掘進(jìn)機(jī)懸臂擺動(dòng)液壓控制系統(tǒng)的仿真研究

任志亮

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)四老溝礦， 山西 大同 037028）

引言

煤礦生產(chǎn)的關(guān)鍵設(shè)備包括有采煤機(jī)、刮板輸送機(jī)、液壓支架、帶式輸送機(jī)等設(shè)備，掘進(jìn)機(jī)作為巷道采掘的關(guān)鍵設(shè)備，目前其已經(jīng)發(fā)展為掘進(jìn)、裝載、運(yùn)輸、降塵以及支護(hù)為一體的采掘設(shè)備。但是，當(dāng)前我國(guó)在懸臂式掘進(jìn)機(jī)的自動(dòng)化控制方面與國(guó)外仍存在一定的差距，導(dǎo)致掘進(jìn)成本較高、掘進(jìn)效率偏低。在實(shí)際掘進(jìn)過(guò)程中，通過(guò)懸臂的水平和垂直擺動(dòng)旋轉(zhuǎn)截割頭按照設(shè)定軌跡和形狀對(duì)巷道進(jìn)行掘進(jìn)[1]。本文重點(diǎn)對(duì)懸臂式掘進(jìn)機(jī)為例開(kāi)展研究，在當(dāng)前基礎(chǔ)上對(duì)其液壓控制系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)，并對(duì)改進(jìn)后液壓控制系統(tǒng)的性能進(jìn)行仿真研究。

1 懸臂式掘進(jìn)機(jī)改進(jìn)研究

1.1 懸臂式掘進(jìn)機(jī)概述

本文以AM-50 型懸臂式掘進(jìn)機(jī)為例開(kāi)展研究，該型掘進(jìn)機(jī)主要包括有截割結(jié)構(gòu)、裝載結(jié)構(gòu)、中間刮板輸送機(jī)、裝載機(jī)、行走機(jī)構(gòu)以及其他保護(hù)裝置等，該型掘進(jìn)機(jī)的關(guān)鍵參數(shù)如表1 所示。

表1 AM-50 掘進(jìn)機(jī)關(guān)鍵參數(shù)

AM-50 型懸臂式掘進(jìn)機(jī)較其他型號(hào)掘進(jìn)機(jī)相比截割穩(wěn)定，電機(jī)采用外水冷形式，所加裝的安全裝置可避免事故的發(fā)生，具有過(guò)載保護(hù)功能，整體而言該型掘進(jìn)機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)合理、性能優(yōu)越。但是，在實(shí)際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)該型掘進(jìn)機(jī)有如下不足：

1）由于設(shè)備的操作臺(tái)、配電箱等安裝于兩端，導(dǎo)致所形成巷道的斷面面積與其他型號(hào)掘進(jìn)機(jī)相比較小；

2）設(shè)備裝載機(jī)構(gòu)無(wú)法實(shí)現(xiàn)在左右兩個(gè)方向的擺動(dòng)，導(dǎo)致該性掘進(jìn)機(jī)的效率偏低，對(duì)應(yīng)工作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度較大；

3）設(shè)備的降塵效果較差。

1.2 懸臂式掘進(jìn)機(jī)液壓控制系統(tǒng)改進(jìn)

AM-50 型掘進(jìn)機(jī)液壓系統(tǒng)主要包括有穩(wěn)定器油缸、鏟板油缸、左右擺動(dòng)油缸、控制油缸閥以及垂直擺動(dòng)油缸，涉及到的液壓元器件包括有液壓馬達(dá)、溢流閥、換向閥、節(jié)流閥等組成[2]。本文重點(diǎn)對(duì)懸臂式掘進(jìn)機(jī)的左右擺動(dòng)油缸和垂直擺動(dòng)油缸的液壓系統(tǒng)進(jìn)行分析。

