采煤機(jī)自動(dòng)調(diào)高液壓系統(tǒng)的優(yōu)化控制研究

閆文慧

（山西西山晉興能源有限責(zé)任公司斜溝煤礦， 山西 呂梁 033602）

引言

隨著科技的不斷發(fā)展，世界各國對(duì)于能源的消耗也不斷增加，而煤炭作為戰(zhàn)略性儲(chǔ)備資源，在世界上廣受關(guān)注。我國是煤炭資源儲(chǔ)量大國，對(duì)于煤炭開采頗為重視。采煤機(jī)是煤炭開采的核心設(shè)備之一，對(duì)于煤炭開采業(yè)的發(fā)展、企業(yè)的轉(zhuǎn)型升級(jí)起著關(guān)鍵性作用[1-5]。本文對(duì)傳統(tǒng)采煤機(jī)自動(dòng)調(diào)高液壓系統(tǒng)進(jìn)行問題分析，針對(duì)具體問題給出相應(yīng)的解決方案，并對(duì)其進(jìn)行結(jié)構(gòu)原理分析和控制優(yōu)化，以達(dá)到提高使用效率、優(yōu)化控制性能、節(jié)省資源的目的，推動(dòng)綜采自動(dòng)化發(fā)展，帶動(dòng)企業(yè)發(fā)展。

1 采煤機(jī)自動(dòng)調(diào)高液壓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理

采煤機(jī)自動(dòng)調(diào)高液壓系統(tǒng)由四部分組成，包括機(jī)械系統(tǒng)、檢測(cè)系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)和液壓控制系統(tǒng)。液壓控制系統(tǒng)主要由電動(dòng)機(jī)、泵、閥門組成，電氣系統(tǒng)由D/A、A/D、PID 控制器和功率放大器組成，機(jī)械系統(tǒng)由擺臂、油缸、滾筒等組成，如圖1 所示。

圖1 采煤機(jī)自動(dòng)調(diào)高液壓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

當(dāng)采煤機(jī)進(jìn)入工作狀態(tài)后，由控制器接收外部發(fā)出的調(diào)整指令，由D/A 放大所接收的數(shù)字調(diào)整指令傳輸至電液比例閥上的電磁鐵，控制閥芯根據(jù)指令進(jìn)行位移。此時(shí)，高壓乳液由液壓泵注入閥芯，閥芯通過移動(dòng)形成液壓管路，并使乳液進(jìn)入液壓缸腔體內(nèi)，從而控制油缸桿伸縮，調(diào)整系統(tǒng)內(nèi)滾筒的高度。電氣系統(tǒng)會(huì)接收到由線性傳感器所發(fā)出的位移信號(hào)，經(jīng)過A/D 轉(zhuǎn)換處理之后發(fā)送至控制器系統(tǒng)，控制器會(huì)對(duì)比接收位移信號(hào)與輸入位移信號(hào)，判斷是否運(yùn)行到位，計(jì)算出相應(yīng)的位移差，再將信號(hào)發(fā)至PID 進(jìn)行處理分析，傳輸信號(hào)至控制系統(tǒng)，微調(diào)閥芯和滾動(dòng)位置。通過上述運(yùn)行過程，可保證采煤機(jī)自動(dòng)調(diào)高液壓系統(tǒng)較高的穩(wěn)定性和精確性。

2 采煤機(jī)自動(dòng)調(diào)高液壓系統(tǒng)控制優(yōu)化

本文擬通過電液比例控制閥技術(shù)對(duì)傳統(tǒng)電磁閥控制的自動(dòng)調(diào)高液壓系統(tǒng)進(jìn)行技術(shù)改進(jìn)，運(yùn)用AMEsim 仿真技術(shù)軟件進(jìn)行系統(tǒng)建模，結(jié)合調(diào)高液壓系統(tǒng)的相關(guān)理論，對(duì)采煤機(jī)自動(dòng)調(diào)高液壓系統(tǒng)進(jìn)行相關(guān)選型和建模，分析調(diào)高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)參數(shù)，體現(xiàn)優(yōu)化后的優(yōu)勢(shì)。

2.1 電液比例控制原理

電液比例閥可在閉環(huán)系統(tǒng)中用于數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換和組件的放大，也可用于開環(huán)系統(tǒng)實(shí)施液壓控制參數(shù)的監(jiān)測(cè)。電液比例閥控制原理如圖2 所示。

圖2 電液比例閥控制原理

電液比例閥控制系統(tǒng)由比例放大器、指令元件、電液比例閥、控制算法、液壓執(zhí)行元件、反饋元件六部分組成。其中，比例放大器主要是進(jìn)行整理、加工和放大控制信號(hào)，電磁鐵的位移偏差信號(hào)較弱，無法通過自身發(fā)出的信號(hào)進(jìn)行電磁鐵調(diào)整，故需要放大器進(jìn)行信號(hào)放大，推動(dòng)調(diào)整，滿足要求。指令元件是指信號(hào)產(chǎn)生進(jìn)行信息輸入的系統(tǒng)元件，也稱作輸入電路，可設(shè)置為手動(dòng)模式和自動(dòng)模式。電液比例閥中轉(zhuǎn)換器和液壓放大器為其核心部件，轉(zhuǎn)換器主要是進(jìn)行電-機(jī)械信號(hào)轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的電信號(hào)經(jīng)過放大，根據(jù)實(shí)際需求轉(zhuǎn)換成相應(yīng)比例的力矩與位移，液壓放大器是將輸出的力矩與位移用液壓的原理放大，從而驅(qū)動(dòng)負(fù)載，以達(dá)到放大系統(tǒng)功率的功能。控制算法是將電信號(hào)通過控制算法轉(zhuǎn)換為偏差信號(hào)輸入至控制器。液壓執(zhí)行元件是指馬達(dá)或者液壓缸，主要用于驅(qū)動(dòng)負(fù)載，屬于輸出裝置。反饋元件常用于閉環(huán)系統(tǒng)，通過被控制元件或者對(duì)中間變量信號(hào)檢測(cè)而得出具體信號(hào)，本設(shè)計(jì)主要使用位移傳感器。反饋元件分為內(nèi)環(huán)和外環(huán)兩個(gè)部分，內(nèi)環(huán)主要進(jìn)行閥門的特性改善，分析閥門的動(dòng)靜態(tài)特性，外環(huán)主要檢測(cè)輸出量，對(duì)系統(tǒng)的精度和性能進(jìn)行優(yōu)化。

