掘進機懸臂擺動液壓控制系統(tǒng)的仿真研究

任志亮

（晉能控股煤業(yè)集團四老溝礦， 山西 大同 037028）

引言

煤礦生產(chǎn)的關(guān)鍵設(shè)備包括有采煤機、刮板輸送機、液壓支架、帶式輸送機等設(shè)備，掘進機作為巷道采掘的關(guān)鍵設(shè)備，目前其已經(jīng)發(fā)展為掘進、裝載、運輸、降塵以及支護為一體的采掘設(shè)備。但是，當(dāng)前我國在懸臂式掘進機的自動化控制方面與國外仍存在一定的差距，導(dǎo)致掘進成本較高、掘進效率偏低。在實際掘進過程中，通過懸臂的水平和垂直擺動旋轉(zhuǎn)截割頭按照設(shè)定軌跡和形狀對巷道進行掘進[1]。本文重點對懸臂式掘進機為例開展研究，在當(dāng)前基礎(chǔ)上對其液壓控制系統(tǒng)進行改進，并對改進后液壓控制系統(tǒng)的性能進行仿真研究。

1 懸臂式掘進機改進研究

1.1 懸臂式掘進機概述

本文以AM-50 型懸臂式掘進機為例開展研究，該型掘進機主要包括有截割結(jié)構(gòu)、裝載結(jié)構(gòu)、中間刮板輸送機、裝載機、行走機構(gòu)以及其他保護裝置等，該型掘進機的關(guān)鍵參數(shù)如表1 所示。

表1 AM-50 掘進機關(guān)鍵參數(shù)

AM-50 型懸臂式掘進機較其他型號掘進機相比截割穩(wěn)定，電機采用外水冷形式，所加裝的安全裝置可避免事故的發(fā)生，具有過載保護功能，整體而言該型掘進機的機械結(jié)構(gòu)合理、性能優(yōu)越。但是，在實際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)該型掘進機有如下不足：

1）由于設(shè)備的操作臺、配電箱等安裝于兩端，導(dǎo)致所形成巷道的斷面面積與其他型號掘進機相比較??；

2）設(shè)備裝載機構(gòu)無法實現(xiàn)在左右兩個方向的擺動，導(dǎo)致該性掘進機的效率偏低，對應(yīng)工作人員的勞動強度較大；

3）設(shè)備的降塵效果較差。

1.2 懸臂式掘進機液壓控制系統(tǒng)改進

AM-50 型掘進機液壓系統(tǒng)主要包括有穩(wěn)定器油缸、鏟板油缸、左右擺動油缸、控制油缸閥以及垂直擺動油缸，涉及到的液壓元器件包括有液壓馬達、溢流閥、換向閥、節(jié)流閥等組成[2]。本文重點對懸臂式掘進機的左右擺動油缸和垂直擺動油缸的液壓系統(tǒng)進行分析。

其中，左右擺動液壓系統(tǒng)控制回路由兩個液控單向閥和兩個溢流閥組成；垂直擺動液壓控制回路由三個液控單向閥和一個單向節(jié)流閥組成。當(dāng)前，擺動液壓系統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)框圖如圖1 所示。

圖1 AM-50 型擺動液壓控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

如圖1 所示，傳統(tǒng)掘進機擺動液壓控制系統(tǒng)主要依靠手動或人工完成控制，此種控制方式存在控制精度低、實時性差以及勞動強度大的問題。因此，此次對掘進機擺動液壓控制系統(tǒng)改進的核心是實現(xiàn)自動化控制。結(jié)合掘進機的工作任務(wù)和特點，需重點對擺動液壓系統(tǒng)的擺動方向和擺動速度進行控制。其中，通過方向閥實現(xiàn)對擺動方向的控制，通過改變油缸的流量或其有效面積實現(xiàn)對擺動速度的控制。綜上所述，采用電液比例閥實現(xiàn)對擺動液壓控制系統(tǒng)的控制，可采用的控制方式有比例容積調(diào)速控制、比例節(jié)流調(diào)速控制以及比例容積節(jié)流調(diào)速控制[3]。在當(dāng)前AM-50 型掘進機擺動液壓控制系統(tǒng)硬件的基礎(chǔ)上作出如下改進：

1）采用節(jié)流閥替代原有閥組，采用電液比例方向閥替代原有閥組；此種改進方式具有操作方便、相應(yīng)速度快、結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)勢；但是，還存在能耗偏大且系統(tǒng)效率較低的問題。

