一種跟機(jī)自適應(yīng)采煤機(jī)電纜拖拽裝置的設(shè)計

史艷斌

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)地煤公司青磁窯煤礦， 山西 大同 037007）

1 電纜拖拽裝置的組成

1.1 采煤機(jī)電纜拖拽裝置機(jī)械部分的組成

通常采煤機(jī)電纜拖拽裝置機(jī)械單元是由驅(qū)動部、軌道、拖纜小車、回轉(zhuǎn)輪、油缸、固定座等組成，如圖1 所示。

圖1 采煤機(jī)電纜拖拽裝置機(jī)械部分組成

驅(qū)動機(jī)構(gòu)主要包含了電機(jī)、聯(lián)軸器、減速機(jī)，這一機(jī)構(gòu)的作用在于為拖纜裝置提供可靠的動力；軌道主要由從動及主動導(dǎo)軌、導(dǎo)向裝置等構(gòu)成，其作用在于更好地保護(hù)及支撐電纜裝置中的拖拽裝置；拖纜小車的構(gòu)成部分主要有車體、導(dǎo)向輪等，該機(jī)構(gòu)的作用在于驅(qū)動電纜夾隨著采煤機(jī)的運(yùn)行而運(yùn)行；傳動機(jī)構(gòu)的構(gòu)成主要包含了鏈條、回轉(zhuǎn)輪等，鏈條回路將會在拖纜小車部位發(fā)生閉合，形成一種循環(huán)的運(yùn)動狀態(tài)；回轉(zhuǎn)部的構(gòu)成主要包含了彈簧缸、固定座等，這一機(jī)構(gòu)的作用在于為拖拽裝置提供足夠的張緊力。

采煤機(jī)正常運(yùn)行時，拖纜小車將會在刮板輸送機(jī)的電纜槽中進(jìn)行循環(huán)運(yùn)動，始終伴隨著采煤機(jī)的運(yùn)行而運(yùn)行，拖纜小車的運(yùn)行速度是采煤機(jī)運(yùn)行速度的一半，電纜夾將會在導(dǎo)向輪部位出現(xiàn)一次彎折，確保電纜緊緊發(fā)生二次疊加。

1.2 采煤機(jī)電纜拖拽裝置電氣部分的組成

1.2.1 電控驅(qū)動系統(tǒng)

該系統(tǒng)主要包含了編碼器、限位開關(guān)、隔爆兼本質(zhì)安全型PLC 控制箱等，具體內(nèi)容如下：

1）在控制箱內(nèi)部配置的PLC 控制器是維持拖拽裝置正常運(yùn)行的關(guān)鍵部件，它可以精確讀出采煤機(jī)運(yùn)行的速度、方向及拉力，通過對各個裝置運(yùn)行的參數(shù)進(jìn)行詳細(xì)運(yùn)算，可以得出拖纜小車所需具備的運(yùn)行速度，由此控制變頻器進(jìn)行適當(dāng)調(diào)節(jié)，促使拖纜小車可以緊跟采煤機(jī)運(yùn)行。PLC 控制器的運(yùn)用類型為西門子1200 系列的一種緊湊型PLC 1215C，可以滿足作業(yè)面所處的一系列復(fù)雜環(huán)境，如溫度過高、粉塵過大等。

2）變頻器的類型為ABB 產(chǎn)品，其特點在于直接轉(zhuǎn)矩控制，有助于及時響應(yīng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩發(fā)生的變化。

3）拖纜小車之中的編碼器可以利用多圈絕對值的編碼器，有助于將拖纜小車所處的位置及運(yùn)行的速度進(jìn)行準(zhǔn)確測量，并且可以對拖纜小車所處的位置進(jìn)行有效記憶，利用CAN 通信將信息及時傳輸?shù)絇LC 之內(nèi)。

1.2.2 鏈條自動張緊系統(tǒng)

該系統(tǒng)的構(gòu)成部分主要包含了支架控制器、張緊油缸等。支架控制器的作用實現(xiàn)本地控制或者接收相關(guān)位機(jī)所發(fā)出的調(diào)節(jié)指令。在拖纜小車正常運(yùn)行的過程中，可以將回轉(zhuǎn)部之中張緊油缸的壓力進(jìn)行自動化調(diào)節(jié)，確保拖拽裝置的鏈條可以時刻保持張緊狀態(tài)，及時清除轉(zhuǎn)向過程中的余鏈。

