煤礦井下掘進(jìn)機(jī)防滑移調(diào)控系統(tǒng)的分析

劉俊杰

（陽煤集團(tuán)開元公司生產(chǎn)技術(shù)部， 山西 壽陽 045400）

引言

礦井掘進(jìn)機(jī)是一種依靠履帶和地面的摩擦來提供進(jìn)給作用力，滿足掘進(jìn)作業(yè)的機(jī)械設(shè)備。在進(jìn)行掘進(jìn)作業(yè)時，掘進(jìn)機(jī)底板和地面之間所產(chǎn)生的剪切力具有一定的上限值，當(dāng)出現(xiàn)掘進(jìn)機(jī)提供的轉(zhuǎn)矩大于臨界值后，系統(tǒng)將出現(xiàn)顯著的滑移現(xiàn)象，對掘進(jìn)機(jī)的掘進(jìn)效率和掘進(jìn)穩(wěn)定性產(chǎn)生較大的影響，因此為了提升掘進(jìn)機(jī)在煤礦井下復(fù)雜環(huán)境下的掘進(jìn)可靠性，就需要建立掘進(jìn)機(jī)的防滑移控制系統(tǒng)，對掘進(jìn)機(jī)在不同工況下的輸出轉(zhuǎn)矩和狀態(tài)進(jìn)行調(diào)整，滿足不同工況環(huán)境下的調(diào)節(jié)控制要求。

1 掘進(jìn)機(jī)行駛動力學(xué)分析

礦井掘進(jìn)機(jī)在掘進(jìn)過程中，在驅(qū)動機(jī)構(gòu)作用下掘進(jìn)機(jī)相對于底板來說進(jìn)行的是剪切運動，在摩擦力的作用下底板給掘進(jìn)機(jī)一個向前的作用力，從而為掘進(jìn)機(jī)的進(jìn)給運動提供動力。在實際工作過程中由于煤礦井下的地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜，巷道底板上經(jīng)常出現(xiàn)積水、斜坡等情況，掘進(jìn)機(jī)在掘進(jìn)作業(yè)過程中將會產(chǎn)生履帶的沉降，使掘進(jìn)機(jī)運行過程中產(chǎn)生推土阻力，在轉(zhuǎn)向過程中會產(chǎn)生轉(zhuǎn)向阻力，這兩項阻力直接影響掘進(jìn)機(jī)在掘進(jìn)作業(yè)時的穩(wěn)定性，因此防滑移調(diào)控系統(tǒng)建立的基礎(chǔ)是建立以上兩種工況下產(chǎn)生的阻力的動力學(xué)模型，經(jīng)對掘進(jìn)機(jī)進(jìn)給運動時的受力分析可知，掘進(jìn)機(jī)的推土阻力可表示為[1]：

式中：d為掘進(jìn)機(jī)履帶與地面接觸的有效寬度，mm；c巷道底板上的黏聚力，N；z為履帶陷入底板的深度，mm；φ 為履帶和底板的摩擦角，（°）；Nc為巷道底板的承載系數(shù)，普通狀態(tài)下取0.3，泥濘狀態(tài)下取0.25；γ 為巷道底板上沉積物的密度，kg/m3；Nγ為巷道底板的黏性系數(shù)，普通狀態(tài)下取0.12，泥濘狀態(tài)下取0.14。

在對掘進(jìn)機(jī)在轉(zhuǎn)向過程中的轉(zhuǎn)向阻力計算時，為了簡化運算，假設(shè)掘進(jìn)機(jī)和底板接觸時的阻力是均勻分布的，而且在轉(zhuǎn)向過程中的向心力為零，因此該轉(zhuǎn)向阻力可表示為[2]：

式中：m為掘進(jìn)機(jī)的質(zhì)量，kg；g為重力加速度，N/kg；μ 為履帶與底板的摩擦系數(shù)，普通狀態(tài)下取0.58，泥濘狀態(tài)下取35；l為履帶和底板接觸的長度，mm；

2 掘進(jìn)機(jī)防滑移調(diào)控系統(tǒng)調(diào)控原理

掘進(jìn)機(jī)在掘進(jìn)作業(yè)過程中，履帶和底板之間的摩擦力變化較為復(fù)雜，傳統(tǒng)的將推土阻力和轉(zhuǎn)向阻力按線性或者非線性計算的方案均與實際存在著較大的差異，無法滿足掘進(jìn)機(jī)在復(fù)雜道路情況下的防滑調(diào)控要求，因此在建立掘進(jìn)機(jī)防滑移調(diào)控系統(tǒng)時，對掘進(jìn)機(jī)履帶和底板之間的摩擦力的自動監(jiān)測采用了模糊邏輯控制方式進(jìn)行計算[3]，根據(jù)計算結(jié)果自動對掘進(jìn)機(jī)在該工況下的滑移率進(jìn)行分析、調(diào)節(jié)，滿足在不同工況下的防滑控制要求。該防滑移調(diào)控系統(tǒng)的調(diào)節(jié)控制原理如圖1 所示，圖中i表示最后所計算的滑移率。