2）采用速度傳感器對液壓缸活塞速度進行控制，在此基礎(chǔ)上通過控制閥的開口大小實現(xiàn)對擺動速度大小的控制。

改進后AM-50 型掘進機擺動液壓控制系統(tǒng)的框圖如圖2 所示。

圖2 擺動液壓控制系統(tǒng)改進后結(jié)構(gòu)框圖

1.3 擺動液壓控制系統(tǒng)改進元器件選型

本小節(jié)重點對改進后擺動液壓控制系統(tǒng)的關(guān)鍵元器件進行選型，鑒于篇幅有限，此處僅對關(guān)鍵元器件的選型結(jié)果進行闡述，具體如表2 所示。

表2 改進后擺動液壓控制系統(tǒng)關(guān)鍵元器件選型

2 掘進機懸臂擺動液壓控制系統(tǒng)的仿真研究

2.1 懸臂水平擺動液壓控制系統(tǒng)的仿真研究

該小節(jié)主要對比開環(huán)控制和PID 控制系統(tǒng)下水平擺動液壓控制系統(tǒng)的仿真結(jié)果。

1）開環(huán)控制下懸臂水平擺動液壓控制系統(tǒng)仿真。所謂開環(huán)控制：系統(tǒng)控制策略不根據(jù)輸出量進行調(diào)整。本次開環(huán)控制為給系統(tǒng)加載一個變化的負載信號。本次仿真所加載的信號類型為階躍信號。并得出如下結(jié)論：在開環(huán)控制系統(tǒng)下，所加載的信號為階躍信號，擺動系統(tǒng)在水平方向的速度在6.35～8.83 m/min 的范圍內(nèi)波動，且在5.8 s 時才逐漸趨于穩(wěn)定，并最終維持在7.15 m/min?？偟膩碇v，在開環(huán)控制下系統(tǒng)的振蕩幅度較大，且調(diào)整時間較長。

2）PID 控制下懸臂水平擺動液壓控制系統(tǒng)的仿真研究。PID 控制參數(shù)為比例環(huán)節(jié)參數(shù)5.2，積分環(huán)節(jié)參數(shù)12.5，微分環(huán)節(jié)參數(shù)為0.7。本次仿真所加載的信號同樣為階躍信號，并得出如下結(jié)論：在PID 控制系統(tǒng)下，系統(tǒng)在5 s 的調(diào)整時間內(nèi)并未出現(xiàn)振蕩現(xiàn)象，而且系統(tǒng)在5.5 s 時區(qū)域穩(wěn)定，并最終維持在7.15 m/min。

2.2 懸臂垂直擺動液壓控制系統(tǒng)的仿真研究

該小節(jié)主要對比開環(huán)控制和PID 控制系統(tǒng)下垂直擺動液壓控制系統(tǒng)的仿真結(jié)果。

1）開環(huán)控制下懸臂垂直擺動液壓控制系統(tǒng)仿真。本次開環(huán)控制給系統(tǒng)加載一個變化的負載信號。本次仿真所加載的信號類型為階躍信號。并得出如下結(jié)論：在開環(huán)控制系統(tǒng)下，所加載的信號為階躍信號，擺動系統(tǒng)在垂直方向的速度在0.019～0.026 m/s的范圍內(nèi)波動，且在2.4 s 時才逐漸趨于穩(wěn)定，并最終維持在0.0215 m/s。總的來講，在開環(huán)控制下系統(tǒng)的振蕩幅度較大，且調(diào)整時間較長。

2）PID 控制下懸臂垂直擺動液壓控制系統(tǒng)的仿真研究。PID 控制參數(shù)為比例環(huán)節(jié)參數(shù)為1，積分環(huán)節(jié)參數(shù)為0.002，微分環(huán)節(jié)參數(shù)為0.05。本次仿真所加載的信號同樣為階躍信號，并得出如下結(jié)論：在PID 控制系統(tǒng)下，系統(tǒng)在2 s 的調(diào)整時間垂直方向速度在0.020～0.022 m/s 的范圍內(nèi)波動，而且系統(tǒng)在2.35 s 時區(qū)域穩(wěn)定，并最終維持在0.0215 m/s。

3 結(jié)語

掘進機作為煤礦采掘的關(guān)鍵設(shè)備，掘進效率和安全性直接關(guān)系著巷道的成型質(zhì)量和采煤效率。目前，我國掘進機雖然已經(jīng)集成采掘、運輸、支護等功能為一體，但是自動化控制程度偏低，導(dǎo)致實際掘進生產(chǎn)中存在控制精度低、實時性差等問題[4]。為此，本文以AM-50 型掘進機為例重點對其擺動液壓控制系統(tǒng)進行改進，以實現(xiàn)自動化控制。經(jīng)仿真分析可知：采用PID 控制策略與開環(huán)控制相比能夠減小系統(tǒng)振蕩，且調(diào)整時間短。