內部的伸長量進行測量，根據所得數據對采高進行計算即可[4]，其原理如圖2所示。

采煤機調高油缸內部裝有位移傳感器的波導管和磁環，融為一體，為使用提供了便利，其中前者主要固定在油缸本體中，而后者則位于油缸活塞桿處，移動油缸活塞桿的過程中，會有縱向磁場產生在二者之間，而磁信號經過傳感器轉換以脈沖信號的形式呈現出來，接下來利用高速計時器來測定脈沖信號便能將磁環位置準確、快速地計算出來。

圖2 油缸結構及原理

圖3 為采煤機調高示意圖。從圖中能夠看出，該結構牽引部與搖臂銜鉸接中心與油缸和搖臂之間的距離A為定值，同時牽引部和油缸與牽引部和搖臂之間的距離B也為定值，油缸伸縮對二者均不會產生影響，但是會影響牽引部和油缸與油缸和搖臂之間的距離C。例如MG2×200∕925AWD，最大臥底可達29厘米，最大搖臂采高可達256厘米，精確度能夠達到0.1毫米，油缸活塞長28.5厘米。并且利用信號將處理器和傳感器隔離，能夠令其抗干擾能力得到有效提升，使可靠性與穩定性得到有效保障[5]。

圖3 采煤機調高示意圖

3.2 改進效果

優勢：其一，利用位移傳感器將油缸實際伸長量計算出來，進而提升采煤機搖臂高度，能夠令其精度得到明顯提升，對采煤機搖臂采高進行測量時，若利用編碼器，則其精度為3.6毫米，若利用位移傳感器則能將其精度提升至1毫米，在放大誤差的同時減小其倍數，使其精度更為精確；其二，利用該傳感器能夠令其保護問題得到有效解決，其防護性能得到顯著提升，并且該傳感器與油缸融為一體，位于其內部，因此可以提升抗震功能，即便工作環境較為復雜也能夠適應；其三，傳感器電流信號多處于4～20毫安，將信號隔離添加在信號前端能夠令其可靠性得到明顯提升，避免電磁環境過于復雜對其工作造成影響[6]；其四，利選擇該傳感器后，對于斷電歸零與定期重標問題無需進行考慮，使及其磨損現象得到有效降低，令其穩定性與重復性得到有效保障，還能杜絕因振動給安裝帶來的問題[7]。

使用效果：根據實際應用情況能夠了解，在改進采煤機后，蓋州煤業1002對采煤機搖臂姿態進行測量時利用油缸位移傳感器，明顯提高了定位精度，同時提高了可靠性與穩定性，而安裝因機械振動而導致的松動現象也明顯降低，而重復拆裝與搬家倒面現象也能有效避免，可以對其正常維護。將其應用于1002工作面后出現的問題明顯減少，只有線纜斷裂現象發生，能夠更加穩定運行姿態定位系統和油缸位移傳感器，以確保順利進行綜采自動化工作[8]。

4 結語

在定位采煤機搖臂姿態時所選的傳感器為非接觸式油缸位移傳感器，與編碼器相比，其精度更為理想，利用這一方式不僅能夠令防護傳感器問題得到有效解決，對于斷電后歸零與定期重標等問題也無需再次加以考慮，即便電磁環境較為復雜同樣能夠正常進行工作，所以環境不會對其造成影響，并能使自動化工作數據的可靠性與穩定性得到有效保障，因此可以將其廣泛應用于采煤機中，其市場推廣前景與移植性較強，經過一段時間的發展，其應用必將更為廣泛。