液壓支架自適應(yīng)對齊方案研究

程晉凱

（華陽新材料科技集團(tuán)有限公司，山西 陽泉 045000）

引言

液壓支架是煤礦井下綜采工作面“三機(jī)”核心設(shè)備之一，分布于整個(gè)綜采工作面，用于支護(hù)采煤機(jī)前方、后方的采空區(qū)。由于液壓支架數(shù)量眾多，液壓對齊成為液壓支架控制系統(tǒng)中較為突出的問題之一，直接影響綜采工作面的工作質(zhì)量以及生產(chǎn)效率[1]。針對液壓支架對齊問題，國外主要采煤國家研究將傳感器技術(shù)、微機(jī)控制技術(shù)應(yīng)用與液壓支架的開發(fā)，如安裝位移傳感器，用于檢測推溜行程，安裝紅外線傳感器，用于判斷采煤機(jī)位置[2]。國內(nèi)科研機(jī)構(gòu)利用圖像識(shí)別技術(shù)研究液壓支架護(hù)幫板的回收動(dòng)作以及狀態(tài)監(jiān)測，將霧塵狀態(tài)下液壓支架的圖像清晰化、細(xì)節(jié)化，且測量精度滿足護(hù)幫板的動(dòng)作以及監(jiān)測要求。還有學(xué)者采用視覺測量技術(shù)，改善綜采工作面液壓支架的位姿測量的精度、實(shí)時(shí)性以及施工成本，經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明，該方法可將液壓支架位姿測量精度控制在0.7°以內(nèi)，直線度精度控制在20 mm 以內(nèi)，完全滿足液壓支架檢測精度[3-5]。因此，以液壓支架為研究對象，基于霍爾效應(yīng)原理，采用PLC 控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)液壓支架自適應(yīng)對齊。

1 液壓支架結(jié)構(gòu)分析

液壓支架分為兩柱式液壓支架和四柱式液壓支架兩種，兩柱式液壓支架基本機(jī)構(gòu)由二級(jí)護(hù)幫、一級(jí)護(hù)幫、護(hù)幫板千斤頂、頂梁、平衡千斤頂、掩護(hù)梁、前/后連桿、底座、支柱以及推移裝置組成。從功能角度，液壓支架由電液控制系統(tǒng)和液壓支架兩部分組成，由電液控制系統(tǒng)控制完成液壓支架的各種動(dòng)作。液壓支架機(jī)構(gòu)中的護(hù)幫板用于支撐煤壁頂部，防止落煤甚至塌方；護(hù)幫板/平衡千斤頂用于液壓支架動(dòng)作時(shí)的臨時(shí)支撐；推移裝置主要完成液壓支架的推溜動(dòng)作，即推動(dòng)刮板輸送機(jī)完成一個(gè)步距的移動(dòng)。對液壓支架功能進(jìn)行分析時(shí)，區(qū)分采煤機(jī)前方液壓支架動(dòng)作以及采煤機(jī)后方液壓支架動(dòng)作兩種情況[6-8]。對于采煤機(jī)前方液壓支架，其動(dòng)作為“收護(hù)幫”，即為采煤機(jī)截割滾筒截割煤塊提供空間，并防止?jié)L筒截割到液壓支架護(hù)幫；對于采煤機(jī)后方液壓支架，其動(dòng)作為“降柱→抬底→移架→落底→伸護(hù)幫→推溜”，完成對薄煤層空頂區(qū)的支護(hù)，同時(shí)完成對刮板輸送機(jī)的推溜動(dòng)作，將“三機(jī)”設(shè)備整體向工作面方向推進(jìn)一個(gè)步距，其動(dòng)作流程如圖1 所示。

圖1 液壓支架動(dòng)作流程

2 液壓支架姿態(tài)模型

單臺(tái)液壓支架以支架控制器為核心，控制安裝在液壓支架上的電磁閥組、傳感器以及液壓系統(tǒng)共同完成液壓支架的工作。為保證薄煤層綜采工作面液壓支架有序、協(xié)同動(dòng)作，單臺(tái)液壓支架還安裝有通信單元，用于傳送本架液壓支架數(shù)據(jù)[9]。為建立液壓支架姿態(tài)模型，在單臺(tái)液壓支架機(jī)身安裝的傳感器見下頁表1 所示。

表1 液壓支架物理模型傳感器類型

3 方案設(shè)計(jì)

3.1 總體方案

液壓支架分布于整個(gè)綜采工作面用于支護(hù)采空區(qū)，在采煤機(jī)前方、后方分布的液壓支架動(dòng)作存在差別，即分布于采煤機(jī)前方的液壓支架須在預(yù)留時(shí)間內(nèi)完成“收護(hù)幫”動(dòng)作；分布于采煤機(jī)后方的液壓支架須在指定時(shí)間內(nèi)完成“降柱→抬底→移架→落底→伸護(hù)幫→推溜”動(dòng)作，并實(shí)現(xiàn)自動(dòng)對齊。液壓支架與采煤機(jī)動(dòng)作示意如圖2 所示。為實(shí)現(xiàn)液壓支架自適應(yīng)對齊，在液壓支架以及采煤機(jī)機(jī)身安裝霍爾傳感器用于實(shí)時(shí)監(jiān)測、定位采煤機(jī)、液壓支架相對位置，可每臺(tái)液壓支架可安裝1～3 個(gè)霍爾傳感器。

