煤礦刮板輸送機(jī)自動校直控制技術(shù)研究

潘軍輪

（山西沁和能源集團(tuán)南凹寺煤業(yè)有限公司，山西 沁水048200）

隨著我國礦井智能化開采程度越來越高，多數(shù)礦井正在由機(jī)械化向智能化轉(zhuǎn)型，綜采工作面配套的轉(zhuǎn)載機(jī)、溜子、割煤機(jī)、皮帶等運(yùn)輸輔助設(shè)備逐漸實(shí)現(xiàn)自動化和智能化，以滿足礦井安全高效的需求。智能化生產(chǎn)不僅可以提高生產(chǎn)效率，降低勞動強(qiáng)度，更能夠依靠設(shè)備的自主化管理實(shí)現(xiàn)無人值守和無人操控，從而營造更加安全可靠的生產(chǎn)環(huán)境?；诖耍芯抗ぷ髅嫒绾螌?shí)現(xiàn)刮板輸送機(jī)在推溜移架過程中的自動校正調(diào)直問題，對確保采煤工作面的運(yùn)煤效率具有重要意義。

1 刮板輸送機(jī)結(jié)構(gòu)分析

刮板輸送機(jī)作為工作面轉(zhuǎn)載運(yùn)輸?shù)闹匾O(shè)備，主要由機(jī)頭、機(jī)尾鏈輪、槽板、鏈條、電機(jī)、減速機(jī)，以及便于檢修的中部槽及天窗槽等組成。在安裝刮板輸送機(jī)時(shí)，刮板輸送機(jī)槽通過啞鈴銷軸進(jìn)行搭接而成，根據(jù)切眼長度安裝適合的槽板，隨著槽板安裝同步串接鏈條與刮板，最后在上下兩個(gè)端頭安全出口處的機(jī)頭機(jī)尾安裝回轉(zhuǎn)鏈輪，鏈條連接完畢后，在減速機(jī)的帶動下，刮板輸送機(jī)鏈條就可以經(jīng)過鏈輪的傳動作用，實(shí)現(xiàn)正轉(zhuǎn)和倒轉(zhuǎn)。

在實(shí)際割煤過程中，受到煤層賦存條件的變化，以及頂?shù)装宓钠鸱拗?，刮板輸送機(jī)不可能始終保持平直。在回采過后，支架工要根據(jù)前方煤墻的截割深淺進(jìn)行推溜拉架。由于支架工工作年限長短與經(jīng)驗(yàn)的參差不齊，推移支架后，在空間層面上刮板輸送機(jī)可能呈現(xiàn)出不同的形態(tài)和弧度，甚至在上山和下山坡度回采時(shí)刮板輸送機(jī)會出現(xiàn)偏轉(zhuǎn)現(xiàn)象，很容易導(dǎo)致槽板受力擠壓而加快磨損，且刮板輸送機(jī)鏈條不均勻受力牽引也容易造成斷鏈條事故發(fā)生。因此，確保刮板輸送機(jī)處在平直狀態(tài)高質(zhì)量運(yùn)行對于設(shè)備使用壽命和維護(hù)檢修至關(guān)重要[1]。刮板輸送機(jī)結(jié)構(gòu)形態(tài)如圖1所示。

圖1 刮板輸送機(jī)結(jié)構(gòu)形態(tài)

2 刮板輸送機(jī)誤差因素分析

2.1 中部槽限位誤差

由于刮板輸送機(jī)是由一塊塊的槽板通過啞鈴銷軸連接而成的，而啞鈴銷屬于硬性連接裝置，不能產(chǎn)生形變，但在垂直空間方向上有一定范圍的間隙余量。刮板輸送機(jī)槽板之間的間隙很小，一方面為避免因?yàn)殚g隙過大，造成刮板輸送機(jī)運(yùn)行過程中過多地灑煤，導(dǎo)致槽板底部噎煤而發(fā)生刮板輸送機(jī)拉死事故，另一方面減小間隙為提高溜子受力的整體抗拉性，便于整體推移受力，每塊槽板之間都留存一定量的間隙后，可起到聯(lián)動傳遞的作用。溜子槽聯(lián)動效應(yīng)俯視平面如圖2所示。

圖2 溜子槽聯(lián)動效應(yīng)俯視平面

2.2 中部槽與支架銷耳之間間隙誤差

為最大限度地確保中部槽在刮板輸送機(jī)運(yùn)行過程中更好地清理浮煤，采用銷耳對支架底座伸縮千斤頂液壓缸與刮板輸送機(jī)中部槽之間進(jìn)行連接固定，由于銷耳的可活動范圍間隙很小，當(dāng)單個(gè)或相鄰支架進(jìn)行推移刮板輸送機(jī)時(shí)，造成銷耳間隙產(chǎn)生極限盲區(qū)而限制推移量，不能將中部槽一次推移到位，需要前后多架按照一個(gè)方向的順序依次拉架后才能實(shí)現(xiàn)推溜移架到位[2]。銷耳對中部槽移動限位曲線如圖3所示。

