現(xiàn)代化采煤機(jī)搖臂姿態(tài)定位技術(shù)研究

申偉鵬

（山西煤炭運(yùn)銷集團(tuán)神農(nóng)煤業(yè)有限公司，山西晉城 048400）

0 引言

對于綜采工作面自動(dòng)化而言，其隸屬于復(fù)雜綜合體，它是通過控制系統(tǒng)、供電系統(tǒng)、供液系統(tǒng)、破碎機(jī)、轉(zhuǎn)載機(jī)、運(yùn)輸機(jī)、液壓支架以及采煤機(jī)協(xié)同工作。在此之中，最為重要的設(shè)備當(dāng)屬采煤機(jī)。由此可看出，若想實(shí)現(xiàn)綜采工作面的自動(dòng)化，那么首先需設(shè)計(jì)出符合我國煤層條件的自動(dòng)控制系統(tǒng)。對于采煤機(jī)而言，其系統(tǒng)工程極為復(fù)雜，其中所包含的技術(shù)有自動(dòng)化控制、通訊、電器以及機(jī)械等等。為了實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)自動(dòng)化，首先需對采煤機(jī)的自動(dòng)化技術(shù)進(jìn)行深入研究，而其所包含的子系統(tǒng)又分為故障診斷系統(tǒng)、自適應(yīng)調(diào)高、自主定位、遠(yuǎn)程控制、通訊系統(tǒng)以及基本控制。采煤機(jī)的自主定位又分為兩種，一種是位置定位，另一種是姿態(tài)定位，這二者均為自動(dòng)化采煤機(jī)實(shí)施的重要問題。

1 采煤機(jī)姿態(tài)定位

1.1 姿態(tài)定位方法

就采煤機(jī)而言，牽引機(jī)構(gòu)與其滾筒式的截割機(jī)構(gòu)的連接主要通過鉸接形式實(shí)現(xiàn)，并利用伸縮的油缸完成鉸接中心的轉(zhuǎn)動(dòng)，與此同時(shí)，還利用軸編碼器或是傾角傳感器對采煤機(jī)的搖臂角位移、搖臂傾角或是工作面傾角進(jìn)行采集，并在此基礎(chǔ)上對其進(jìn)行數(shù)學(xué)模型的建立，從而測算出搖臂高度，通過所得數(shù)據(jù)的分析，實(shí)現(xiàn)對采煤機(jī)截割姿態(tài)軌跡的描述，從而為其進(jìn)行自動(dòng)截割與遠(yuǎn)程控制打下良好基礎(chǔ)[1]。

1.2 編碼器姿態(tài)定位

由于采煤機(jī)隸屬高集成度綜采設(shè)備，且自身所含空間較為狹小，故而在進(jìn)行各傳感器的安裝時(shí)難度相對較大。通常情況下，編碼器都會(huì)安裝于采煤機(jī)牽引部與搖臂之間的鉸接耳處，且所選安裝位置較為合理，并通過結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，使得安裝設(shè)備能夠在復(fù)雜條件下持續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行。在此背景下，設(shè)備能夠合理地對狹小空間進(jìn)行利用，從而在所安裝的鉸軸處能夠使搖臂與鉸軸同步轉(zhuǎn)動(dòng)，并確保實(shí)際的采煤數(shù)據(jù)與編碼器所顯示的數(shù)據(jù)一致。在進(jìn)行鉸軸與編碼器連接時(shí)，需利用扁平小軸和較為柔軟的聯(lián)軸器，以此來有效降低加工難度，從而達(dá)到因振動(dòng)所帶來的編碼器影響。從某一程度上來講，此方式不僅降低了安裝時(shí)所需條件，還充分利用了內(nèi)部的有限空間，與此同時(shí)，還實(shí)現(xiàn)了對編碼器的合理維護(hù)[2]，如圖1所示。

圖1 姿態(tài)定位編碼器連接安裝示意圖

2 編碼器姿態(tài)定位

本文所選研究對象為綜采工作面MG2x 200∕925 AWD的采煤機(jī)，該型式采煤機(jī)主要生產(chǎn)于蓋州煤業(yè)公司，通過軸編碼器對其機(jī)身轉(zhuǎn)動(dòng)角度進(jìn)行測量，并根據(jù)相應(yīng)公式對其采高進(jìn)行計(jì)算。本研究所用的軸編碼器的搖臂長度與分別率分別是2 350 m和2π∕4 096，且其自姿態(tài)定位的精度理論值為2 350 x 2π∕4 096，約為3.6 mm。從自動(dòng)化控制的角度來講，本研究所用理論值符合研究要求。然而由于在實(shí)際使用過程當(dāng)中，采煤機(jī)所處環(huán)境較為惡劣，且工作產(chǎn)生振動(dòng)程度相對較大，尤其是在薄煤層的環(huán)境下工作，因其機(jī)身相對較輕，故而在遇到斷層巖時(shí)，常會(huì)出現(xiàn)較為強(qiáng)烈的震動(dòng)現(xiàn)象。因此，在進(jìn)行安裝之前，首先需對其姿態(tài)定位的精度進(jìn)行確立，使其能夠符合所需要求，不僅如此，在設(shè)備運(yùn)行一段時(shí)間后，尤其是有著明顯的震動(dòng)時(shí)，還需對編碼器進(jìn)行固定，如若不然，將會(huì)致使設(shè)備出現(xiàn)較大的姿態(tài)定位誤差，從而嚴(yán)重降低自動(dòng)化控制的效果。而此時(shí)，則需進(jìn)行編碼器的重新固定或是安裝，并對其數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的改變，這在無形當(dāng)中增添了許多麻煩，并對井下生產(chǎn)與推進(jìn)造成了嚴(yán)重阻礙[3]。