其中，左右擺動(dòng)液壓系統(tǒng)控制回路由兩個(gè)液控單向閥和兩個(gè)溢流閥組成；垂直擺動(dòng)液壓控制回路由三個(gè)液控單向閥和一個(gè)單向節(jié)流閥組成。當(dāng)前，擺動(dòng)液壓系統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)框圖如圖1 所示。

圖1 AM-50 型擺動(dòng)液壓控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

如圖1 所示，傳統(tǒng)掘進(jìn)機(jī)擺動(dòng)液壓控制系統(tǒng)主要依靠手動(dòng)或人工完成控制，此種控制方式存在控制精度低、實(shí)時(shí)性差以及勞動(dòng)強(qiáng)度大的問(wèn)題。因此，此次對(duì)掘進(jìn)機(jī)擺動(dòng)液壓控制系統(tǒng)改進(jìn)的核心是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制。結(jié)合掘進(jìn)機(jī)的工作任務(wù)和特點(diǎn)，需重點(diǎn)對(duì)擺動(dòng)液壓系統(tǒng)的擺動(dòng)方向和擺動(dòng)速度進(jìn)行控制。其中，通過(guò)方向閥實(shí)現(xiàn)對(duì)擺動(dòng)方向的控制，通過(guò)改變油缸的流量或其有效面積實(shí)現(xiàn)對(duì)擺動(dòng)速度的控制。綜上所述，采用電液比例閥實(shí)現(xiàn)對(duì)擺動(dòng)液壓控制系統(tǒng)的控制，可采用的控制方式有比例容積調(diào)速控制、比例節(jié)流調(diào)速控制以及比例容積節(jié)流調(diào)速控制[3]。在當(dāng)前AM-50 型掘進(jìn)機(jī)擺動(dòng)液壓控制系統(tǒng)硬件的基礎(chǔ)上作出如下改進(jìn)：

1）采用節(jié)流閥替代原有閥組，采用電液比例方向閥替代原有閥組；此種改進(jìn)方式具有操作方便、相應(yīng)速度快、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等優(yōu)勢(shì)；但是，還存在能耗偏大且系統(tǒng)效率較低的問(wèn)題。

2）采用速度傳感器對(duì)液壓缸活塞速度進(jìn)行控制，在此基礎(chǔ)上通過(guò)控制閥的開(kāi)口大小實(shí)現(xiàn)對(duì)擺動(dòng)速度大小的控制。

改進(jìn)后AM-50 型掘進(jìn)機(jī)擺動(dòng)液壓控制系統(tǒng)的框圖如圖2 所示。

圖2 擺動(dòng)液壓控制系統(tǒng)改進(jìn)后結(jié)構(gòu)框圖

1.3 擺動(dòng)液壓控制系統(tǒng)改進(jìn)元器件選型

本小節(jié)重點(diǎn)對(duì)改進(jìn)后擺動(dòng)液壓控制系統(tǒng)的關(guān)鍵元器件進(jìn)行選型，鑒于篇幅有限，此處僅對(duì)關(guān)鍵元器件的選型結(jié)果進(jìn)行闡述，具體如表2 所示。

表2 改進(jìn)后擺動(dòng)液壓控制系統(tǒng)關(guān)鍵元器件選型

2 掘進(jìn)機(jī)懸臂擺動(dòng)液壓控制系統(tǒng)的仿真研究

2.1 懸臂水平擺動(dòng)液壓控制系統(tǒng)的仿真研究

該小節(jié)主要對(duì)比開(kāi)環(huán)控制和PID 控制系統(tǒng)下水平擺動(dòng)液壓控制系統(tǒng)的仿真結(jié)果。

1）開(kāi)環(huán)控制下懸臂水平擺動(dòng)液壓控制系統(tǒng)仿真。所謂開(kāi)環(huán)控制：系統(tǒng)控制策略不根據(jù)輸出量進(jìn)行調(diào)整。本次開(kāi)環(huán)控制為給系統(tǒng)加載一個(gè)變化的負(fù)載信號(hào)。本次仿真所加載的信號(hào)類型為階躍信號(hào)。并得出如下結(jié)論：在開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)下，所加載的信號(hào)為階躍信號(hào)，擺動(dòng)系統(tǒng)在水平方向的速度在6.35～8.83 m/min 的范圍內(nèi)波動(dòng)，且在5.8 s 時(shí)才逐漸趨于穩(wěn)定，并最終維持在7.15 m/min。總的來(lái)講，在開(kāi)環(huán)控制下系統(tǒng)的振蕩幅度較大，且調(diào)整時(shí)間較長(zhǎng)。

