礦用掘進機供水流量智能控制系統的設計

趙 宏

（同煤集團挖金灣煤業公司， 山西 大同 037001）

引言

掘進作業面的工作環境存在較大的粉塵，其不具備較好的通風條件，油箱的體積會受到巷道空間的制約，極易導致液壓系統出現油溫升高的問題。通常，掘進機大多利用循環作業的方式來進行支護，此時液壓系統所聚集的熱量也會逐漸散發，使得掘進機油溫不會上升得過高。但是若掘進機在某個條件下進行持續運作的時候，其液壓系統將會出現油溫上升的問題。掘進機正常運行時的油溫處于35～65℃之間，其油溫的最高值為70℃，如果循環油的溫度較高，則掘進機的運行效率將會持續降低，因此，處于適宜的溫度之下，維持液壓系統的熱平衡，對掘進機的正常運行起到較好的作用。

1 掘進機供水系統簡介

掘進機的供水系統主要應用在泵站及截割電機、液壓系統的冷卻工作中，同時可以對掘進作業面進行除塵，提高可見度，改善環境，確保人員的安全。掘進機供水系統的原理見圖1，水經過反沖洗過濾器之后可以被分為兩路：通過球閥而進入到內噴霧，對截齒進行冷卻，對掘進作業面進行除塵；壓力降低到1.5 MPa之后，再分為兩路，其中一路相繼經過蛇形冷卻器、板翹式冷卻器、泵站電機、截割電機，之后再從冷卻噴霧噴出，另一路在壓力增加之后，再經過高壓外噴霧噴出對掘進工作面進行除塵[1-3]。

根據圖1可知，本供水系統只可以將冷卻水壓力進行展示，各個支路的流量及壓力都是未知的。當供水量不足或者過多的時候，不存在預警或者自主調節的功能，只能在液壓系統產生了問題之后才可對供水系統進行判斷。因此，需要設計出一套合理的供水量智能控制系統來處理供水不足或者過多的問題。

圖1 掘進機供水系統原理

2 掘進機供水流量流量智能控制系統原理分析

其原理詳見下頁圖2。在以往的供水系統之中分別加設3個比例電磁水閥、流量傳感器和壓力傳感器。其中傳感器可以對流量及壓力的信號進行及時反饋，比例電磁水閥的作用在于對閥口進行調節，以實現供水量的控制，其中比例電磁水閥Ⅰ主要對供水總量進行控制，比例電磁水閥Ⅱ主要是對內噴霧的流量進行控制，比例電磁水閥Ⅲ則是對外噴霧流量進行控制。比例電磁水閥的運行是經過多個流量及壓力傳感器所進行控制的，利用邏輯控制器來對信號進行控制，并發出相應的信號。電磁水閥存在信號反饋，不僅可以實現信號的輸出，也可以實現信號的反饋；流量及壓力傳感器可以發出相應的信號反饋；而系統溫度及噴霧系統所產生的變化則可以屬于控制系統的外部干擾信號；邏輯控制器的目的在于執行信號處理分析。整個系統形成一個完整的閉環，促使目標的控制可以穩、準、快。

3 掘進機供水流量智能控制系統邏輯控制設計分析

流量智能控制系統邏輯控制詳見圖3。壓力傳感器Ⅰ和Ⅲ、流量傳感器Ⅲ在經過邏輯比較分析之后來對比例電磁水閥Ⅲ進行有效的控制，對內噴霧的流量進行適當調節。而比例電磁水閥Ⅰ所具有的開口則需要對壓力及流量傳感器的信號進行對比分析，之后對其進行適當調節。邏輯控制器主要設定了三個擋位的流量，分別為最低流量、標準流量、最高流量。當供水量的總值超出了最高流量的時候，邏輯控制器可以對比例電磁水閥Ⅰ來進行直接控制，以適當降低流量；當供水量低于最低流量的時候，泵站電機與截割電機都無法開啟，發揮較好的保護作用。當供水量處于最高與最低流量之間的時候，邏輯控制器依據壓力、流量等參數來進行綜合判斷，給出相關的信號來對水閥的開關進行控制。標準流量利用理論計算及實驗相結合來取得，最高及最低流量依據現場的實際經驗來進行設置，將標準流量設定為110%。

圖2 流量智能控制系統原理

圖3 流量智能控制系統邏輯框架

4 掘進機流量智能控制系統數據設計分析

該系統是以數據庫為核心而取得成功的，而數據庫是實驗與理論相結合的產物，因此，理論計算應當與實驗同步開展。掘進機主要包含了三個方面的供水量，分別為內噴霧、高壓外噴霧和冷卻外噴霧。其中內噴霧和高壓外噴霧滿足噴霧流量計算公式：

