掘進機推進系統(tǒng)的設(shè)計及工程應(yīng)用

趙向榮

（山西高平科興牛山煤業(yè)有限公司， 山西 高平 048400）

引言

近年來隨著新型開采設(shè)備在綜采面的不斷引進應(yīng)用，煤礦的開采效率得到顯著提高，隨之而來的便是采掘面接替問題，這也是大多數(shù)煤礦不能實現(xiàn)煤炭資源高效開采的現(xiàn)狀。掘進機的掘進速度往往取決于其推進系統(tǒng)，傳統(tǒng)的液壓推進系統(tǒng)由電機驅(qū)動控制，大多為PID 控制方式，而模糊PID 控制方式的出現(xiàn)，為液壓系統(tǒng)控制提供了新方向?，F(xiàn)根據(jù)某煤礦采掘面接替緊張的現(xiàn)狀，對其EBZ160C 型號懸臂掘進機的推進系統(tǒng)進行改進設(shè)計，并進行仿真分析，以到達提高掘進機掘進效率的目的。

1 山西某礦掘進機概況

山西省晉能控股集團旗下某煤礦采用一次采全高工藝進行工作面開采，采掘比1∶2，3102 掘進面采用EBZ160C 型懸臂掘進機進行掘進作業(yè)，該掘進機技術(shù)參數(shù)如表1 所示。由于新型開采設(shè)備應(yīng)用于綜采工作面，工作面推進速度得到顯著提升，該采掘比已嚴(yán)重影響到了煤炭資源的正常開采，造成了大量資源的浪費?，F(xiàn)根據(jù)該礦掘進需求進行掘進推進系統(tǒng)設(shè)計，以達到高效率的掘進效果，改變工作面接替緊張的現(xiàn)狀。

表1 EBZ160C 型號懸臂式掘進機參數(shù)

該掘進機采用雙速載割技術(shù)，截割部可自由伸縮，基本適用于全部中小型巷道，可實現(xiàn)一次截割28m3截割面。圖1 所示為其小比例模型示意，該掘進機適用于全煤及半煤巖巷道的掘進。

圖1 EBZ160C 型懸臂式掘進機示意圖

2 掘進機推進系統(tǒng)設(shè)計及系統(tǒng)控制

2.1 掘進機推進系統(tǒng)

該掘進機由液壓作為動力推動端部鉆頭運行，整體結(jié)構(gòu)如圖2 所示，各部件主要作用如下：

圖2 掘進機推進系統(tǒng)液壓結(jié)構(gòu)示意圖

1）速度傳感器可對系統(tǒng)運行速度進行監(jiān)測控制，與壓力傳感器將監(jiān)測到的速度及壓力通過電信號傳輸至比例電磁鐵，從而控制電磁閥的開度，達到對掘進速度的調(diào)節(jié)效果。

2）控制器為系統(tǒng)核心。

3）推進油缸的主執(zhí)行元件為油缸，通過推動主軸來操控刀盤旋轉(zhuǎn)，進行掘進面的掘進作業(yè)。

4）三位四通電磁換向閥、安全閥、比例調(diào)速閥和比例溢流閥作為系統(tǒng)內(nèi)部元件調(diào)節(jié)液壓安全運行。比例調(diào)速閥可實現(xiàn)對掘進速度的控制?；诰蜻M機在不同條件下受到的阻力值有所差異，設(shè)置了三位四通閥，可對掘進機推進壓力進行調(diào)節(jié)，以適應(yīng)多變的阻力值，保持掘進機按預(yù)設(shè)速度進行掘進作業(yè)。

5）油泵選用一種斜盤結(jié)構(gòu)軸向柱塞變量泵，可保證恒功率的輸出，該元件可為整個液壓系統(tǒng)提供動力支持。

6）壓力傳感器對內(nèi)部液壓值進行監(jiān)測，防止油壓異常導(dǎo)致內(nèi)部發(fā)生泄露等破壞。

該掘進機推進系統(tǒng)液壓系統(tǒng)的控制主要采用PID 控制技術(shù)，本文通過建立AMESim 模型對這種控制方式進行模擬分析。該軟件是基于液壓、控制、機械等交叉學(xué)科組成的多領(lǐng)域建模應(yīng)用仿真實驗平臺，極大地增強了仿真模擬平臺的靈活性，其操作步驟分為繪圖、模型搭建選取、數(shù)據(jù)代入、數(shù)值分析四個階段。

2.2 掘進機系統(tǒng)控制

近年來，仿真模擬實驗層出不窮，而衡量一個仿真實驗的好壞往往取決于其精度，因為在實際工程應(yīng)用當(dāng)中，環(huán)境以及各個參數(shù)有很大的不確定性，會對仿真實驗結(jié)果帶來極大影響。PID 控制的優(yōu)勢就在于其技術(shù)上較為成熟，在長期實踐應(yīng)用中取得了良好的使用效果，因此應(yīng)用范圍也比較廣泛。PID 可通過對變量的監(jiān)控及數(shù)據(jù)輸出實現(xiàn)精確控制，通過對控制的實時糾正，采用模糊規(guī)則進行數(shù)據(jù)推理，控制精度得到大幅提升。