2.2 調(diào)高液壓系統(tǒng)元件選型

2.2.1 安全閥

煤礦綜采工作面環(huán)境復(fù)雜，在設(shè)備運(yùn)行中采煤機(jī)會(huì)受到很大影響，例如在割煤過程中，煤炭中存在硬巖石等物質(zhì)，系統(tǒng)負(fù)荷會(huì)瞬間提升，對(duì)液壓系統(tǒng)造成極大的沖擊，以致破壞液壓系統(tǒng)元件，影響企業(yè)生產(chǎn)。因此，本文選用可承載較大壓力和流量的力士樂DBA 安全閥。

2.2.2 電液比例閥

為了在不改變?cè)泄δ艿幕A(chǔ)上又可實(shí)現(xiàn)比例控制，本文選用電液比例換向閥，力士樂防爆電液比例換向閥性能穩(wěn)定、可靠性高。其具體參數(shù)見表1。

表1 力士樂防爆電液比例換向閥參數(shù)

2.3 采煤機(jī)電液比例控制調(diào)高液壓系統(tǒng)建模仿真

經(jīng)優(yōu)化后系統(tǒng)的控制過程為：首先位移傳感器對(duì)負(fù)載位置進(jìn)行檢測(cè)，并生成相應(yīng)的電壓信號(hào)，通過比較生成信號(hào)與輸入信號(hào)，通過控制算法得出相應(yīng)的位移差，并經(jīng)過轉(zhuǎn)換器形成放大后的控制電壓，控制電壓通過電液比例閥調(diào)節(jié)節(jié)流口的開度大小，從而控制活塞桿的移動(dòng)，以此達(dá)到精準(zhǔn)控制負(fù)載位移的目的。

其中，電液比例換向閥的閥芯運(yùn)動(dòng)計(jì)算公式如下：

式中：i0為流量最低值，A；Ke為電流—力增益，N/A；Ks為彈簧剛度，N/m；Yv0為閥口開啟量，m；Xs0為彈簧預(yù)壓縮量，m。

按照相關(guān)原理和理論，對(duì)采煤機(jī)電液比例控制調(diào)高液壓系統(tǒng)進(jìn)行仿真模型建立，其中液壓泵元件、液壓缸元件、液壓鎖元件、安全閥元件、油箱元件均使用液壓庫元件，但需保證采煤機(jī)電液比例控制調(diào)高液壓系統(tǒng)的正常運(yùn)行。控制系統(tǒng)使用UD03 模塊，自主輸入相關(guān)參數(shù)，使采煤機(jī)電液比例控制調(diào)高液壓系統(tǒng)模擬仿真更加真實(shí)高效。建立的仿真模型如圖3 所示。

圖3 采煤機(jī)電液比例控制調(diào)高液壓系統(tǒng)仿真模型

活塞桿響應(yīng)速度仿真結(jié)果如圖4 所示。

由圖4 可知，當(dāng)仿真時(shí)間為0.5 s、步長(zhǎng)為0.01 s時(shí)，在規(guī)定時(shí)間內(nèi)，比例環(huán)節(jié)呈線性增加到0.05 m/s。在接近0.2 s 時(shí)，速度達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。在電液比例換向閥的控制之下，采煤機(jī)自動(dòng)調(diào)高液壓系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定。

圖4 活塞桿響應(yīng)速度

通過對(duì)比電磁閥控制系統(tǒng)和電液比例閥控制系統(tǒng)速度與位移后發(fā)現(xiàn)，電液比例閥系統(tǒng)能夠在更短的時(shí)間內(nèi)達(dá)到要求位置，可以更快地對(duì)滾筒運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定控制。同時(shí)，電液比例閥較普通電磁閥運(yùn)行更加穩(wěn)定，無較大波動(dòng)現(xiàn)象，且在活塞到達(dá)穩(wěn)定狀態(tài)后，電液比例閥所控制的活塞桿速度較普通閥高10%，使調(diào)高過程更快更穩(wěn)。

3 結(jié)論

本文通過對(duì)采煤機(jī)自動(dòng)調(diào)高液壓系統(tǒng)的原理進(jìn)行分析，采用了液壓比例閥代替普通電磁閥的優(yōu)化方案。通過AMEsim 建模仿真以及相關(guān)原理選型分析得出以下結(jié)論：

1）電液比例閥控制系統(tǒng)擁有更好的穩(wěn)定性，控制性能更優(yōu)。

2）電液比例閥控制系統(tǒng)加快了活塞桿的運(yùn)行速度，提高了設(shè)備運(yùn)行效率。

3）驗(yàn)證了改進(jìn)后調(diào)高液壓系統(tǒng)的可行性，與實(shí)際應(yīng)用情況相符。