采煤機電液比例控制調高系統(tǒng)研究

李宏彬

（山西焦煤西山煤電官地礦，山西 太原 030022）

引言

采煤機的截割過程中，滾筒高度自動調整是實現(xiàn)綜采工作面自動化截割的重要組成部分。目前大部分能夠實現(xiàn)滾筒位置自動調整的采煤機均是國外進口的高端設備，國內(nèi)廠家生產(chǎn)的中低端采煤機均采用人工調整的方式進行調高。在能見度低、噪聲大等環(huán)境因素的影響下，采煤機操作人員無法準確判斷煤巖界面，而且即使判斷準確，電磁閥控制的滾筒調高油缸也存在控制精度低、超調量大的缺點，導致采煤機采煤效率低，還有可能造成瓦斯突出等惡性事故，因此急需研發(fā)一種控制精度高、自動化程度高的滾筒調高技術。電液比例控制技術是一種集機電液為一體的控制技術，其流量和流速與控制信號成比例，用于液壓伺服系統(tǒng)中具有獨特的優(yōu)勢[1-3]。本文基于電液比例控制技術，研究了油缸位置測量技術和電液比例控制技術，對采煤機滾筒調高系統(tǒng)具有重要意義。

1 電液比例調高系統(tǒng)

傳統(tǒng)的采煤機調高機構采用電磁換向閥與定量泵控制，電磁換向閥只有開啟和關閉兩種狀態(tài)，在滾筒調高控制中能夠實現(xiàn)的精度和穩(wěn)定性不足，在綜采工作面上經(jīng)常出現(xiàn)滾筒調節(jié)過高或過低的情況，滾筒調節(jié)過高則會導致截齒截割頂板巖石，對截割電機和截齒造成很大的沖擊，滾筒調節(jié)過低則會導致采煤厚度不足，影響采煤效率。

如圖1 所示為電液比例調高系統(tǒng)的原理圖，采煤機控制器向調高系統(tǒng)發(fā)出一個控制信號，位于執(zhí)行油缸伸縮活塞上的位置傳感器將滾筒的位置信息采集并發(fā)送回控制器，在控制器內(nèi)將滾筒高度實際位置與控制信號的給定位置做差，得到誤差信號，誤差信號經(jīng)過PID 控制器數(shù)據(jù)處理，生成直接控制電液比例方向閥的控制信號，發(fā)送給比例換向閥，電液比例方向閥根據(jù)控制信號的正負和數(shù)值大小，能夠改變流經(jīng)比例方向閥的液壓油方向和流量，電機上電后帶動泵，液壓油從油箱內(nèi)被吸出，經(jīng)過濾器過濾后依次進入泵、比例換向閥、液壓閉鎖機構后，進入執(zhí)行油缸內(nèi)，推動油缸活塞做功，帶動搖臂進行動作。

圖1 電液比例調高系統(tǒng)的原理圖

2 磁致位移傳感器

2.1 工作原理

油缸內(nèi)安裝的位移傳感器類型為磁致型，如下頁圖2 所示為磁致位移傳感器的原理圖。傳感器的末端為電子倉，內(nèi)裝有傳感器頭和電路板，通過六角螺釘與法蘭連接。傳感器前部是一根活塞桿，管內(nèi)液壓油缸的內(nèi)腔里有測量桿管，起到保護內(nèi)部波導線的作用。永磁磁環(huán)套在活塞桿端部，隨活塞桿一起移動，傳感器頭將活塞桿位置數(shù)據(jù)讀取出來，經(jīng)過AD 轉換后發(fā)送給變送器。

圖2 磁致位移傳感器的原理圖

傳感器主要由波導管和永磁鐵組成。波導管是由鐵磁材料制成的元件，與永磁鐵會產(chǎn)生一個軸向的磁場。傳感器頭發(fā)出電流脈沖，經(jīng)過波導管時可以產(chǎn)生徑向磁場。當軸向磁場和徑向磁場在波導管內(nèi)相交時會產(chǎn)生“磁致伸縮”現(xiàn)象，發(fā)出一個應變脈沖。應變脈沖以超聲的速度從位置測量點向外傳播，并被傳感器電子頭接收。傳感器的控制芯片瞬間計算出發(fā)信號和接收信號的時間，從而計算出位置信息。