3 姿態(tài)定位技術(shù)改進(jìn)

3.1 位移傳感器姿態(tài)定位

基于對編碼器狀況的研究，為了有效降低其在使用過程中所產(chǎn)生的不良影響，通過國內(nèi)外相關(guān)技術(shù)的研究發(fā)現(xiàn)，對于采煤機(jī)而言，其姿態(tài)測量傳感器的安裝需在調(diào)高油缸內(nèi)部，并通過相關(guān)設(shè)備對油缸內(nèi)部的伸長量進(jìn)行測量，根據(jù)所得數(shù)據(jù)對采高進(jìn)行計(jì)算即可[4]，其原理如圖2所示。

采煤機(jī)調(diào)高油缸內(nèi)部裝有位移傳感器的波導(dǎo)管和磁環(huán)，融為一體，為使用提供了便利，其中前者主要固定在油缸本體中，而后者則位于油缸活塞桿處，移動(dòng)油缸活塞桿的過程中，會(huì)有縱向磁場產(chǎn)生在二者之間，而磁信號經(jīng)過傳感器轉(zhuǎn)換以脈沖信號的形式呈現(xiàn)出來，接下來利用高速計(jì)時(shí)器來測定脈沖信號便能將磁環(huán)位置準(zhǔn)確、快速地計(jì)算出來。

圖2 油缸結(jié)構(gòu)及原理

圖3 為采煤機(jī)調(diào)高示意圖。從圖中能夠看出，該結(jié)構(gòu)牽引部與搖臂銜鉸接中心與油缸和搖臂之間的距離A為定值，同時(shí)牽引部和油缸與牽引部和搖臂之間的距離B也為定值，油缸伸縮對二者均不會(huì)產(chǎn)生影響，但是會(huì)影響牽引部和油缸與油缸和搖臂之間的距離C。例如MG2×200∕925AWD，最大臥底可達(dá)29厘米，最大搖臂采高可達(dá)256厘米，精確度能夠達(dá)到0.1毫米，油缸活塞長28.5厘米。并且利用信號將處理器和傳感器隔離，能夠令其抗干擾能力得到有效提升，使可靠性與穩(wěn)定性得到有效保障[5]。

圖3 采煤機(jī)調(diào)高示意圖

3.2 改進(jìn)效果

優(yōu)勢：其一，利用位移傳感器將油缸實(shí)際伸長量計(jì)算出來，進(jìn)而提升采煤機(jī)搖臂高度，能夠令其精度得到明顯提升，對采煤機(jī)搖臂采高進(jìn)行測量時(shí)，若利用編碼器，則其精度為3.6毫米，若利用位移傳感器則能將其精度提升至1毫米，在放大誤差的同時(shí)減小其倍數(shù)，使其精度更為精確；其二，利用該傳感器能夠令其保護(hù)問題得到有效解決，其防護(hù)性能得到顯著提升，并且該傳感器與油缸融為一體，位于其內(nèi)部，因此可以提升抗震功能，即便工作環(huán)境較為復(fù)雜也能夠適應(yīng)；其三，傳感器電流信號多處于4～20毫安，將信號隔離添加在信號前端能夠令其可靠性得到明顯提升，避免電磁環(huán)境過于復(fù)雜對其工作造成影響[6]；其四，利選擇該傳感器后，對于斷電歸零與定期重標(biāo)問題無需進(jìn)行考慮，使及其磨損現(xiàn)象得到有效降低，令其穩(wěn)定性與重復(fù)性得到有效保障，還能杜絕因振動(dòng)給安裝帶來的問題[7]。

使用效果：根據(jù)實(shí)際應(yīng)用情況能夠了解，在改進(jìn)采煤機(jī)后，蓋州煤業(yè)1002對采煤機(jī)搖臂姿態(tài)進(jìn)行測量時(shí)利用油缸位移傳感器，明顯提高了定位精度，同時(shí)提高了可靠性與穩(wěn)定性，而安裝因機(jī)械振動(dòng)而導(dǎo)致的松動(dòng)現(xiàn)象也明顯降低，而重復(fù)拆裝與搬家倒面現(xiàn)象也能有效避免，可以對其正常維護(hù)。將其應(yīng)用于1002工作面后出現(xiàn)的問題明顯減少，只有線纜斷裂現(xiàn)象發(fā)生，能夠更加穩(wěn)定運(yùn)行姿態(tài)定位系統(tǒng)和油缸位移傳感器，以確保順利進(jìn)行綜采自動(dòng)化工作[8]。

4 結(jié)語

在定位采煤機(jī)搖臂姿態(tài)時(shí)所選的傳感器為非接觸式油缸位移傳感器，與編碼器相比，其精度更為理想，利用這一方式不僅能夠令防護(hù)傳感器問題得到有效解決，對于斷電后歸零與定期重標(biāo)等問題也無需再次加以考慮，即便電磁環(huán)境較為復(fù)雜同樣能夠正常進(jìn)行工作，所以環(huán)境不會(huì)對其造成影響，并能使自動(dòng)化工作數(shù)據(jù)的可靠性與穩(wěn)定性得到有效保障，因此可以將其廣泛應(yīng)用于采煤機(jī)中，其市場推廣前景與移植性較強(qiáng)，經(jīng)過一段時(shí)間的發(fā)展，其應(yīng)用必將更為廣泛。