圖3 耳對中部槽移動限位曲線

如圖3所示，當(dāng)乳化液泵站供液流量不能達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)壓力值時(shí)，在銷耳間隙的極限區(qū)域?qū)挾萢外部，流量Q值與中部槽的位移量S值呈現(xiàn)的是非線性關(guān)系，中部槽在a范圍內(nèi)不會發(fā)生較大位移變化。當(dāng)乳化液泵站供液滿足壓力指標(biāo)要求時(shí)，且流量穩(wěn)定的狀態(tài)下，在極限區(qū)域?qū)挾萢之外，中部槽的位移會產(chǎn)生一定范圍的變化。

2.3 液壓傳動系統(tǒng)的動作誤差

中部槽的前移動作通過支架推移千斤頂?shù)囊簤焊自谝簤合到y(tǒng)的傳動作用下完成。但此過程受到多種因素的干擾影響，比如液壓傳動的穩(wěn)定性，壓力值是否能夠達(dá)到設(shè)計(jì)要求，液壓管路的抗壓性，以及推移千斤頂實(shí)際作用的伸縮量等都制約著單次推移中部槽能否一次到位。若出現(xiàn)檢修不及時(shí)，造成液壓缸煤泥堵塞，就會嚴(yán)重影響實(shí)際伸出量，減少單次中部槽的推移距離，影響刮板輸送機(jī)的整體平直工程質(zhì)量[3]。

3 刮板輸送機(jī)的直線度誤差檢測分析

為確保刮板輸送機(jī)的工程質(zhì)量和平直程度，提升切眼采煤的連續(xù)性，主要從中部槽直線度和捷聯(lián)慣導(dǎo)的定位精度兩個(gè)方面描述檢測誤差的表達(dá)方式。

3.1 直線度影響因素

采煤機(jī)在割煤期間其行走部和電機(jī)遙控裝置是騎跨在中部槽和前溜擋板齒排上完成行走運(yùn)動的。刮板輸送機(jī)的平直程度直接影響割煤機(jī)的運(yùn)行軌跡，因此，在一定程度意義上，兩者軌跡相互關(guān)聯(lián)，可以通過對割煤機(jī)行走軌跡計(jì)算建模，反映出刮板輸送機(jī)推移的平直狀態(tài)，割煤機(jī)與中部槽軌跡關(guān)系如圖4所示。

圖4 割煤機(jī)與溜子槽軌跡關(guān)系

通過上述關(guān)系分析，可將捷聯(lián)慣導(dǎo)檢測裝置布置在采煤機(jī)中控附近，從而實(shí)現(xiàn)隨采煤機(jī)運(yùn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測其行動軌跡，并建立點(diǎn)坐標(biāo)模型圖，通過固定距離設(shè)置一次監(jiān)測，記錄實(shí)時(shí)的點(diǎn)坐標(biāo)位置，當(dāng)割煤機(jī)在切眼內(nèi)割刀一個(gè)循環(huán)后，正好可以記錄完整的軌跡路線。當(dāng)割煤機(jī)運(yùn)行過快，中部槽不能有效跟進(jìn)產(chǎn)生較大彎曲度時(shí)，可以及時(shí)協(xié)調(diào)減緩割煤速度，以便于后面跟進(jìn)拉架，向前推移中部槽至合理的曲度區(qū)間，從而更好地保護(hù)運(yùn)輸設(shè)備。

3.2 捷聯(lián)慣導(dǎo)的定位精度誤差

當(dāng)采煤機(jī)進(jìn)行往返回刀割煤時(shí)，主要依靠捷聯(lián)慣導(dǎo)方式對采煤機(jī)運(yùn)行位置和形態(tài)軌跡進(jìn)行準(zhǔn)確定位，但當(dāng)采煤機(jī)長時(shí)間運(yùn)行工作后，定位系統(tǒng)可能存在積分解算中的累計(jì)誤差，從而影響移動過程的準(zhǔn)確跟蹤定位。此外，在捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)檢測和安裝過程中也會存在人為操作的技術(shù)誤差，其中包括建立數(shù)值模擬分析和SINS裝置的測量誤差等[4]。

為滿足對于煤礦井下特殊地點(diǎn)的安裝需求，在測量裝置內(nèi)安裝有專門的隔爆箱，對隔爆箱定位建立了O-Xf、Yf、Zf坐標(biāo)系，對捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)建立O-XbYbZb坐標(biāo)系，此外將Δγ、Δφ、Δθ表示在空間坐標(biāo)X、Y、Z軸向上的安裝偏移誤差。根據(jù)上述關(guān)系建立坐標(biāo)體系的計(jì)算公式：