圖1 采煤機(jī)PLC 自動調(diào)高監(jiān)測控制系統(tǒng)邏輯原理圖

在該控制系統(tǒng)中，對掘進(jìn)機(jī)的進(jìn)給速度進(jìn)行調(diào)節(jié)的核心元器件為比例溢流閥，驅(qū)動液壓馬達(dá)運行時的轉(zhuǎn)數(shù)則可以利用設(shè)置在傳動機(jī)構(gòu)上的編碼器進(jìn)行控制，確定掘進(jìn)機(jī)運行過程中的實際進(jìn)給速度，計算出滑移率后與系統(tǒng)設(shè)定的臨界值對比，當(dāng)高于設(shè)定的臨界值后系統(tǒng)控制對掘進(jìn)機(jī)運行時的轉(zhuǎn)矩進(jìn)行調(diào)控，在確保滿足掘進(jìn)機(jī)正常行駛條件下降低滑移的概率，直到輸出的滑移率滿足調(diào)控要求，從而確保對掘進(jìn)機(jī)工作過程中的實時監(jiān)測和調(diào)節(jié)，滿足系統(tǒng)的調(diào)節(jié)控制要求，確保掘進(jìn)機(jī)工作過程中的穩(wěn)定性和可靠性。

3 防滑移調(diào)控系統(tǒng)的仿真分析

為了對該防滑移調(diào)控系統(tǒng)的實際應(yīng)用效果進(jìn)行驗證，本文以EBZ-260 掘進(jìn)機(jī)為研究對象，利用Simulink 仿真分析軟件，建立該掘進(jìn)機(jī)防滑移調(diào)控系統(tǒng)的仿真分析模型[4]。根據(jù)煤礦井下巷道內(nèi)的實際情況，設(shè)置掘進(jìn)機(jī)運行的巷道底部的角度為0°～17°，在仿真分析時，分析振動掘進(jìn)機(jī)工作時的最危險工況，設(shè)置巷道底板角度為17°時，掘進(jìn)機(jī)在泥濘道路上進(jìn)行滿負(fù)荷掘進(jìn)作業(yè)，此時液壓馬達(dá)的最大排量約為143 mL/r，轉(zhuǎn)速為3 800 rad/s，在仿真后的1 s 處模擬防滑移調(diào)控系統(tǒng)開始調(diào)控，則此工況下掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)作業(yè)過程中的打滑率變化情況如圖2 所示。

由仿真分析結(jié)果可知，在危險工況下掘進(jìn)機(jī)的滑移概率為40%，當(dāng)開啟防滑移調(diào)控系統(tǒng)后，在約0.1 s 內(nèi)系統(tǒng)就將掘進(jìn)機(jī)運行時滑移的概率調(diào)節(jié)到了約18%，極大降低了掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)作業(yè)時發(fā)生滑移的概率，顯著提升了掘進(jìn)機(jī)工作時的掘進(jìn)速度和穩(wěn)定性。

4 結(jié)論

為了提高掘進(jìn)機(jī)在井下復(fù)雜工況下掘進(jìn)作業(yè)的穩(wěn)定性，建立了掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)作業(yè)時的推土阻力和轉(zhuǎn)向阻力的動力學(xué)方程，以此為基礎(chǔ)，采用模糊算法對掘進(jìn)機(jī)作業(yè)過程中履帶和底板間的剪切力變化情況進(jìn)行分析，確定滑移概率，以Simulink 仿真分析軟件對在危險工況下的調(diào)節(jié)效果進(jìn)行了分析，結(jié)果表明：

1）該控制系統(tǒng)計算出滑移率后與系統(tǒng)設(shè)定的臨界值對比，當(dāng)高于設(shè)定的臨界值后系統(tǒng)控制對掘進(jìn)機(jī)運行時的轉(zhuǎn)矩進(jìn)行調(diào)控，在確保滿足掘進(jìn)機(jī)正常行駛條件下降低滑移的概率，直到輸出的滑移率滿足調(diào)控要求，從而確保掘進(jìn)機(jī)工作過程中的穩(wěn)定性和可靠性。

2）當(dāng)開啟防滑移調(diào)控系統(tǒng)后，在約0.1 s 內(nèi)系統(tǒng)就將掘進(jìn)機(jī)運行時滑移的概率調(diào)節(jié)到了約18%，極大降低了掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)作業(yè)時發(fā)生滑移的概率，顯著提升了掘進(jìn)機(jī)工作時的掘進(jìn)速度和穩(wěn)定性，具有調(diào)節(jié)精度高、響應(yīng)速度快、對井下復(fù)雜環(huán)境適應(yīng)性好的優(yōu)點。

圖2 防滑移調(diào)控系統(tǒng)調(diào)控效果示意圖