采煤機(jī)-液壓支架協(xié)同控制方案分析

王 強(qiáng)

（西山煤電（集團(tuán)）有限責(zé)任公司機(jī)電廠，山西 太原 030053）

引言

綜采工作面實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，需要采煤機(jī)、液壓支架、刮板輸送機(jī)協(xié)同配合，共同完成采煤任務(wù)。采煤機(jī)以刮板輸送機(jī)作為運(yùn)行軌道，沿工作面方向作往復(fù)割煤任務(wù)；液壓支架分布于整個(gè)綜采工作面，支護(hù)采煤空頂區(qū)，保證采煤機(jī)安全割煤，同時(shí)采煤機(jī)截割“一刀”后，液壓支架沿工作面垂直方向推進(jìn)一個(gè)步距；刮板輸送機(jī)將采煤截割的原煤輸送至大巷皮帶機(jī)[1-2]。采煤機(jī)、液壓支架及刮板輸送機(jī)三者之間存在較強(qiáng)的耦合、關(guān)聯(lián)關(guān)系，需進(jìn)行協(xié)同控制，才能更好地完成采煤任務(wù)。本文針對(duì)采煤機(jī)-液壓支架控制系統(tǒng)存在的故障率高、運(yùn)行效率低的問(wèn)題，研究并分析了其協(xié)同控制方案，以提升綜采工作面生產(chǎn)效率。

1 協(xié)同控制模型

綜采工作面“三機(jī)”設(shè)備運(yùn)行時(shí)，采煤機(jī)前后滾筒截割煤壁并在牽引電機(jī)的作用下前進(jìn)/后退，在采煤機(jī)運(yùn)行過(guò)程中，位于采煤機(jī)前方的液壓支架進(jìn)行“收護(hù)幫”的動(dòng)作，位于采煤機(jī)后方的液壓支架進(jìn)行“降柱→抬底→移架→落底→伸護(hù)幫→推溜動(dòng)作”[3-4]。采煤機(jī)與液壓支架協(xié)同控制動(dòng)作示意圖如圖1 所示，其詳細(xì)給出了基于采煤機(jī)運(yùn)行方向的液壓支架各動(dòng)作示意。

圖1 采煤機(jī)與液壓支架協(xié)同控制動(dòng)作示意圖

液壓支架動(dòng)作控制方法有兩種，一是人工操作，即液壓支架根據(jù)采煤機(jī)的位置和牽引速度，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)值對(duì)采煤機(jī)前方/ 后方的液壓支架進(jìn)行順序操作。該方法的缺點(diǎn)是液壓支架的工作量巨大，且完全依賴(lài)人工經(jīng)驗(yàn)，工作環(huán)境惡劣。二是自動(dòng)操作，即對(duì)液壓支架控制器進(jìn)行智能設(shè)計(jì)，根據(jù)采煤機(jī)的位置，由液壓支架控制器控制采煤機(jī)前方/后方的液壓支架進(jìn)行順序操作。該方法的缺點(diǎn)是液壓支架的動(dòng)作無(wú)法適應(yīng)采煤機(jī)牽引速度的變化，工作效率低下。采煤機(jī)與液壓支架協(xié)同控制技術(shù)研究的出發(fā)點(diǎn)基于以下兩點(diǎn)[5]，一是在采煤機(jī)牽引速度較快時(shí)，如何保證液壓支架能夠適時(shí)、準(zhǔn)確地動(dòng)作，防止采煤機(jī)截割到液壓支架；二是在采煤機(jī)牽引速度較快時(shí)，如何保證綜采工作面和煤壁的暴露面積最小。

液壓支架動(dòng)作分為采煤機(jī)前方及采煤機(jī)后方兩部分，位于采煤機(jī)前方的液壓支架需要執(zhí)行的動(dòng)作為“收護(hù)幫”，即為采煤機(jī)截割滾筒煤壁留出空間；位于采煤機(jī)后方的液壓支架需要執(zhí)行的動(dòng)作為“降柱→抬底→移架→落底→伸護(hù)幫→推溜動(dòng)作”，完成采煤機(jī)截割煤壁后空頂區(qū)的支護(hù)，同時(shí)將刮板輸送機(jī)沿工作面方向推進(jìn)一個(gè)截深。

2 協(xié)同控制原理

當(dāng)采煤機(jī)與液壓支架協(xié)同控制時(shí)，通過(guò)安裝在采煤機(jī)機(jī)身合適位置的紅外線發(fā)射裝置不間斷地發(fā)射紅外線信號(hào)，由安裝在液壓支架機(jī)身合適位置的紅外線接收裝置不斷地接收來(lái)自采煤機(jī)發(fā)出的紅外線信號(hào)。采煤機(jī)在不同的位置時(shí)，液壓支架機(jī)身的紅外線接收裝置接收到的紅外線信號(hào)的強(qiáng)度不同。接收到的紅外線信號(hào)強(qiáng)度最大的液壓支架，可確定采煤機(jī)位置，實(shí)現(xiàn)對(duì)采煤機(jī)當(dāng)前位置的測(cè)定。采煤機(jī)位置確定后，即可確定采煤機(jī)前后范圍內(nèi)需移動(dòng)的液壓支架編號(hào)[6-8]。采煤機(jī)與液壓支架的協(xié)同控制，即在采煤機(jī)以速度v 截割煤壁時(shí)，位于采煤機(jī)前后的液壓支架自動(dòng)對(duì)齊、自動(dòng)動(dòng)作過(guò)程。液壓支架對(duì)齊控制是綜采工作面重要的工藝流程，也是保證采煤機(jī)連續(xù)、穩(wěn)定工作，保證刮板輸送機(jī)直線控制的基礎(chǔ)。本課題研究采煤機(jī)以速度v 行進(jìn)時(shí)，基于霍爾效應(yīng)的液壓支架自動(dòng)對(duì)齊控制。

