礦用掘進(jìn)機(jī)供水流量智能控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

趙 宏

（同煤集團(tuán)挖金灣煤業(yè)公司， 山西 大同 037001）

引言

掘進(jìn)作業(yè)面的工作環(huán)境存在較大的粉塵，其不具備較好的通風(fēng)條件，油箱的體積會(huì)受到巷道空間的制約，極易導(dǎo)致液壓系統(tǒng)出現(xiàn)油溫升高的問題。通常，掘進(jìn)機(jī)大多利用循環(huán)作業(yè)的方式來進(jìn)行支護(hù)，此時(shí)液壓系統(tǒng)所聚集的熱量也會(huì)逐漸散發(fā)，使得掘進(jìn)機(jī)油溫不會(huì)上升得過高。但是若掘進(jìn)機(jī)在某個(gè)條件下進(jìn)行持續(xù)運(yùn)作的時(shí)候，其液壓系統(tǒng)將會(huì)出現(xiàn)油溫上升的問題。掘進(jìn)機(jī)正常運(yùn)行時(shí)的油溫處于35～65℃之間，其油溫的最高值為70℃，如果循環(huán)油的溫度較高，則掘進(jìn)機(jī)的運(yùn)行效率將會(huì)持續(xù)降低，因此，處于適宜的溫度之下，維持液壓系統(tǒng)的熱平衡，對(duì)掘進(jìn)機(jī)的正常運(yùn)行起到較好的作用。

1 掘進(jìn)機(jī)供水系統(tǒng)簡(jiǎn)介

掘進(jìn)機(jī)的供水系統(tǒng)主要應(yīng)用在泵站及截割電機(jī)、液壓系統(tǒng)的冷卻工作中，同時(shí)可以對(duì)掘進(jìn)作業(yè)面進(jìn)行除塵，提高可見度，改善環(huán)境，確保人員的安全。掘進(jìn)機(jī)供水系統(tǒng)的原理見圖1，水經(jīng)過反沖洗過濾器之后可以被分為兩路：通過球閥而進(jìn)入到內(nèi)噴霧，對(duì)截齒進(jìn)行冷卻，對(duì)掘進(jìn)作業(yè)面進(jìn)行除塵；壓力降低到1.5 MPa之后，再分為兩路，其中一路相繼經(jīng)過蛇形冷卻器、板翹式冷卻器、泵站電機(jī)、截割電機(jī)，之后再?gòu)睦鋮s噴霧噴出，另一路在壓力增加之后，再經(jīng)過高壓外噴霧噴出對(duì)掘進(jìn)工作面進(jìn)行除塵[1-3]。

根據(jù)圖1可知，本供水系統(tǒng)只可以將冷卻水壓力進(jìn)行展示，各個(gè)支路的流量及壓力都是未知的。當(dāng)供水量不足或者過多的時(shí)候，不存在預(yù)警或者自主調(diào)節(jié)的功能，只能在液壓系統(tǒng)產(chǎn)生了問題之后才可對(duì)供水系統(tǒng)進(jìn)行判斷。因此，需要設(shè)計(jì)出一套合理的供水量智能控制系統(tǒng)來處理供水不足或者過多的問題。

