基于電液比例控制的采煤機(jī)自動(dòng)調(diào)高系統(tǒng)的研究

郭 鑫

（大同煤礦集團(tuán)永定莊煤業(yè)公司， 山西 大同 037000）

引言

采煤機(jī)作為煤炭開采的重要設(shè)備，其工作的可靠性和穩(wěn)定性決定著煤炭企業(yè)的生產(chǎn)效率，在傳統(tǒng)的采煤機(jī)控制系統(tǒng)中，主要是由經(jīng)驗(yàn)豐富的工人根據(jù)采煤機(jī)在工作過(guò)程中煤層的實(shí)際工作條件和采煤機(jī)滾筒切割煤壁的聲音來(lái)對(duì)采煤機(jī)的高度進(jìn)行調(diào)節(jié)，隨著科技的發(fā)展和礦山綜采設(shè)備自動(dòng)化、智能化水平的不斷增加，人工控制調(diào)節(jié)模式已經(jīng)難以適應(yīng)現(xiàn)代煤礦企業(yè)的生產(chǎn)要求。采煤機(jī)的自動(dòng)調(diào)高系統(tǒng)要求采煤機(jī)的滾筒在工作時(shí)能夠根據(jù)煤壁的實(shí)際狀態(tài)自動(dòng)調(diào)整滾筒的切割高度和深度[1]，以確保能夠獲得較大的回采率，采煤機(jī)的液壓調(diào)高控制系統(tǒng)直接決定著采煤機(jī)的工作可靠性和使用壽命，但目前所使用的采煤機(jī)調(diào)高系統(tǒng)存在著反應(yīng)速度慢、調(diào)高靈活性差，調(diào)高過(guò)程波動(dòng)大，造成調(diào)高高度難控制等問題，極大的限制了煤炭生產(chǎn)企業(yè)的正常工作，因此如何確保采煤機(jī)調(diào)高系統(tǒng)的精確調(diào)節(jié)是煤炭生產(chǎn)企業(yè)必須要解決的問題。

1 采煤機(jī)調(diào)高控制系統(tǒng)的建模分析

在采煤機(jī)調(diào)高控制系統(tǒng)中，主要是利用液壓油缸的往復(fù)運(yùn)動(dòng)來(lái)帶動(dòng)采煤機(jī)的搖臂機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)對(duì)采煤機(jī)滾筒工作高度和角度的調(diào)節(jié)，在該系統(tǒng)中，采煤機(jī)液壓油缸在工作中的負(fù)載和壓力的平衡如式（1）所示：

式中：A1為液壓油缸有桿腔的橫截面積；P1為液壓油缸有桿腔的壓力；A2為液壓油缸無(wú)桿腔的橫截面積；P2為液壓油缸無(wú)桿腔的壓力；Ff為作用于液壓油缸活塞桿上的外力；x為液壓油缸活塞桿的位移量；m為作用于活塞桿上的等效當(dāng)量。

式中：C1為液壓油缸的泄露系數(shù)；V1為油缸有桿腔和閥體間管路內(nèi)的油液量；Q1為液壓油缸有桿腔的流量；βe為液壓油的體積彈性模量。

式中：C2為液壓油缸的泄露系數(shù)；V2為油缸有桿腔和閥體間管路內(nèi)的油液量；Q2為液壓油缸有桿腔的流量。

當(dāng)對(duì)執(zhí)行油缸閥控體建立其數(shù)學(xué)模型時(shí)，最關(guān)注的就是液壓缸工作時(shí)其固有頻率最低的情況，而液壓缸閥控體的固有頻率與彈簧剛度有密切的關(guān)系，因此可推出彈簧剛度Kh計(jì)算公式：

對(duì)以上公式進(jìn)行拉氏變換，同時(shí)假設(shè)執(zhí)行油缸有桿腔和無(wú)桿腔的截面積為二者的平均值，則可得到如下所示的傳遞函數(shù)[2]。

式中：L為執(zhí)行油缸的總行程；C1為液壓油缸的泄露系數(shù)；x（s）為調(diào)高油缸的位移。

由式（6）可知，調(diào)高油缸受外力Ff的影響極大，因?yàn)樵诓擅簷C(jī)中，采煤搖臂的長(zhǎng)度、牽引阻力等均為定值，因此采煤機(jī)在某一個(gè)地方進(jìn)行切割時(shí)其壓力主要取決于作用在采煤機(jī)切割滾筒上的負(fù)載。

為了精確模擬執(zhí)行油缸對(duì)采煤機(jī)調(diào)節(jié)高度的關(guān)系，我們建立了采煤機(jī)調(diào)高行程和執(zhí)行油缸行程的數(shù)學(xué)模型，采煤機(jī)調(diào)高系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)[3]如圖1所示。

