虎龍溝煤業(yè)掘進機懸臂調(diào)高控制系統(tǒng)的優(yōu)化研究

張誠政

（大同煤礦集團虎龍溝煤業(yè)公司，山西 朔州 038300）

虎龍溝煤業(yè)在井下巷道掘進時采用的為EBZ220H型懸臂式掘進機，在工作過程中操作人員通過目視巷道掘進截面的形狀，對懸臂掘進作業(yè)時的高度和角度進行調(diào)節(jié)，滿足掘進作業(yè)要求。但在實際工作中由于掘進機的調(diào)高系統(tǒng)采用液壓控制方式，在進行調(diào)高作業(yè)時存在著較大的動作滯后性，而且無法對較小的調(diào)節(jié)量進行調(diào)控，導致巷道掘進過程中的成型質量、截割效率均無法滿足井下綜采作業(yè)要求[1]。針對以上情況，虎龍溝煤業(yè)以EBZ220H型掘進機為研究對象，對其調(diào)高控制系統(tǒng)進行優(yōu)化，提出了一種新的調(diào)高控制系統(tǒng)，結合AMEsim仿真分析軟件對優(yōu)化后的調(diào)高控制系統(tǒng)的調(diào)高控制特性進行了研究，表明該調(diào)高控制系統(tǒng)理論上符合調(diào)節(jié)控制要求。在EBZ220H型掘進機上的實際應用表明該控制系統(tǒng)能夠極大地提高懸臂調(diào)高控制的精度，顯著提升了掘進機進行掘進作業(yè)的效率。

1 基于比例溢流閥的調(diào)高控制原理

技術攻關團隊通過對掘進機調(diào)高系統(tǒng)在調(diào)高作業(yè)時調(diào)高過程的分析，發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)調(diào)高失穩(wěn)、控制滯后的主要因素在于：傳統(tǒng)的液壓控制系統(tǒng)中，控制搖臂升降的閥體采用的是三位四通換向閥，在工作過程中液壓油需要經(jīng)過較長的管路才能進入到執(zhí)行油缸內(nèi)，推動搖臂的升降，因此導致操作人員在推動操作桿一段時間后搖臂才開始上升，而且由于三位四通換向閥的閥芯開口度大小一致，導致高壓油在通過閥芯時產(chǎn)生一個較大的向前沖來量，進而導致了執(zhí)行油缸向前有一個加速度。

根據(jù)分析結果，項目團隊提出了一種新的基于比例溢流閥的調(diào)高控制系統(tǒng)。以比例溢流閥[2]為控制核心，根據(jù)不同的調(diào)整量，來控制閥芯開口的大小，而且能夠在整個過程中保持一定的壓力，消除了傳統(tǒng)三位四通換向閥控制時油液在管路內(nèi)流動時的消耗，有效提升了調(diào)節(jié)時搖臂的反應速度。由于采用了可開合式的閥芯，能有效控制油液的流出量，減少了調(diào)控過程中產(chǎn)生油液沖擊的異常，提升了搖臂調(diào)節(jié)時的穩(wěn)定性。新的基于比例溢流閥的調(diào)高控制系統(tǒng)原理如圖1所示。

圖1 基于比例溢流閥的調(diào)高控制系統(tǒng)原理

由圖1可知，該控制系統(tǒng)在實際控制掘進機調(diào)高過程中采用了閉環(huán)反饋[3]的原理。操作人員發(fā)出搖臂調(diào)節(jié)指令后，將其傳輸?shù)诫娍仄鲀?nèi)，電控器將操作信號轉換為電流信號，根據(jù)系統(tǒng)預先設定的電流信號和比例溢流閥開口的大小關系，自動調(diào)節(jié)比例溢流閥的開度大小，驅動掘進機液壓缸的動作，實現(xiàn)對高度的調(diào)整，同時設置的測量反饋元件對調(diào)節(jié)量進行監(jiān)測，將監(jiān)測結果反饋到電控器內(nèi)，實現(xiàn)對調(diào)節(jié)量的修正，確保對掘進機搖臂高度和角度調(diào)整的精確性。