圖1 掘進(jìn)機(jī)供水系統(tǒng)原理

2 掘進(jìn)機(jī)供水流量流量智能控制系統(tǒng)原理分析

其原理詳見下頁(yè)圖2。在以往的供水系統(tǒng)之中分別加設(shè)3個(gè)比例電磁水閥、流量傳感器和壓力傳感器。其中傳感器可以對(duì)流量及壓力的信號(hào)進(jìn)行及時(shí)反饋，比例電磁水閥的作用在于對(duì)閥口進(jìn)行調(diào)節(jié)，以實(shí)現(xiàn)供水量的控制，其中比例電磁水閥Ⅰ主要對(duì)供水總量進(jìn)行控制，比例電磁水閥Ⅱ主要是對(duì)內(nèi)噴霧的流量進(jìn)行控制，比例電磁水閥Ⅲ則是對(duì)外噴霧流量進(jìn)行控制。比例電磁水閥的運(yùn)行是經(jīng)過多個(gè)流量及壓力傳感器所進(jìn)行控制的，利用邏輯控制器來對(duì)信號(hào)進(jìn)行控制，并發(fā)出相應(yīng)的信號(hào)。電磁水閥存在信號(hào)反饋，不僅可以實(shí)現(xiàn)信號(hào)的輸出，也可以實(shí)現(xiàn)信號(hào)的反饋；流量及壓力傳感器可以發(fā)出相應(yīng)的信號(hào)反饋；而系統(tǒng)溫度及噴霧系統(tǒng)所產(chǎn)生的變化則可以屬于控制系統(tǒng)的外部干擾信號(hào)；邏輯控制器的目的在于執(zhí)行信號(hào)處理分析。整個(gè)系統(tǒng)形成一個(gè)完整的閉環(huán)，促使目標(biāo)的控制可以穩(wěn)、準(zhǔn)、快。

3 掘進(jìn)機(jī)供水流量智能控制系統(tǒng)邏輯控制設(shè)計(jì)分析

流量智能控制系統(tǒng)邏輯控制詳見圖3。壓力傳感器Ⅰ和Ⅲ、流量傳感器Ⅲ在經(jīng)過邏輯比較分析之后來對(duì)比例電磁水閥Ⅲ進(jìn)行有效的控制，對(duì)內(nèi)噴霧的流量進(jìn)行適當(dāng)調(diào)節(jié)。而比例電磁水閥Ⅰ所具有的開口則需要對(duì)壓力及流量傳感器的信號(hào)進(jìn)行對(duì)比分析，之后對(duì)其進(jìn)行適當(dāng)調(diào)節(jié)。邏輯控制器主要設(shè)定了三個(gè)擋位的流量，分別為最低流量、標(biāo)準(zhǔn)流量、最高流量。當(dāng)供水量的總值超出了最高流量的時(shí)候，邏輯控制器可以對(duì)比例電磁水閥Ⅰ來進(jìn)行直接控制，以適當(dāng)降低流量；當(dāng)供水量低于最低流量的時(shí)候，泵站電機(jī)與截割電機(jī)都無法開啟，發(fā)揮較好的保護(hù)作用。當(dāng)供水量處于最高與最低流量之間的時(shí)候，邏輯控制器依據(jù)壓力、流量等參數(shù)來進(jìn)行綜合判斷，給出相關(guān)的信號(hào)來對(duì)水閥的開關(guān)進(jìn)行控制。標(biāo)準(zhǔn)流量利用理論計(jì)算及實(shí)驗(yàn)相結(jié)合來取得，最高及最低流量依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)來進(jìn)行設(shè)置，將標(biāo)準(zhǔn)流量設(shè)定為110%。

圖2 流量智能控制系統(tǒng)原理

圖3 流量智能控制系統(tǒng)邏輯框架

4 掘進(jìn)機(jī)流量智能控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)分析

該系統(tǒng)是以數(shù)據(jù)庫(kù)為核心而取得成功的，而數(shù)據(jù)庫(kù)是實(shí)驗(yàn)與理論相結(jié)合的產(chǎn)物，因此，理論計(jì)算應(yīng)當(dāng)與實(shí)驗(yàn)同步開展。掘進(jìn)機(jī)主要包含了三個(gè)方面的供水量，分別為內(nèi)噴霧、高壓外噴霧和冷卻外噴霧。其中內(nèi)噴霧和高壓外噴霧滿足噴霧流量計(jì)算公式：