1.2.3 上位機(jī)監(jiān)測系統(tǒng)

該系統(tǒng)主要包含了拖拽裝置、采煤機(jī)、電液控三個主機(jī)。上位機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計單位為天瑪公司，其軟件為LongWallMind 組態(tài)，利用礦區(qū)內(nèi)部的網(wǎng)線將其連接到作業(yè)面的以太環(huán)網(wǎng)。

LongWallMind軟件的設(shè)計主要是針對礦井下作業(yè)面來進(jìn)行的，是一個可視化的操作頁面，具有極強(qiáng)的通信能力，可以支持多個協(xié)議，能夠與各個廠商所生產(chǎn)的設(shè)備進(jìn)行連接，有助于數(shù)據(jù)信息的實時采集、處理及儲存。

2 影響采煤機(jī)電纜拖拽裝置運(yùn)行的因素

1）在雙向截煤作業(yè)中，采煤機(jī)在運(yùn)行過程中需要經(jīng)過五個環(huán)節(jié)，分別為截底煤、清理浮煤、斜切進(jìn)刀、截三角煤和正常截煤，其中斜切進(jìn)刀和截三角煤需要進(jìn)行2 次，截底煤需要進(jìn)行4 次，清理浮煤需要進(jìn)行8 次。在這一過程中，采煤機(jī)在運(yùn)行過程中需要進(jìn)行14 次的轉(zhuǎn)向，拖拽裝置也需要與采煤機(jī)同步進(jìn)行14 次的轉(zhuǎn)向，多次的循環(huán)往復(fù)極易形成位置累計偏差。

2）礦井作業(yè)面在地質(zhì)條件方面存在較大的差別，即使處于同一個礦井的不同作業(yè)面，甚至不同的時間內(nèi)處于同一個作業(yè)面中，其所處的環(huán)境也存在較大的差別，刮板輸送機(jī)中部的槽節(jié)與節(jié)之間存在一定的間隙，上下與左右的最大彎曲度分別為3°和1°，進(jìn)而導(dǎo)致在輸送機(jī)中拖纜小車與采煤機(jī)的運(yùn)行軌跡均為曲線，但是卻不是相同的曲線。這就導(dǎo)致兩者在位置方面產(chǎn)生了極大的變化，并不是嚴(yán)格的動滑輪速度處于1/2 的對應(yīng)關(guān)系。

3）拖拽裝置的軌道建立在輸送機(jī)的電纜槽之內(nèi)，該設(shè)備的運(yùn)行也需要滿足槽節(jié)與節(jié)之間的間隙及彎曲度。不管電纜夾是在電纜槽之內(nèi)處于被動拖動的狀態(tài)，還是拖拽裝置鏈條在軌道之內(nèi)的運(yùn)行，都會出現(xiàn)刮卡問題。當(dāng)電纜槽內(nèi)部的軌道上出現(xiàn)了落煤，拖纜小車的運(yùn)行也會遇到較大的阻力。

3 采煤機(jī)電纜拖拽裝置控制系統(tǒng)設(shè)計

3.1 控制策略

PLC 在開展調(diào)節(jié)的時候主要遵循四部分的變量，分別為采煤機(jī)的速度、采煤機(jī)所處的位置、電機(jī)的轉(zhuǎn)矩、采煤機(jī)牛頭電纜的拉力。PLC 的具體控制流程如下：

1）控制箱內(nèi)安裝的PLC 控制器可以借助CAN通信來掌握采煤機(jī)運(yùn)行的速度、位置等一系列信息，同時也可以由此來計算出拖纜小車運(yùn)行的速度、位置等。首先，變頻器實施調(diào)節(jié)的主要依據(jù)為采煤機(jī)運(yùn)行速度的1/2，以變頻器之內(nèi)的速度環(huán)PID 調(diào)節(jié)變頻器來輸出電機(jī)的轉(zhuǎn)矩，確保拖纜小車可以保持穩(wěn)定的速度，即采煤機(jī)運(yùn)行的一半，變頻器依照負(fù)載狀況來適時調(diào)節(jié)輸出轉(zhuǎn)矩，這就是電機(jī)轉(zhuǎn)矩。PLC 運(yùn)行三個負(fù)反饋PID 閉環(huán)控制，輸入量主要為以下三個部分，一是電機(jī)轉(zhuǎn)矩形成的誤差，二是拖纜小車形成的位置誤差，三是采煤機(jī)牛頭電纜出現(xiàn)的拉力誤差，將輸出的結(jié)果進(jìn)行疊加，使其作用于拖纜小車的速度及位置給定之中。