式中：q為相應的噴霧水流量；n為相應的噴嘴數量；k為相應的流量系數；p為相應的噴霧壓力。

噴嘴的直徑越大，其降塵的效率也會越高；噴嘴的直徑越小，其會因為環境因素的影響而出現堵塞。但是如果直徑較大，則消耗水量也會越大。

高水壓所取得的水霧相對較細，同時還可以確保水霧顆粒擁有較大的含水量和較高的運動速度，對噴霧降塵有著較好的促進作用。但是高水壓也會產生較大的能耗，系統部件由于受力的增加而產生故障等問題，因此，供水壓力應當依據現場的實際狀況來進行設定。

基于噴霧理論可知，理想的噴霧范圍是經過噴霧夾角與到噴嘴口之間的距離而計算出來的。噴嘴的排列形式將會對噴霧的分布效果造成一定的影響。霧化的角度相對較小，霧流將會對整個截割頭產生完全覆蓋，那就會導致噴嘴的數量持續增加，對降塵系統的穩定性產生較大的影響。

基于上述理論對噴嘴加以明確之后，流量系數k保持一定；而壓力P則需要依據礦井中的要求來進行設定，內、外噴霧的壓力分別為2 MPa和4 MPa；掘進機的內噴霧與高壓外噴霧不具有相同的設置，而對供水量產生影響的核心因素為噴嘴的數量，因此，噴嘴的數量與供水流量呈現正比關系。

掘進機的發熱功率主要由截割電機、泵站電機、液壓系統的功率及效率所決定。液壓系統所具有的發熱功率可以依據經驗值來進行計算，電機維持在最佳溫度時，其所需的冷卻流量最小為：

式中：Pw為相應的電機發熱功率；ρ為相應的冷卻液的質量密度；Cm為相應的冷卻液的比熱容；△T為相應的冷卻液通過電動機后的溫升。

當掘進機處于持續運行的狀態下，為了使液壓系統保持良好的熱平衡狀態，除了油箱會散發一些系統熱量之外，余下的熱量都是經過水冷卻器來進行發散的。

在對液壓系統的發熱功率進行計算之后，通過與理論的發熱功率進行對比分析，依據冷卻功率來選擇最佳的冷卻器種類，并確定數量。

對冷卻器在實際運用過程中會出現散熱片受污染的問題加以考慮，導致其散熱的有效面積降低，因此在選擇冷卻器的時候，其散熱面積的實際值將會增加20%～30%。針對冷卻器開展相應的熱平衡試驗，其應滿足公式（3）：

式中：T為相應的平衡油溫；t為相應的水溫；b為相應的冷卻器散熱板厚度；λ為相應的熱交換面導熱系數；A為相應的冷卻器熱交換面積。

收集實驗數據，并將其輸入到計算機軟件中來進行計算，得出各個單元所需要的流量表，如下頁表1，并得到了相應的冷卻流量圖（略）。序號①所表示的為冷卻流量，其壓力維持在1.49 MPa以下；序號②所表示的為內噴霧流量，其壓力應當大于1.99 MPa；序號③表示的四高壓外噴霧流量，其壓力應處于3.99 MPa之上，由此可以得出，系統的標準流量為68.16 L/min。

表1 壓力與流量具體關系情況表

上述這些都以數據庫的建立為基礎，隨著實驗設備類型的不斷增加，數據庫會日益完善。面對著繁瑣的數據庫構成，一套穩定的控制理論是確保整個智能化控制系統得以正常運行的關鍵所在，這樣才可以真正展現出智能控制的價值。

5 掘進機供水流量智能控制系統故障診斷系統設計分析

系統創建的初期，通過簡單的邏輯控制器來開展分析與判斷，傳感器與執行部件相對較少，但是隨著工況、機型等因素的持續增加，簡單的邏輯判斷已經無法滿足該系統的正常運行。圖4所表示的為理想的流量智能控制系統。數據庫已基本成熟，系統引入了一些了較為復雜的控制理論，如模糊控制理論等，傳感器及執行部件的類型及數量也會越來越多。

專家診斷系統所具有的準確性是以案例為基礎所創建的，只有擁有豐富的案例，該系統才能具備更高的準確性。例如，現階段掘進設備內安裝的噴霧系統不具有較長的壽命，在礦井下無法長時間使用，超出80%的掘進設備基本都會在一周之內失效，其關鍵原因在于噴嘴極易受到堵塞，旋轉的密封性較差。專家診斷系統必須利用數據庫來與實時數據進行對比，找出故障原因，并發出精確的指令。

圖4 理想流量智能控制系統邏輯框架

6 結論

對掘進機供水體系進行智能化設計，利用熱平衡公式及流體公式來進行計算，并與冷卻噴霧水的試驗相結合，對供水流量智能化調節所具有的可行性進行分析。此外，本文提出針對后期供水系統創建起完善的數據庫，并對復雜控制理論的系統模型進行展望，這不僅對日后掘進機供水體系的設計具有較好的參考意義，而且對煤礦之中的其他供水系統有著較好的參考意義。