式中：q為相應(yīng)的噴霧水流量；n為相應(yīng)的噴嘴數(shù)量；k為相應(yīng)的流量系數(shù)；p為相應(yīng)的噴霧壓力。

噴嘴的直徑越大，其降塵的效率也會(huì)越高；噴嘴的直徑越小，其會(huì)因?yàn)榄h(huán)境因素的影響而出現(xiàn)堵塞。但是如果直徑較大，則消耗水量也會(huì)越大。

高水壓所取得的水霧相對(duì)較細(xì)，同時(shí)還可以確保水霧顆粒擁有較大的含水量和較高的運(yùn)動(dòng)速度，對(duì)噴霧降塵有著較好的促進(jìn)作用。但是高水壓也會(huì)產(chǎn)生較大的能耗，系統(tǒng)部件由于受力的增加而產(chǎn)生故障等問題，因此，供水壓力應(yīng)當(dāng)依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際狀況來進(jìn)行設(shè)定。

基于噴霧理論可知，理想的噴霧范圍是經(jīng)過噴霧夾角與到噴嘴口之間的距離而計(jì)算出來的。噴嘴的排列形式將會(huì)對(duì)噴霧的分布效果造成一定的影響。霧化的角度相對(duì)較小，霧流將會(huì)對(duì)整個(gè)截割頭產(chǎn)生完全覆蓋，那就會(huì)導(dǎo)致噴嘴的數(shù)量持續(xù)增加，對(duì)降塵系統(tǒng)的穩(wěn)定性產(chǎn)生較大的影響。

基于上述理論對(duì)噴嘴加以明確之后，流量系數(shù)k保持一定；而壓力P則需要依據(jù)礦井中的要求來進(jìn)行設(shè)定，內(nèi)、外噴霧的壓力分別為2 MPa和4 MPa；掘進(jìn)機(jī)的內(nèi)噴霧與高壓外噴霧不具有相同的設(shè)置，而對(duì)供水量產(chǎn)生影響的核心因素為噴嘴的數(shù)量，因此，噴嘴的數(shù)量與供水流量呈現(xiàn)正比關(guān)系。

掘進(jìn)機(jī)的發(fā)熱功率主要由截割電機(jī)、泵站電機(jī)、液壓系統(tǒng)的功率及效率所決定。液壓系統(tǒng)所具有的發(fā)熱功率可以依據(jù)經(jīng)驗(yàn)值來進(jìn)行計(jì)算，電機(jī)維持在最佳溫度時(shí)，其所需的冷卻流量最小為：

式中：Pw為相應(yīng)的電機(jī)發(fā)熱功率；ρ為相應(yīng)的冷卻液的質(zhì)量密度；Cm為相應(yīng)的冷卻液的比熱容；△T為相應(yīng)的冷卻液通過電動(dòng)機(jī)后的溫升。

當(dāng)掘進(jìn)機(jī)處于持續(xù)運(yùn)行的狀態(tài)下，為了使液壓系統(tǒng)保持良好的熱平衡狀態(tài)，除了油箱會(huì)散發(fā)一些系統(tǒng)熱量之外，余下的熱量都是經(jīng)過水冷卻器來進(jìn)行發(fā)散的。

在對(duì)液壓系統(tǒng)的發(fā)熱功率進(jìn)行計(jì)算之后，通過與理論的發(fā)熱功率進(jìn)行對(duì)比分析，依據(jù)冷卻功率來選擇最佳的冷卻器種類，并確定數(shù)量。

對(duì)冷卻器在實(shí)際運(yùn)用過程中會(huì)出現(xiàn)散熱片受污染的問題加以考慮，導(dǎo)致其散熱的有效面積降低，因此在選擇冷卻器的時(shí)候，其散熱面積的實(shí)際值將會(huì)增加20%～30%。針對(duì)冷卻器開展相應(yīng)的熱平衡試驗(yàn)，其應(yīng)滿足公式（3）：