霍爾效應(yīng)是一種電磁現(xiàn)象，其霍爾電動(dòng)勢(shì)VH由公式（1）決定：

式中：KH為霍爾系數(shù)，為一定值；B 為外部磁場(chǎng)強(qiáng)度；I 為外部電流，即霍爾電動(dòng)勢(shì)由外部電流、外部磁場(chǎng)強(qiáng)度及霍爾傳感器型號(hào)對(duì)應(yīng)的霍爾系數(shù)決定，且當(dāng)外部電流I 一定時(shí)，霍爾電動(dòng)勢(shì)與外部磁場(chǎng)強(qiáng)度呈正比；當(dāng)外部磁場(chǎng)強(qiáng)度B 一定時(shí)，霍爾電動(dòng)勢(shì)與外部電流I 呈正比。

控制綜采工作面液壓支架的對(duì)齊時(shí)，只需要保證相鄰液壓支架對(duì)齊即可，即相鄰液壓支架未對(duì)齊時(shí)，給出調(diào)整液壓支架的趨勢(shì)方向；相鄰液壓支架對(duì)齊時(shí)，給出目標(biāo)液壓支架的位置參數(shù)。利用霍爾效應(yīng)的原理，在目標(biāo)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(chǎng)；在動(dòng)作液壓支架頂梁或合適位置安裝霍爾傳感器，與目標(biāo)液壓支架安裝的磁鋼垂直相對(duì)，保證霍爾感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)值最大。根據(jù)霍爾效應(yīng)原理，當(dāng)動(dòng)作液壓支架與目標(biāo)液壓支架未對(duì)齊時(shí)，磁場(chǎng)強(qiáng)度B

由于綜采工作面地質(zhì)復(fù)雜、環(huán)境惡劣，為防止霍爾傳感器丟失，磁鋼磁場(chǎng)覆蓋范圍有限的問(wèn)題，安裝霍爾傳感器時(shí)，采用多個(gè)霍爾傳感器并聯(lián)安裝的方法，降低液壓支架移架過(guò)程中因霍爾傳感器損壞、丟失帶來(lái)的故障[10-12]。多霍爾傳感器并聯(lián)安裝方法示意圖如圖2 所示。

圖2 多霍爾傳感器并聯(lián)安裝方法示意圖

霍爾傳感器輸出信號(hào)以電流/電壓信號(hào)傳送給動(dòng)作液壓支架控制器，液壓支架控制器對(duì)霍爾傳感器信號(hào)進(jìn)行分析、檢測(cè)后，可知該動(dòng)作液壓支架是否與目標(biāo)液壓支架對(duì)齊、需要移架的方向及距離，從而實(shí)現(xiàn)與目標(biāo)液壓支架的對(duì)齊操作。

3 協(xié)同控制實(shí)現(xiàn)

采煤機(jī)-液壓支架協(xié)同控制時(shí)，需統(tǒng)計(jì)液壓支架各動(dòng)作的運(yùn)行時(shí)間，如表1 所示，在3～5 s 內(nèi)可完成液壓支架單動(dòng)作。

表1 液壓支架執(zhí)行各動(dòng)作時(shí)間統(tǒng)計(jì)

為研究采煤機(jī)-液壓支架協(xié)同控制技術(shù)，需明晰采煤機(jī)-液壓支架的幾何尺寸關(guān)系，如圖3 所示，并定義采煤機(jī)、液壓支架關(guān)鍵尺寸。

圖3 采煤機(jī)與液壓支架幾何尺寸關(guān)系

位于采煤機(jī)前方的液壓支架“收護(hù)幫”動(dòng)作按照公式（2）進(jìn)行：

位于采煤機(jī)后方的液壓支架動(dòng)作按照公式（3）進(jìn)行：

式中：fs為采煤機(jī)運(yùn)行前方液壓支架“收護(hù)幫”頻率，Hz；vq為采煤機(jī)與液壓支架的臨界速度，m/s；ki為采煤機(jī)的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)系數(shù)；d 為液壓支架的寬度，m；t1為液壓支架收護(hù)幫所需的時(shí)間，s。圖4 及圖5 所示為采煤機(jī)-液壓支架協(xié)同控制軟件流程。

圖4 采煤機(jī)前方液壓支架收護(hù)幫軟件流程

圖5 采煤機(jī)后方液壓支架動(dòng)作軟件流程

4 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)煤礦井下綜采工作面設(shè)計(jì)的采煤機(jī)-液壓支架協(xié)同控制方案，已經(jīng)在某煤礦綜采工作面完成工業(yè)試驗(yàn)。結(jié)果表明，該方案運(yùn)行穩(wěn)定、可靠，減少了采煤機(jī)與液壓支架的故障發(fā)生率，提高了采煤效率，具有推廣使用價(jià)值。