2）在上行階段，電纜夾存在的摩擦阻力將會隨著采煤機(jī)部位的變化而呈現(xiàn)出線性變化，k 表示的為比例系數(shù)。如果電機(jī)轉(zhuǎn)矩超出了采煤機(jī)所對應(yīng)的電纜夾拖拽阻力，經(jīng)過一系列運(yùn)算之后，輸出位置發(fā)生相應(yīng)的偏差1。采煤機(jī)牛頭不會對電纜夾產(chǎn)生作用，拉力傳感器進(jìn)行測量的數(shù)值與相對較小的牛頭拉力值進(jìn)行對比分析，輸出位置的偏差2。其中，電機(jī)轉(zhuǎn)矩的調(diào)節(jié)模式有著極大的占比，兩者相互疊加，作用在拖纜小車的給定部位之中，及時糾正因作業(yè)面地質(zhì)因素所導(dǎo)致的位置偏差。

3）在下行階段，電機(jī)只能對拖纜小車發(fā)揮作用，使其可以空載運(yùn)行，采煤機(jī)牛頭拉動電纜夾，并且拉力會隨著采煤機(jī)位置的變化而呈現(xiàn)出線性變化。同樣，對電機(jī)轉(zhuǎn)矩和牛頭拉力傳感器進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算，其中占主導(dǎo)作用的是牛頭拉力傳感器，電機(jī)轉(zhuǎn)矩和牛頭拉力傳感器之間的輸出結(jié)果相互疊加，作用在拖纜小車位置給定之中。

4）當(dāng)小車在運(yùn)行階段遇到卡阻時，電機(jī)會減速，當(dāng)拖纜小車的運(yùn)行落后于采煤機(jī)，PID 調(diào)節(jié)將會發(fā)揮作用，變頻器提升電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速，增加轉(zhuǎn)矩，從而可以繼續(xù)隨著采煤機(jī)的運(yùn)行而運(yùn)行。

3.2 通信監(jiān)測機(jī)制

PLC 利用CAN 總線來完成采煤機(jī)的直接通信、借助以太網(wǎng)來完成其與采煤機(jī)主機(jī)的通信，即可以得到采煤機(jī)運(yùn)行過程中的位置、速度、方向等一系列信息，兩者之間可以形成一種冗余通信機(jī)制。當(dāng)PLC無法與編碼器實現(xiàn)通信的時候，PLC 可以依據(jù)所讀取到變頻器輸出電機(jī)的轉(zhuǎn)動速度來實施運(yùn)算，有助于精確地計算出拖纜小車的位置。除了PLC 會與變頻器的通信中斷之外，僅僅存在一個通信中斷，采煤機(jī)中的拖拽裝置依舊可以與采煤機(jī)保持同步運(yùn)行。

4 現(xiàn)場試驗及應(yīng)用效果分析

青磁窯煤礦薄煤層作業(yè)面的采高平均為1.4 m，長度平均為350 m，拖纜小車在運(yùn)行時達(dá)到了175 m的軌道長度，驅(qū)動部與電控裝置安裝在采煤機(jī)的機(jī)尾。在采用了本文的自適應(yīng)調(diào)節(jié)模式之后，確保電纜夾在拖纜小車及采煤機(jī)牛頭部位的二層疊加狀態(tài)。在作業(yè)面的整體運(yùn)行中，采煤機(jī)與拖纜小車之間的位置偏差為1 m，在運(yùn)行之中其偏差最大可以達(dá)到-2 m，返回到初始部位之后，再次恢復(fù)到原有的誤差，通過進(jìn)行相關(guān)的計算，再經(jīng)過位置環(huán)PID 進(jìn)行調(diào)節(jié)，極大補(bǔ)償了因作業(yè)面工作狀況發(fā)生變化所導(dǎo)致的拖纜小車位置與采煤機(jī)發(fā)生偏差問題，驗證了該拖拽裝置可以極好地滿足采煤機(jī)的運(yùn)行。