2.2 使用注意事項

1）防干擾措施。磁致位移傳感器會受到調頻干擾和靜電干擾，這些因素可能讓傳感器內(nèi)的電子尺測量出現(xiàn)誤差。可采取的措施有：在布置電子尺的信號線時，避免和設備的強電線路共同使用一個線槽；電子尺的接地線必須可靠接地；使用質量合格的屏蔽線作為電子尺的信號線，且電箱的一端與屏蔽線接地。

2）供電電源。位移傳感器的供電應注意容量和隔離兩方面的內(nèi)容。首先，電源容量不足會造成熔膠的運動，進而使合模電子尺的測量結果誤差較大。電磁閥的驅動電源和直線位移傳感器供電電源應分別使用不同電源供電，否則容易出現(xiàn)測量誤差。

3 電液比例方向閥

3.1 工作原理

隨著輸入電信號的正負和幅值變化，通過電液比例方向控制閥的液流方向和流量也對應變化，實現(xiàn)對伸縮油缸運動方向和速度的控制。當壓差不變時，流量與輸入電信號的幅值成比例，左右電磁鐵是否得電確定液壓油的流動方向。電液比例閥的控制邊有一定的遮蓋量，安裝端彈簧時要留有足夠的壓縮量。電液比例閥具有中位死區(qū)。由于摩擦力和閥口液動力的干擾，特別是在壓力和流量大的情況，直動式方向閥的定位精度更低[4-5]。為了改善這一缺點，系統(tǒng)采用位移電反饋型直動式電液比例方向閥。圖3 為本文采用的直動式電液比例方向節(jié)流閥的結構原理圖。它主要由對中彈簧、比例磁鐵，閥體，閥心組成。當比例電磁鐵左邊通電時，閥心右移，油口P 與B 相通，T 與A 相通，閥口的開度與比例電磁鐵的輸入電流成正比，當電磁鐵右邊通電時，閥心向左移，油口P 與A 通、B與T 通，閥口開度與電磁鐵的輸入電流成比例。

圖3 電液比例方向閥結構

3.2 使用注意事項

1）功率范圍。在選擇電液比例方向閥時，注意不能超過驅動電路提供的驅動功率。

2）油液污染。電液比例方向閥對油質要求較高，油液污染會導致閥的堵塞，造成控制誤差積累。通常比例方向閥先導級對液壓油的要求為NASl638 規(guī)定的7～9 級。雖然有的伺服閥具有一定的抗污染能力，但也應該經(jīng)常檢查液壓油的純凈度，如果液壓油發(fā)生污染要及時更換，或者清洗過濾器。

3）放大器配套。一般情況下電液比例閥會有專門的放大器與之配套，且具有深度電流負反饋的放大器的信號電流中疊加顫振電流。當放大器斷電或差動變壓斷線時，電液比例閥的閥芯處于原始位置或液壓系統(tǒng)壓力最低的位置。

4）提高精度。提高控制精度的辦法有控制調壓時間和加速度、死區(qū)補償?shù)绒k法。通過切換時間延遲、液壓缸內(nèi)端位緩沖、電子控制流量閥和變量泵等方法可以控制調壓時間和加速度。如果放大器中含有函數(shù)發(fā)生器，可以產(chǎn)生斜坡信號，從而實現(xiàn)死區(qū)補償，提高循環(huán)速度并防止慣性沖擊。使控制的結果更加精確。

4 結語

相比于傳統(tǒng)的電磁閥控制的采煤機滾筒調高系統(tǒng)，電液比例控制技術具有控制精度更高、穩(wěn)定性更強的優(yōu)點。采煤機電液比例調高控制系統(tǒng)的核心控制元件為位置傳感器和電液比例方向閥，磁致位置傳感器響應速度快，位置精度高，能夠提高滾筒位置的精確性。電液比例方向閥的流量與電流大小成正比，可以提高滾筒調節(jié)的動態(tài)性能。