采煤機自動調高液壓系統的優化控制研究

閆文慧

（山西西山晉興能源有限責任公司斜溝煤礦， 山西 呂梁 033602）

引言

隨著科技的不斷發展，世界各國對于能源的消耗也不斷增加，而煤炭作為戰略性儲備資源，在世界上廣受關注。我國是煤炭資源儲量大國，對于煤炭開采頗為重視。采煤機是煤炭開采的核心設備之一，對于煤炭開采業的發展、企業的轉型升級起著關鍵性作用[1-5]。本文對傳統采煤機自動調高液壓系統進行問題分析，針對具體問題給出相應的解決方案，并對其進行結構原理分析和控制優化，以達到提高使用效率、優化控制性能、節省資源的目的，推動綜采自動化發展，帶動企業發展。

1 采煤機自動調高液壓系統結構原理

采煤機自動調高液壓系統由四部分組成，包括機械系統、檢測系統、電氣控制系統和液壓控制系統。液壓控制系統主要由電動機、泵、閥門組成，電氣系統由D/A、A/D、PID 控制器和功率放大器組成，機械系統由擺臂、油缸、滾筒等組成，如圖1 所示。

圖1 采煤機自動調高液壓系統結構

當采煤機進入工作狀態后，由控制器接收外部發出的調整指令，由D/A 放大所接收的數字調整指令傳輸至電液比例閥上的電磁鐵，控制閥芯根據指令進行位移。此時，高壓乳液由液壓泵注入閥芯，閥芯通過移動形成液壓管路，并使乳液進入液壓缸腔體內，從而控制油缸桿伸縮，調整系統內滾筒的高度。電氣系統會接收到由線性傳感器所發出的位移信號，經過A/D 轉換處理之后發送至控制器系統，控制器會對比接收位移信號與輸入位移信號，判斷是否運行到位，計算出相應的位移差，再將信號發至PID 進行處理分析，傳輸信號至控制系統，微調閥芯和滾動位置。通過上述運行過程，可保證采煤機自動調高液壓系統較高的穩定性和精確性。

2 采煤機自動調高液壓系統控制優化

本文擬通過電液比例控制閥技術對傳統電磁閥控制的自動調高液壓系統進行技術改進，運用AMEsim 仿真技術軟件進行系統建模，結合調高液壓系統的相關理論，對采煤機自動調高液壓系統進行相關選型和建模，分析調高系統的動態參數，體現優化后的優勢。

2.1 電液比例控制原理

電液比例閥可在閉環系統中用于數字信號轉換和組件的放大，也可用于開環系統實施液壓控制參數的監測。電液比例閥控制原理如圖2 所示。

圖2 電液比例閥控制原理

電液比例閥控制系統由比例放大器、指令元件、電液比例閥、控制算法、液壓執行元件、反饋元件六部分組成。其中，比例放大器主要是進行整理、加工和放大控制信號，電磁鐵的位移偏差信號較弱，無法通過自身發出的信號進行電磁鐵調整，故需要放大器進行信號放大，推動調整，滿足要求。指令元件是指信號產生進行信息輸入的系統元件，也稱作輸入電路，可設置為手動模式和自動模式。電液比例閥中轉換器和液壓放大器為其核心部件，轉換器主要是進行電-機械信號轉換，轉換后的電信號經過放大，根據實際需求轉換成相應比例的力矩與位移，液壓放大器是將輸出的力矩與位移用液壓的原理放大，從而驅動負載，以達到放大系統功率的功能?？刂扑惴ㄊ菍㈦娦盘柾ㄟ^控制算法轉換為偏差信號輸入至控制器。液壓執行元件是指馬達或者液壓缸，主要用于驅動負載，屬于輸出裝置。反饋元件常用于閉環系統，通過被控制元件或者對中間變量信號檢測而得出具體信號，本設計主要使用位移傳感器。反饋元件分為內環和外環兩個部分，內環主要進行閥門的特性改善，分析閥門的動靜態特性，外環主要檢測輸出量，對系統的精度和性能進行優化。

2.2 調高液壓系統元件選型

2.2.1 安全閥

煤礦綜采工作面環境復雜，在設備運行中采煤機會受到很大影響，例如在割煤過程中，煤炭中存在硬巖石等物質，系統負荷會瞬間提升，對液壓系統造成極大的沖擊，以致破壞液壓系統元件，影響企業生產。因此，本文選用可承載較大壓力和流量的力士樂DBA 安全閥。

2.2.2 電液比例閥

為了在不改變原有功能的基礎上又可實現比例控制，本文選用電液比例換向閥，力士樂防爆電液比例換向閥性能穩定、可靠性高。其具體參數見表1。

表1 力士樂防爆電液比例換向閥參數

2.3 采煤機電液比例控制調高液壓系統建模仿真

經優化后系統的控制過程為：首先位移傳感器對負載位置進行檢測，并生成相應的電壓信號，通過比較生成信號與輸入信號，通過控制算法得出相應的位移差，并經過轉換器形成放大后的控制電壓，控制電壓通過電液比例閥調節節流口的開度大小，從而控制活塞桿的移動，以此達到精準控制負載位移的目的。

其中，電液比例換向閥的閥芯運動計算公式如下：

式中：i0為流量最低值，A；Ke為電流—力增益，N/A；Ks為彈簧剛度，N/m；Yv0為閥口開啟量，m；Xs0為彈簧預壓縮量，m。

按照相關原理和理論，對采煤機電液比例控制調高液壓系統進行仿真模型建立，其中液壓泵元件、液壓缸元件、液壓鎖元件、安全閥元件、油箱元件均使用液壓庫元件，但需保證采煤機電液比例控制調高液壓系統的正常運行。控制系統使用UD03 模塊，自主輸入相關參數，使采煤機電液比例控制調高液壓系統模擬仿真更加真實高效。建立的仿真模型如圖3 所示。

圖3 采煤機電液比例控制調高液壓系統仿真模型

活塞桿響應速度仿真結果如圖4 所示。

由圖4 可知，當仿真時間為0.5 s、步長為0.01 s時，在規定時間內，比例環節呈線性增加到0.05 m/s。在接近0.2 s 時，速度達到穩定狀態。在電液比例換向閥的控制之下，采煤機自動調高液壓系統運行穩定。

圖4 活塞桿響應速度

通過對比電磁閥控制系統和電液比例閥控制系統速度與位移后發現，電液比例閥系統能夠在更短的時間內達到要求位置，可以更快地對滾筒運動實現穩定控制。同時，電液比例閥較普通電磁閥運行更加穩定，無較大波動現象，且在活塞到達穩定狀態后，電液比例閥所控制的活塞桿速度較普通閥高10%，使調高過程更快更穩。

3 結論

本文通過對采煤機自動調高液壓系統的原理進行分析，采用了液壓比例閥代替普通電磁閥的優化方案。通過AMEsim 建模仿真以及相關原理選型分析得出以下結論：

1）電液比例閥控制系統擁有更好的穩定性，控制性能更優。

2）電液比例閥控制系統加快了活塞桿的運行速度，提高了設備運行效率。

3）驗證了改進后調高液壓系統的可行性，與實際應用情況相符。