采煤機-液壓支架協同控制方案分析

王 強

（西山煤電（集團）有限責任公司機電廠，山西 太原 030053）

引言

綜采工作面實際生產過程中，需要采煤機、液壓支架、刮板輸送機協同配合，共同完成采煤任務。采煤機以刮板輸送機作為運行軌道，沿工作面方向作往復割煤任務；液壓支架分布于整個綜采工作面，支護采煤空頂區，保證采煤機安全割煤，同時采煤機截割“一刀”后，液壓支架沿工作面垂直方向推進一個步距；刮板輸送機將采煤截割的原煤輸送至大巷皮帶機[1-2]。采煤機、液壓支架及刮板輸送機三者之間存在較強的耦合、關聯關系，需進行協同控制，才能更好地完成采煤任務。本文針對采煤機-液壓支架控制系統存在的故障率高、運行效率低的問題，研究并分析了其協同控制方案，以提升綜采工作面生產效率。

1 協同控制模型

綜采工作面“三機”設備運行時，采煤機前后滾筒截割煤壁并在牽引電機的作用下前進/后退，在采煤機運行過程中，位于采煤機前方的液壓支架進行“收護幫”的動作，位于采煤機后方的液壓支架進行“降柱→抬底→移架→落底→伸護幫→推溜動作”[3-4]。采煤機與液壓支架協同控制動作示意圖如圖1 所示，其詳細給出了基于采煤機運行方向的液壓支架各動作示意。

圖1 采煤機與液壓支架協同控制動作示意圖

液壓支架動作控制方法有兩種，一是人工操作，即液壓支架根據采煤機的位置和牽引速度，根據經驗值對采煤機前方/ 后方的液壓支架進行順序操作。該方法的缺點是液壓支架的工作量巨大，且完全依賴人工經驗，工作環境惡劣。二是自動操作，即對液壓支架控制器進行智能設計，根據采煤機的位置，由液壓支架控制器控制采煤機前方/后方的液壓支架進行順序操作。該方法的缺點是液壓支架的動作無法適應采煤機牽引速度的變化，工作效率低下。采煤機與液壓支架協同控制技術研究的出發點基于以下兩點[5]，一是在采煤機牽引速度較快時，如何保證液壓支架能夠適時、準確地動作，防止采煤機截割到液壓支架；二是在采煤機牽引速度較快時，如何保證綜采工作面和煤壁的暴露面積最小。

液壓支架動作分為采煤機前方及采煤機后方兩部分，位于采煤機前方的液壓支架需要執行的動作為“收護幫”，即為采煤機截割滾筒煤壁留出空間；位于采煤機后方的液壓支架需要執行的動作為“降柱→抬底→移架→落底→伸護幫→推溜動作”，完成采煤機截割煤壁后空頂區的支護，同時將刮板輸送機沿工作面方向推進一個截深。

2 協同控制原理

當采煤機與液壓支架協同控制時，通過安裝在采煤機機身合適位置的紅外線發射裝置不間斷地發射紅外線信號，由安裝在液壓支架機身合適位置的紅外線接收裝置不斷地接收來自采煤機發出的紅外線信號。采煤機在不同的位置時，液壓支架機身的紅外線接收裝置接收到的紅外線信號的強度不同。接收到的紅外線信號強度最大的液壓支架，可確定采煤機位置，實現對采煤機當前位置的測定。采煤機位置確定后，即可確定采煤機前后范圍內需移動的液壓支架編號[6-8]。采煤機與液壓支架的協同控制，即在采煤機以速度v 截割煤壁時，位于采煤機前后的液壓支架自動對齊、自動動作過程。液壓支架對齊控制是綜采工作面重要的工藝流程，也是保證采煤機連續、穩定工作，保證刮板輸送機直線控制的基礎。本課題研究采煤機以速度v 行進時，基于霍爾效應的液壓支架自動對齊控制。

霍爾效應是一種電磁現象，其霍爾電動勢VH由公式（1）決定：

式中：KH為霍爾系數，為一定值；B 為外部磁場強度；I 為外部電流，即霍爾電動勢由外部電流、外部磁場強度及霍爾傳感器型號對應的霍爾系數決定，且當外部電流I 一定時，霍爾電動勢與外部磁場強度呈正比；當外部磁場強度B 一定時，霍爾電動勢與外部電流I 呈正比。

控制綜采工作面液壓支架的對齊時，只需要保證相鄰液壓支架對齊即可，即相鄰液壓支架未對齊時，給出調整液壓支架的趨勢方向；相鄰液壓支架對齊時，給出目標液壓支架的位置參數。利用霍爾效應的原理，在目標液壓支架頂梁或者合適位置安裝磁鋼，用于為霍爾傳感器提供磁場；在動作液壓支架頂梁或合適位置安裝霍爾傳感器，與目標液壓支架安裝的磁鋼垂直相對，保證霍爾感應電動勢值最大。根據霍爾效應原理，當動作液壓支架與目標液壓支架未對齊時，磁場強度B

由于綜采工作面地質復雜、環境惡劣，為防止霍爾傳感器丟失，磁鋼磁場覆蓋范圍有限的問題，安裝霍爾傳感器時，采用多個霍爾傳感器并聯安裝的方法，降低液壓支架移架過程中因霍爾傳感器損壞、丟失帶來的故障[10-12]。多霍爾傳感器并聯安裝方法示意圖如圖2 所示。

圖2 多霍爾傳感器并聯安裝方法示意圖

霍爾傳感器輸出信號以電流/電壓信號傳送給動作液壓支架控制器，液壓支架控制器對霍爾傳感器信號進行分析、檢測后，可知該動作液壓支架是否與目標液壓支架對齊、需要移架的方向及距離，從而實現與目標液壓支架的對齊操作。

3 協同控制實現

采煤機-液壓支架協同控制時，需統計液壓支架各動作的運行時間，如表1 所示，在3～5 s 內可完成液壓支架單動作。

表1 液壓支架執行各動作時間統計

為研究采煤機-液壓支架協同控制技術，需明晰采煤機-液壓支架的幾何尺寸關系，如圖3 所示，并定義采煤機、液壓支架關鍵尺寸。

圖3 采煤機與液壓支架幾何尺寸關系

位于采煤機前方的液壓支架“收護幫”動作按照公式（2）進行：

位于采煤機后方的液壓支架動作按照公式（3）進行：

式中：fs為采煤機運行前方液壓支架“收護幫”頻率，Hz；vq為采煤機與液壓支架的臨界速度，m/s；ki為采煤機的動態調節系數；d 為液壓支架的寬度，m；t1為液壓支架收護幫所需的時間，s。圖4 及圖5 所示為采煤機-液壓支架協同控制軟件流程。

圖4 采煤機前方液壓支架收護幫軟件流程

圖5 采煤機后方液壓支架動作軟件流程

4 結語

根據煤礦井下綜采工作面設計的采煤機-液壓支架協同控制方案，已經在某煤礦綜采工作面完成工業試驗。結果表明，該方案運行穩定、可靠，減少了采煤機與液壓支架的故障發生率，提高了采煤效率，具有推廣使用價值。