圖2 液壓支架與采煤機(jī)工藝動(dòng)作示意圖

假定在時(shí)刻，采煤機(jī)的運(yùn)行速度為，且運(yùn)行方向?yàn)檎蜻\(yùn)行；采煤機(jī)中心位置對應(yīng)的液壓支架編號(hào)為，即表示采煤機(jī)與液壓支架的相對位置；采煤機(jī)前截割滾筒與液壓支架護(hù)幫的安全距離為，則可得采煤機(jī)前方在安全距離內(nèi)可動(dòng)作的液壓支架數(shù)為式（1）：

式中，LS為采煤機(jī)前截割滾筒與液壓支架護(hù)幫的安全距離，mm；△n 為在安全距離LS內(nèi)可動(dòng)作的液壓支架數(shù)△n；ki為采煤機(jī)的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)系數(shù)；△d 為液壓支架寬度的調(diào)節(jié)增量；d 為液壓支架的寬度[10]。

假定目標(biāo)液壓支架編號(hào)為m，動(dòng)作液壓支架編號(hào)為m+1，霍爾傳感器輸出信號(hào)為Hm；則若動(dòng)作液壓支架與目標(biāo)液壓支架對齊，則Hm=1；若動(dòng)作液壓支架與目標(biāo)液壓支架未對齊，則Hm=0。

對于單霍爾傳感器信號(hào)，如果動(dòng)作液壓支架與目標(biāo)液壓支架對齊，則有式（2）：

對于三個(gè)霍爾傳感器并聯(lián)信號(hào)，如果動(dòng)作液壓支架與目標(biāo)液壓支架對齊，則有式（4）：

反之，則有式（5）：

如果動(dòng)作液壓支架與目標(biāo)液壓支架沒有對齊，則持續(xù)進(jìn)行移架動(dòng)作，直至滿足式（2）或式（5）。

3.2 硬件設(shè)計(jì)

液壓支架自適應(yīng)對齊方案中用到的硬件主要包括PLC 控制器、本安型隔離柵、DC24V 電源以及霍爾傳感器等。PLC 控制器選用西門子S7-300 系列，該控制器實(shí)時(shí)性好、擴(kuò)展性強(qiáng)，滿足方案設(shè)計(jì)要求?；魻杺鞲衅鬟x用AHKC-KAA，額定電流為DC0-400 A，供電電源為DC 24 V，額定輸出為4～20 mA，線性度誤差為0.2%，反應(yīng)時(shí)間小于300 ms，滿足本方案設(shè)計(jì)要求。

3.3 軟件設(shè)計(jì)

按照液壓支架自適應(yīng)對齊方案，軟件實(shí)現(xiàn)部分分為六大模塊，即采煤機(jī)參數(shù)獲取、采煤機(jī)參數(shù)判定、前方可動(dòng)作液壓支架數(shù)計(jì)算、后方可動(dòng)作液壓支架數(shù)計(jì)算、液壓支架動(dòng)作控制、液壓支架對齊。PLC控制器實(shí)時(shí)獲取采煤機(jī)運(yùn)行參數(shù)，如運(yùn)行方向和運(yùn)行速度。液壓支架動(dòng)作完成后，利用霍爾效應(yīng)原理，完成液壓支架的自動(dòng)對齊。對于采煤機(jī)前方/后方液壓支架動(dòng)作的PLC軟件流程如圖3，下頁圖4 所示。

圖3 采煤機(jī)前方液壓支架動(dòng)作流程

圖4 采煤機(jī)后方液壓支架動(dòng)作軟件流程

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

以并聯(lián)方式液壓支架指定位置安裝霍爾傳感器以及磁鋼，根據(jù)霍爾效應(yīng)以及采煤機(jī)運(yùn)行速度，完成液壓支架的自適應(yīng)對齊。

采煤機(jī)與液壓支架安全距離之間的支架數(shù)由式（6）決定：

當(dāng)液壓支架寬度為1.5 m，采煤機(jī)截割滾筒與液壓支架之間的安全距離為10m，令動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)因子值為1，相鄰液壓支架間隔為0.2 m，則

即采煤機(jī)與液壓支架安全距離內(nèi)液壓支架數(shù)為6。

4.1 采煤機(jī)前方液壓支架動(dòng)作

根據(jù)前述公式計(jì)算采煤機(jī)臨界速度為25.5m/min，“收護(hù)幫”時(shí)間為4 s。當(dāng)采煤機(jī)實(shí)際速度為3 m/min且液壓支架動(dòng)作正常時(shí)，“收護(hù)幫”指令頻率為0.03Hz。令此時(shí)采煤機(jī)中心位置對應(yīng)的液壓支架編號(hào)為20時(shí)，執(zhí)行“收護(hù)幫”指令動(dòng)作的液壓支架編號(hào)為20+6+1=27。

4.2 采煤機(jī)后方液壓支架動(dòng)作

根據(jù)前述公式計(jì)算采煤機(jī)臨界速度為4.08m/min，液壓支架控制器發(fā)送“降柱→抬底→移架→落底→伸護(hù)幫→推溜”指令的頻率為1.0 Hz，正在動(dòng)作的液壓支架編號(hào)為20-3-1-1=15。

5 結(jié)語

液壓支架是采煤機(jī)正常工作的重要保障，液壓支架自身姿態(tài)直接關(guān)系著采煤機(jī)的運(yùn)行效率和質(zhì)量。文章利用霍爾原理，詳細(xì)分析位于采煤機(jī)前方、后方液壓支架動(dòng)作架數(shù)、動(dòng)作頻率，達(dá)到液壓支架自適應(yīng)對齊的目的，為采煤機(jī)提供了高質(zhì)量的運(yùn)行軌道，以達(dá)到提升綜采工作面生產(chǎn)效率的目的。