采用模糊PID 控制與原始PID 控制的區(qū)別，就是增加了模糊控制器和轉(zhuǎn)換開關(guān)量，增強了對系統(tǒng)的控制效果。模糊控制理念的提出在控制理論上是一次飛躍，其基本理論是建立模糊集合，并對集合進行系統(tǒng)表示，推導(dǎo)出符合模式的函數(shù)進行模糊推理，將系統(tǒng)進行反模糊化，進而搭建模糊控制器。而傳統(tǒng)PID 控制方式則是由3 個環(huán)節(jié)組成，分別為比例環(huán)節(jié)、積分環(huán)節(jié)和微分環(huán)節(jié)。模糊PID 控制理念的優(yōu)越性在于其組合了模糊控制技術(shù)以及PID 控制方式的基本理念，并對PID 控制方式的缺點進行了優(yōu)化，現(xiàn)代工業(yè)控制中常用的仍是傳統(tǒng)的PID 控制方式。由于模糊PID 控制理念在掘進機推進系統(tǒng)中的應(yīng)用不是很普遍，基于其控制性能的好壞，還需大量的實驗驗證[1]。

2.3 仿真實驗分析

利用掘進機的實際參數(shù)對液壓系統(tǒng)模型進行賦值，進行液壓系統(tǒng)的仿真分析，算法采用MATLAB 工具進行編寫，其推力情況如圖3-1 所示。再根據(jù)圖中負載曲線分別使用PID 控制以及模糊PID 控制進行模型的仿真分析，其余條件保持不變，實驗所得如圖時調(diào)整[2]。通過對仿真實驗結(jié)果進行分析，可以看出結(jié)果曲線中模糊PID 的控制方式調(diào)節(jié)效果要明顯優(yōu)于傳統(tǒng)PID 控制方式，在負載干擾等外界條件相同的情況下，模糊PID 控制方式有著更高的響應(yīng)速度，產(chǎn)生的波動也較小，穩(wěn)定性也更高[3]。因此，模糊PID 控制方式在掘進機的推進系統(tǒng)中有較好的實用性，可以起到提高掘進機系統(tǒng)性能的效果。3-2 所示。模糊PID 控制方式的兩種控制方式分別為并行方式以及串聯(lián)方式，可在系統(tǒng)內(nèi)設(shè)置轉(zhuǎn)換開關(guān)K來實現(xiàn)模糊控制以及PID 控制方式的自由切換，并通過設(shè)置智能協(xié)調(diào)器來比較輸出變量，控制該開關(guān)的打開方向。因此模糊PID 控制方式的難點就在于如何去選取轉(zhuǎn)換開關(guān)值，通常情況下，可在模糊PID 控制系統(tǒng)內(nèi)串聯(lián)一個模糊控制器進行PID 控制器參數(shù)的實

圖3 仿真實驗曲線

3 實驗效果分析

根據(jù)實際掘進過程中采集的數(shù)據(jù)，為液壓推進系統(tǒng)預(yù)設(shè)初值，并通過壓力傳感器、速度傳感器對油缸推進速度以及負載推力進行數(shù)據(jù)采集，由模糊PID 控制器輸入調(diào)節(jié)，使得速度誤差保持在允許范圍之內(nèi)，并監(jiān)測油缸壓力，使液壓系統(tǒng)的壓力控制在系統(tǒng)允許范圍之內(nèi)。對比圖3 仿真實驗曲線可以看出，常規(guī)的PID 控制響應(yīng)速度較慢，且超調(diào)較為明顯，而模糊PID控制在超調(diào)方面有著顯著優(yōu)勢，具有良好的穩(wěn)定性，可將推進速度以及推進壓力更好地控制在初值左右。

通過對掘進機推進系統(tǒng)進行模糊PID 控制方式設(shè)計，可以發(fā)現(xiàn)，其調(diào)節(jié)方式要優(yōu)于傳統(tǒng)的PID 控制方式，在穩(wěn)定性以及響應(yīng)速度上都有著顯著的優(yōu)勢，波動性也較小，有效降低了系統(tǒng)元件在實際運行過程中的磨損率，提高了元件使用壽命及系統(tǒng)效率?；诖隧椄倪M應(yīng)用于實際生產(chǎn)，預(yù)計可將該礦采掘比提升至1∶3，保證掘進機在掘進面的高效率掘進，以滿足煤炭的開采需求。

4 結(jié)語

通過對掘進機推進系統(tǒng)的改進設(shè)計，將模糊PID控制方式應(yīng)用到推進系統(tǒng)控制當(dāng)中，提升了元件的使用壽命，極大地提高了掘進機的掘進效率，使原有采掘比1∶2 的掘進面提升到1∶3，有效緩解了采掘面接替緊張的現(xiàn)狀，為實現(xiàn)煤礦的高效生產(chǎn)提供了良好解決方案，滿足了煤炭資源的開采需要。