根據(jù)上式，當(dāng)刮板輸送機(jī)載體的移動中心線與采煤機(jī)行走中心線不重合或不平行時(shí)，就會形成桿臂效應(yīng)，從而輸出誤差。因此，根據(jù)兩個(gè)坐標(biāo)系統(tǒng)輸出的坐標(biāo)軌跡進(jìn)行實(shí)時(shí)比對，分析偏移誤差值的變化，可以準(zhǔn)確及時(shí)調(diào)整采煤機(jī)的截割速度，或者對刮板輸送機(jī)平直度進(jìn)行調(diào)整，從而更好地協(xié)調(diào)生產(chǎn)進(jìn)度，確保工程質(zhì)量。

4 刮板輸送機(jī)實(shí)時(shí)調(diào)直自控系統(tǒng)

為更好地實(shí)現(xiàn)對刮板輸送機(jī)隨割煤機(jī)截割時(shí)的同步調(diào)直作業(yè)，采用PID控制器的模糊計(jì)算自適應(yīng)功能進(jìn)行自主化管理，PID控制器自動調(diào)控工作原理如圖5所示。

圖5 PID控制器自動調(diào)控工作原理

結(jié)合上述分析的影響中部槽平直度的幾個(gè)誤差因素，以及采煤機(jī)與刮板輸送機(jī)同步運(yùn)行的坐標(biāo)軌跡，根據(jù)PID控制器的工作原理，可以根據(jù)坐標(biāo)反饋信息實(shí)時(shí)傳輸給控制器?？刂破鹘?jīng)過計(jì)算分析，輸出指令，通過調(diào)節(jié)液壓泵站的供液流量和輸出壓力，從而有效調(diào)控支架底座千斤頂推移伸出量，實(shí)現(xiàn)對前后刮板輸送機(jī)中部槽進(jìn)行微調(diào)調(diào)直的目標(biāo)。

5 仿真模擬試驗(yàn)

基于以上的結(jié)構(gòu)理論分析，為驗(yàn)證PID控制器對實(shí)現(xiàn)刮板輸送機(jī)實(shí)時(shí)調(diào)直的真實(shí)應(yīng)用效果，以及在實(shí)際生產(chǎn)中的調(diào)控準(zhǔn)確度，采用Matlab進(jìn)行仿真模擬實(shí)驗(yàn)研究。PID控制器調(diào)控效果仿真模擬實(shí)驗(yàn)流程如圖6所示。

圖6 PID控制器調(diào)控效果仿真模擬實(shí)驗(yàn)流程

設(shè)定試驗(yàn)對象為切眼內(nèi)第十節(jié)中部槽，選取隨機(jī)線與直線模式，隨機(jī)線與斜線模式兩種狀態(tài)，設(shè)定液壓泵的實(shí)時(shí)供液流量為1.64 L/min，液壓缸的活塞單位面積為0.002 56 m2，每節(jié)中部槽長度為0.7 m，PID控制器初始值設(shè)定為kd=11，ki=15.4，kp=27。仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)M曲線如圖7所示。

圖7 仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)M曲線

由圖7可知，根據(jù)對刮板輸送機(jī)初始位置的調(diào)整過后，可實(shí)現(xiàn)其終止位置曲線與目標(biāo)位置曲線基本平行或減小誤差的結(jié)果，說明通過PID控制器對刮板輸送機(jī)的自調(diào)控功能能夠起到一定的控制作用，達(dá)到預(yù)期效果。

6 結(jié)論

1）通過刮板輸送機(jī)的結(jié)構(gòu)分析，揭示其連接誤差受到中部槽聯(lián)動效應(yīng)、銷耳連接間隙誤差和液壓缸傳動系統(tǒng)誤操作誤差因素影響，導(dǎo)致中部槽推移中產(chǎn)生誤差。

2）對中部槽直線度的誤差控制影響因素進(jìn)行分析，說明檢測誤差和捷聯(lián)慣導(dǎo)的定位精度存在計(jì)算誤差，導(dǎo)致刮板輸送機(jī)推移不成直線。

3）利用PID控制器對液壓傳動系統(tǒng)和支架底座伸縮千斤頂進(jìn)行調(diào)控，建立數(shù)字化模型，并利用模擬實(shí)驗(yàn)對調(diào)控效果進(jìn)行總結(jié)評判，充分驗(yàn)證PID控制器可實(shí)現(xiàn)對刮板輸送機(jī)自動調(diào)直的實(shí)時(shí)監(jiān)控，確保了工程施工質(zhì)量。