2 液壓調(diào)高系統(tǒng)的仿真分析

為了對該挖掘機懸臂調(diào)高控制系統(tǒng)的工作情況進行驗證，本文利用AMEsim仿真分析軟件建立其仿真分析模型[4]。根據(jù)計算，設置該比例閥的彈簧剛度為200N/m，其工作時的靜摩擦力約為3.1N，動摩擦力為3.3N，懸臂調(diào)高系統(tǒng)的工作壓力為8MPa。進行仿真分析時，設置其仿真時間為10s，仿真時的步長約為0.2s。該調(diào)高系統(tǒng)的仿真分析模型如圖2所示。

不同調(diào)節(jié)方式下掘進機的搖臂調(diào)節(jié)速度變化如圖3所示。

圖3 不同調(diào)高控制系統(tǒng)下?lián)u臂的速度變化曲線

由圖3可知，當采用傳統(tǒng)的三位四通電磁換向閥控制情況下，采煤機搖臂調(diào)節(jié)時的反應時間約為0.37s，且搖臂最大的速度波動約為0.23m/s，調(diào)節(jié)過程中的速度最小為0.58m/s。這主要是由于三位四通電磁換向閥閥口流通量不可調(diào)，導致?lián)u臂調(diào)節(jié)時的最小速度受限，同時在高壓油液的作用下導致速度波動大。當采用新型的調(diào)高控制系統(tǒng)時采煤機搖臂的調(diào)節(jié)反應時間約為0.1s，其搖臂調(diào)整時的最大速度約為0.05m/s，調(diào)節(jié)過程中的最小速度約為0.36m/s，其反應時間僅為傳統(tǒng)方式的27%，速度波動量為傳統(tǒng)方式的21.7%。由此可知采用新的調(diào)高控制系統(tǒng)能夠極大地提升采煤機搖臂調(diào)節(jié)時的反應速度，而且能夠有效地降低調(diào)節(jié)過程中的速度波動，提高采煤機搖臂控制的精確性。

3 虎龍溝煤業(yè)掘進機的實際應用

在對該調(diào)高控制系統(tǒng)進行理論分析可行的情況下，虎龍溝煤業(yè)以EBZ220H型掘進機為對象，對其懸臂調(diào)高控制系統(tǒng)進行升級改造。利用比例溢流閥替代三位四通電磁換向閥，同時對其控制邏輯進行升級，使其滿足控制要求。升級改造完成后，將其投入到井下副井巷道掘進中。通過對2019年6月1日至2019年6月30日期間掘進作業(yè)的統(tǒng)計表明，優(yōu)化后掘進機掘進作業(yè)的效率比優(yōu)化前提升了約4.3%，同時掘進機掘進作業(yè)時的巷道一次成型率比優(yōu)化前提升了約53%，優(yōu)化后的調(diào)高控制系統(tǒng)反應速度、可操作性等均優(yōu)于優(yōu)化前。虎龍溝煤業(yè)掘進機如圖4所示。

圖4 掘進機結構示意圖

4 結論

針對虎龍溝煤業(yè)掘進機在掘進作業(yè)過程中存在的懸臂高度調(diào)控精度差、滯后性大等嚴重影響井下掘進質量的難題，本文在分析以上異常產(chǎn)生原因的基礎上，提出了利用比例溢流閥替代三位四通電磁換向閥的方案，利用AMEsim仿真分析軟件對其調(diào)節(jié)過程進行了仿真分析，通過在虎龍溝煤業(yè)的實際應用表明：

（1）基于比例溢流閥的調(diào)高控制系統(tǒng)，以比例溢流閥為控制核心，根據(jù)不同的調(diào)整量，來控制閥芯開口的大小，而且能夠在整個過程中保持一定的壓力，消除了傳統(tǒng)三位四通換向閥控制時油液在管路內(nèi)流動時的消耗，有效提升了調(diào)節(jié)時搖臂的反應速度。

（2）優(yōu)化后系統(tǒng)的反應時間僅為傳統(tǒng)方式的27%，速度波動量為傳統(tǒng)方式的21.7%。由此可知，采用新的調(diào)高控制系統(tǒng)能夠極大地提升采煤機搖臂調(diào)節(jié)時的反應速度，而且能夠有效地降低調(diào)節(jié)過程中的速度波動，提高采煤機搖臂控制的精確性。

（3）優(yōu)化后掘進機掘進作業(yè)的效率比優(yōu)化前提升了約4.3%，同時掘進機掘進作業(yè)時的巷道一次成型率比優(yōu)化前提升了約53%，優(yōu)化后的調(diào)高控制系統(tǒng)反應速度、可操作性等，均優(yōu)于優(yōu)化前。