2）PID 控制下懸臂水平擺動(dòng)液壓控制系統(tǒng)的仿真研究。PID 控制參數(shù)為比例環(huán)節(jié)參數(shù)5.2，積分環(huán)節(jié)參數(shù)12.5，微分環(huán)節(jié)參數(shù)為0.7。本次仿真所加載的信號(hào)同樣為階躍信號(hào)，并得出如下結(jié)論：在PID 控制系統(tǒng)下，系統(tǒng)在5 s 的調(diào)整時(shí)間內(nèi)并未出現(xiàn)振蕩現(xiàn)象，而且系統(tǒng)在5.5 s 時(shí)區(qū)域穩(wěn)定，并最終維持在7.15 m/min。

2.2 懸臂垂直擺動(dòng)液壓控制系統(tǒng)的仿真研究

該小節(jié)主要對(duì)比開(kāi)環(huán)控制和PID 控制系統(tǒng)下垂直擺動(dòng)液壓控制系統(tǒng)的仿真結(jié)果。

1）開(kāi)環(huán)控制下懸臂垂直擺動(dòng)液壓控制系統(tǒng)仿真。本次開(kāi)環(huán)控制給系統(tǒng)加載一個(gè)變化的負(fù)載信號(hào)。本次仿真所加載的信號(hào)類型為階躍信號(hào)。并得出如下結(jié)論：在開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)下，所加載的信號(hào)為階躍信號(hào)，擺動(dòng)系統(tǒng)在垂直方向的速度在0.019～0.026 m/s的范圍內(nèi)波動(dòng)，且在2.4 s 時(shí)才逐漸趨于穩(wěn)定，并最終維持在0.0215 m/s。總的來(lái)講，在開(kāi)環(huán)控制下系統(tǒng)的振蕩幅度較大，且調(diào)整時(shí)間較長(zhǎng)。

2）PID 控制下懸臂垂直擺動(dòng)液壓控制系統(tǒng)的仿真研究。PID 控制參數(shù)為比例環(huán)節(jié)參數(shù)為1，積分環(huán)節(jié)參數(shù)為0.002，微分環(huán)節(jié)參數(shù)為0.05。本次仿真所加載的信號(hào)同樣為階躍信號(hào)，并得出如下結(jié)論：在PID 控制系統(tǒng)下，系統(tǒng)在2 s 的調(diào)整時(shí)間垂直方向速度在0.020～0.022 m/s 的范圍內(nèi)波動(dòng)，而且系統(tǒng)在2.35 s 時(shí)區(qū)域穩(wěn)定，并最終維持在0.0215 m/s。

3 結(jié)語(yǔ)

掘進(jìn)機(jī)作為煤礦采掘的關(guān)鍵設(shè)備，掘進(jìn)效率和安全性直接關(guān)系著巷道的成型質(zhì)量和采煤效率。目前，我國(guó)掘進(jìn)機(jī)雖然已經(jīng)集成采掘、運(yùn)輸、支護(hù)等功能為一體，但是自動(dòng)化控制程度偏低，導(dǎo)致實(shí)際掘進(jìn)生產(chǎn)中存在控制精度低、實(shí)時(shí)性差等問(wèn)題[4]。為此，本文以AM-50 型掘進(jìn)機(jī)為例重點(diǎn)對(duì)其擺動(dòng)液壓控制系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)，以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制。經(jīng)仿真分析可知：采用PID 控制策略與開(kāi)環(huán)控制相比能夠減小系統(tǒng)振蕩，且調(diào)整時(shí)間短。