圖1 采煤機(jī)滾筒調(diào)高系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

由圖1可知，當(dāng)執(zhí)行油缸的位移量較小時(shí)，可近似的認(rèn)為。

式中：ΔL為液壓油缸活塞桿的行程；L1為搖臂長(zhǎng)度；Δθ為液壓油缸活塞桿行程的變化量；

此時(shí)對(duì)應(yīng)的采煤機(jī)滾筒的調(diào)整高度可表示為：

將其聯(lián)立可得采煤機(jī)切割滾筒高度調(diào)整的變化為[4]：

由式（9）分析可知，采煤機(jī)調(diào)高執(zhí)行油缸的活塞位移量和切割滾筒高度變化之間為非線性的關(guān)系，因此在調(diào)高機(jī)構(gòu)數(shù)學(xué)模型關(guān)系的基礎(chǔ)上將模擬研究對(duì)象轉(zhuǎn)換為對(duì)執(zhí)行油缸活塞桿行程的研究。

2 基于電液比例控制的采煤機(jī)調(diào)高液壓系統(tǒng)的建模與仿真

電液比例控制閥體主要用于液壓系統(tǒng)的精確開環(huán)控制中，但也可以作為一個(gè)信號(hào)轉(zhuǎn)換組件用于閉環(huán)的控制系統(tǒng)中，具有控制精度高、反應(yīng)速度快、可靠性高的優(yōu)點(diǎn)[5]，在控制過(guò)程中，首先在系統(tǒng)中設(shè)定控制參數(shù)值，然后PLC控制系統(tǒng)將其轉(zhuǎn)化為模擬量輸入信號(hào)，將控制信號(hào)輸入到系統(tǒng)內(nèi)的電控器，再轉(zhuǎn)化為電流的模擬信號(hào)量，用于控制機(jī)械結(jié)構(gòu)的動(dòng)作，產(chǎn)生相應(yīng)的力，作用于電液比例溢流閥的閥芯上，根據(jù)電流信號(hào)的大小控制閥芯作用的力，控制開口的大小，從而控制流經(jīng)該閥芯的液體的流速和流量，其控制原理如圖2所示。

圖2 電液比例控制閥控制原理圖

將電液比例控制閥應(yīng)用于液壓控制系統(tǒng)，并在AMEsim仿真分析軟件中搭建采煤機(jī)自動(dòng)調(diào)高液壓控制系統(tǒng)的原理圖，如圖3所示。

圖3 電液比例自動(dòng)調(diào)高液壓控制系統(tǒng)的仿真模型

執(zhí)行油缸活塞桿的響應(yīng)仿真曲線如圖4所示：

圖4 活塞桿的響應(yīng)速度曲線

由圖4可知，其仿真設(shè)置的工作時(shí)間為0.5 s，設(shè)置的步長(zhǎng)為0.01 s，根據(jù)仿真結(jié)果可以看出，采煤機(jī)的調(diào)高系統(tǒng)在執(zhí)行調(diào)高的過(guò)程中，執(zhí)行油缸的活塞桿的運(yùn)行速度的變化曲線。在整個(gè)仿真時(shí)間內(nèi)，其趨近于線性穩(wěn)定的比例增加，直到0.05 m/s，當(dāng)在0.22 s時(shí)達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)，可以看出在電液比例閥的作用下能夠精確的控制各運(yùn)行階段的油液的供應(yīng)比例，從而確保了各階段對(duì)采煤機(jī)調(diào)高機(jī)構(gòu)調(diào)整高度的精確控制，保證了系統(tǒng)調(diào)高過(guò)程中的穩(wěn)定性。

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)采煤機(jī)截割滾筒調(diào)高機(jī)理的研究，在總結(jié)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，建立起了調(diào)高機(jī)構(gòu)液壓油缸的數(shù)學(xué)模型，并將液壓油缸活塞桿的行程和調(diào)高機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)高度的關(guān)系建立了精確的數(shù)學(xué)模型，將對(duì)采煤機(jī)調(diào)節(jié)高度的研究轉(zhuǎn)換為對(duì)調(diào)高機(jī)構(gòu)液壓系統(tǒng)執(zhí)行油缸活塞桿行程的研究，最后利用電液比例控制閥為核心建立了液壓調(diào)高機(jī)構(gòu)的仿真模型，并利用AMEsim仿真分析軟件對(duì)其工作過(guò)程進(jìn)行了仿真分析，獲得了在過(guò)程中執(zhí)行油缸運(yùn)行的速度曲線，結(jié)果表明該電液比例控制的采煤機(jī)自動(dòng)調(diào)高液壓系統(tǒng)，很好地解決了目前采煤機(jī)調(diào)高系統(tǒng)無(wú)法精確控制采煤機(jī)調(diào)高角度的問題，同時(shí)極大地提高了調(diào)高系統(tǒng)的工作可靠性和穩(wěn)定性。