式中：T為相應(yīng)的平衡油溫；t為相應(yīng)的水溫；b為相應(yīng)的冷卻器散熱板厚度；λ為相應(yīng)的熱交換面導(dǎo)熱系數(shù)；A為相應(yīng)的冷卻器熱交換面積。

收集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并將其輸入到計(jì)算機(jī)軟件中來進(jìn)行計(jì)算，得出各個(gè)單元所需要的流量表，如下頁(yè)表1，并得到了相應(yīng)的冷卻流量圖（略）。序號(hào)①所表示的為冷卻流量，其壓力維持在1.49 MPa以下；序號(hào)②所表示的為內(nèi)噴霧流量，其壓力應(yīng)當(dāng)大于1.99 MPa；序號(hào)③表示的四高壓外噴霧流量，其壓力應(yīng)處于3.99 MPa之上，由此可以得出，系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)流量為68.16 L/min。

表1 壓力與流量具體關(guān)系情況表

上述這些都以數(shù)據(jù)庫(kù)的建立為基礎(chǔ)，隨著實(shí)驗(yàn)設(shè)備類型的不斷增加，數(shù)據(jù)庫(kù)會(huì)日益完善。面對(duì)著繁瑣的數(shù)據(jù)庫(kù)構(gòu)成，一套穩(wěn)定的控制理論是確保整個(gè)智能化控制系統(tǒng)得以正常運(yùn)行的關(guān)鍵所在，這樣才可以真正展現(xiàn)出智能控制的價(jià)值。

5 掘進(jìn)機(jī)供水流量智能控制系統(tǒng)故障診斷系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析

系統(tǒng)創(chuàng)建的初期，通過簡(jiǎn)單的邏輯控制器來開展分析與判斷，傳感器與執(zhí)行部件相對(duì)較少，但是隨著工況、機(jī)型等因素的持續(xù)增加，簡(jiǎn)單的邏輯判斷已經(jīng)無法滿足該系統(tǒng)的正常運(yùn)行。圖4所表示的為理想的流量智能控制系統(tǒng)。數(shù)據(jù)庫(kù)已基本成熟，系統(tǒng)引入了一些了較為復(fù)雜的控制理論，如模糊控制理論等，傳感器及執(zhí)行部件的類型及數(shù)量也會(huì)越來越多。

專家診斷系統(tǒng)所具有的準(zhǔn)確性是以案例為基礎(chǔ)所創(chuàng)建的，只有擁有豐富的案例，該系統(tǒng)才能具備更高的準(zhǔn)確性。例如，現(xiàn)階段掘進(jìn)設(shè)備內(nèi)安裝的噴霧系統(tǒng)不具有較長(zhǎng)的壽命，在礦井下無法長(zhǎng)時(shí)間使用，超出80%的掘進(jìn)設(shè)備基本都會(huì)在一周之內(nèi)失效，其關(guān)鍵原因在于噴嘴極易受到堵塞，旋轉(zhuǎn)的密封性較差。專家診斷系統(tǒng)必須利用數(shù)據(jù)庫(kù)來與實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，找出故障原因，并發(fā)出精確的指令。

圖4 理想流量智能控制系統(tǒng)邏輯框架

6 結(jié)論

對(duì)掘進(jìn)機(jī)供水體系進(jìn)行智能化設(shè)計(jì)，利用熱平衡公式及流體公式來進(jìn)行計(jì)算，并與冷卻噴霧水的試驗(yàn)相結(jié)合，對(duì)供水流量智能化調(diào)節(jié)所具有的可行性進(jìn)行分析。此外，本文提出針對(duì)后期供水系統(tǒng)創(chuàng)建起完善的數(shù)據(jù)庫(kù)，并對(duì)復(fù)雜控制理論的系統(tǒng)模型進(jìn)行展望，這不僅對(duì)日后掘進(jìn)機(jī)供水體系的設(shè)計(jì)具有較好的參考意義，而且對(duì)煤礦之中的其他供水系統(tǒng)有著較好的參考意義。