采煤機滾筒智能調高及記憶控制的策略研究

馮 星

（西山煤電屯蘭礦，山西 古交 030206）

引言

采煤機為綜采工作面的關鍵設備，決定煤礦的生產能力。采煤機在實際生產中包括牽引的控制和滾筒升降的控制。其中，采煤機的牽引指的是按照刮板輸送機的導軌前進后退，牽引速度根據實際工況變頻控制；滾筒升降控制根據工作面煤層、巖層情況對滾筒的高度進行控制。對于滾筒升降的控制常由作業(yè)人員通過目視觀察工作面頂板巖層、煤層的變化對搖臂的擺動情況進行控制。工作面粉塵、煤塵濃度較大導致其能見度低，而且作業(yè)人員控制的滯后性導致采煤機截割巖石，不僅影響原煤的質量，而且還會降低采煤機滾筒截齒的壽命，增強作業(yè)人員的勞動強度。因此，有必要實現對采煤機滾筒的智能調高控制，最終實現對煤層的記憶控制。

1 采煤機調高系統(tǒng)概述

采煤機調高系統(tǒng)的基本結構如圖1所示，采煤機調高系統(tǒng)主要由調高泵箱、調高電機、連接架、搖臂、支撐腿以及調高油缸等組成。調高油缸為采煤機調高系統(tǒng)的關鍵，為確保其具有足夠的推力和調高范圍，將其置于采煤機下方，即下置調高油缸。滾筒截割高度通過調高油缸的伸縮實現對連接架和搖臂的升降控制；調高泵箱中安裝有與滾筒調高相關的各種液壓元器件和管路等[1]。

圖1 采煤機調高系統(tǒng)基本結構示意圖

目前，針對采煤機滾筒升降控制可采用電液比例控制技術、電液伺服控制技術和數字化油缸控制技術實現。其中，電液比例控制技術的核心為電液比例閥，通過對其流量和壓力控制實現對滾筒的升降控制，存在的不足是當受外界負載干擾時系統(tǒng)無法進行自動補償調整控制，影響對滾筒升降的控制效果；電液伺服控制技術為將電子技術和計算機技術集成為一體的控制技術，其核心為電液伺服控制系統(tǒng)，具有較高的響應速度和控制精度，但是該控制技術的成本較高；數字化油缸控制技術為當前高科技液壓傳動與控制技術，該技術具有更強的抗干擾特性、控制精度、更快的響應特性等優(yōu)勢。

綜上所述，本文基于數字化油缸技術實現對采煤機滾筒升降的控制，對應的控制原理如圖2所示。

圖2 數字化油缸控制技術原理圖

如圖1所示，伺服電機接收到由控制器發(fā)出的脈沖信號對控制伺服驅動器發(fā)出電壓信號，實現對閥芯位移的控制，從而對調高油缸的流量和壓力進行控制，最終實現對搖臂升降的控制。

2 采煤機智能調高的策略研究

實現采煤機滾筒智能調高的基礎為系統(tǒng)能夠對工作面頂板的巖層和煤層進行智能識別。對于工作面頂板煤巖識別可通過紅外探測技術、雷達探測技術以及天然γ射線法實現，但是上述方法的煤巖識別效果均不佳。故，本文通過采煤機的記憶截割技術間接實現對煤巖的識別。具體操作為：采煤機第一刀截割時通過操作人員根據煤層變化對滾筒截割高度進行手動控制，與此同時控制器將第一刀的截割參數（牽引速度和滾筒不同時刻的高度）記錄；當進行第二刀采煤時，主要通過控制器已存儲的參數對滾筒截割高度和牽引速度進行控制，當煤層發(fā)生較大變化時，可由人工干預對采煤機參數進行調整，并將調整后的截割參數作為下一刀的采煤依據[2]。

滾筒實時高度的確定：采煤機智能調高的另一重要依據為對采煤機實時位置及姿態(tài)進行采集，包括有采煤機沿工作面上行割煤、沿工作面下行割煤、沿推進方向俯采以及沿推進方向仰采。通過對在采煤機機身安裝傾角傳感器和俯仰采傾角傳感器獲取采煤機的實時姿態(tài)信息，并結合此時搖臂和機身所成的角度計算得出采煤機滾筒的實時高度。

采煤機實時位置的確定：與此同時，對于采煤機的實時位置而言可通過在采煤機牽引部減速箱的低速軸安裝編碼器，通過獲取采煤機行走輪轉到的圈數換算出采煤機已行走的距離，結合工作面的走向長度對采煤機進行實時定位。為了保證采煤機實時位置的獲取精度，當采煤機行走至兩端時均需對編碼器的數據進行校正。

3 采煤機智能調高系統(tǒng)的設計及試驗

3.1 采煤機智能調高系統(tǒng)的設計

結合采煤機基于記憶截割對滾筒智能調高的控制策略，設計如圖3所示的智能調高系統(tǒng)控制框圖。

圖3 采煤機智能調高控制框圖

如圖3所示，實現采煤機滾筒高度的智能控制的核心為控制器，控制器通過CAN總線獲取采煤機現場運行的各種模擬量、數字量參數以及機身傾角和機身實時位置等參數；對采集參數結合記憶截割控制策略綜合分析后通過CAN總線將控制指令通過變頻器實現對采煤機牽引速度的控制，通過接觸器實現對采煤機截割電機的控制，通過伺服驅動器實現對伺服數字油缸的控制，進而實現對搖臂擺動角的控制，最終實現對滾筒截割高度的控制。智能調高控制系統(tǒng)涉及到的主要元器件的選型如表1所示。

表1 智能調高系統(tǒng)關鍵元器件選型

采煤機記憶截割的滾筒智能調高控制的程序如圖4所示。

圖4 采煤機記憶截割控制程序流程

3.2 采煤機滾筒智能調高的試驗

本文所提出的采煤機滾筒的智能調高控制策略的關鍵在于當工作面煤層條件發(fā)生變化時，需加入人工干預的因素對截割參數進行實時調整，并將優(yōu)化調整后的截割參數應用于下一刀的截割中[3]。為此，將本文設計的滾筒智能調高的控制策略應用于實際生產中，并對前五刀的采煤效果進行驗證，第一刀為人工控制，對比結果如表2所示，當第二刀根據第一刀記錄的截割參數進行生產時對其中煤層條件變化時的截割參數進行優(yōu)化調整后，在第三刀、第四刀、第五刀的人工干預次數明顯降低，對應的耗時也明顯減小。也就是說，對采煤機智能滾筒調高的記憶截割控制策略進行優(yōu)化后采煤機能夠更好地適應煤層的變化，減少采煤機由于人工干預而停產的時間，極大地提升了采煤機的開采效率。

表2 采煤機記憶截割的試驗數據對比

4 結語

采煤機為綜采工作面的關鍵生產設備，其直接決定工作面的生產能力。為了保證采煤機能夠根據煤層條件的變化對其滾筒高度進行智能化控制，在記憶截割的基礎上引入，實時根據煤層條件的變化進行人工干預，進而對截割參數不斷進行優(yōu)化調整，從而減少系統(tǒng)停產時間，提高采煤機的開采效率。