采煤機(jī)電液比例自動(dòng)調(diào)高系統(tǒng)研究

劉 偉

（山西煤炭運(yùn)銷集團(tuán)蒲縣昊興塬煤業(yè)有限公司， 山西 臨汾 041200）

引言

在采煤過程中，采煤機(jī)的滾筒高度需要不斷調(diào)整，以適應(yīng)煤層高度的變化。目前，我國的采煤機(jī)滾筒調(diào)高采用手動(dòng)控制實(shí)現(xiàn)，采煤機(jī)司機(jī)在操作過程中不斷觀察截割情況，并手動(dòng)調(diào)整滾筒位置。由于井下環(huán)境惡劣，工作面能見度較低，采煤機(jī)發(fā)出的巨大噪聲也會(huì)干擾司機(jī)準(zhǔn)確判斷滾筒位置。滾筒的高度由油缸的伸縮量變化進(jìn)行控制，液壓閥的開閉可以控制液壓油缸的伸縮，從而實(shí)現(xiàn)滾筒高度調(diào)節(jié)。本文采用電液比例控制閥代替?zhèn)鹘y(tǒng)電磁閥，實(shí)現(xiàn)了滾筒運(yùn)動(dòng)軌跡精確控制，提高了系統(tǒng)性能和響應(yīng)速度。

1 調(diào)高系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

通常液壓控制系統(tǒng)由控制元件、動(dòng)力元件、執(zhí)行元件和其他輔助元件組成，動(dòng)力元件在控制元件的作用下，向采煤機(jī)機(jī)械部分輸出合適的作用力，以滿足采煤機(jī)滾筒自動(dòng)調(diào)高的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)性能。液壓調(diào)高系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)分為兩部分，一是信號(hào)控制部分，主要作用為向限壓閥、換向閥、比例閥等液壓裝置提供控制信號(hào)，改變其方向和開度，同時(shí)也可以給手動(dòng)閥提供開閉信號(hào)，使系統(tǒng)在手動(dòng)模式下實(shí)現(xiàn)電磁鎖控制，二是液壓動(dòng)力部分，主要作用為改變系統(tǒng)流量和壓力[1-2]。

相比于其他類型的控制系統(tǒng)，液壓控制系統(tǒng)具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，采煤機(jī)滾筒液壓調(diào)高系統(tǒng)具有安裝體積小、元件重量輕的特點(diǎn)，動(dòng)力元件只需要很小的慣性就能夠產(chǎn)生很大的力矩。由于礦井通風(fēng)條件有限，且空氣濕度較大，如果設(shè)備發(fā)熱極易引起火災(zāi)或者爆炸事故，設(shè)備的散熱需要重點(diǎn)考慮，對(duì)于液壓控制系統(tǒng)來說，液壓油的散熱效果良好。

2 電液比例調(diào)高原理

采煤過程中，隨著采煤機(jī)的不斷推進(jìn)，滾筒所截割的煤層的厚度也會(huì)變化，為了使?jié)L筒貼合頂板和底板，提高采煤效率，采煤機(jī)的滾筒高度需要不斷調(diào)整。除了液壓控制閥和調(diào)高油缸，大部分滾筒調(diào)高液壓元件被安裝在調(diào)高泵箱內(nèi)，油箱和電動(dòng)機(jī)電機(jī)箱占據(jù)了調(diào)高泵箱的主體空間，在抽屜板內(nèi)布置其他諸如液壓組件和管路等。由于調(diào)高泵箱的重要性，其安裝和配置具有特殊性，調(diào)高泵箱的箱體上應(yīng)設(shè)置方便觀察的油窗，采煤機(jī)工作時(shí)，其油面應(yīng)該在最低油位上方。除了觀察窗，油箱還應(yīng)該配置濾清器和放油孔。油缸與采煤機(jī)滾筒搖臂應(yīng)采用鉸接方式進(jìn)行連接，以滿足采煤機(jī)工作時(shí)產(chǎn)生的機(jī)械應(yīng)力。如圖1 所示為采煤機(jī)電液比例調(diào)高系統(tǒng)原理圖，該系統(tǒng)由電動(dòng)機(jī)、齒輪泵、油缸、換向閥、液壓鎖、溢流閥、過濾器、油箱等元件組成。設(shè)備啟動(dòng)以后，齒輪泵在電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)下向油箱吸油，液壓油從油箱中被抽至過濾器中進(jìn)行過濾，然后進(jìn)入液壓泵。通過操作換向閥的閥體位置，液壓油經(jīng)過不同的控制回路進(jìn)入油缸，從而改變滾筒的升降狀態(tài)，當(dāng)滾筒的高度調(diào)至合適位置時(shí)，控制回路的液壓鎖將回路閉鎖，從而使液壓系統(tǒng)的壓力保持穩(wěn)定。在整個(gè)控制過程中，安全閥的作用是保持滾筒位置，溢流閥的作用是卸壓，防止過載。

圖1 電液比例調(diào)高系統(tǒng)原理圖

3 元件選型

采煤機(jī)電液比例調(diào)高系統(tǒng)的主要元件有電液比例方向閥、液控單向閥、安全閥和位移傳感器等。

電液比例方向閥選擇的依據(jù)有閥的類型、額定壓力、額定流量、中位機(jī)能。根據(jù)滾筒調(diào)高系統(tǒng)的控制精度和動(dòng)態(tài)響應(yīng)要求，選擇帶內(nèi)部反饋閉環(huán)的電液比例方向閥，相較于不帶內(nèi)部反饋的電液比例方向閥，這種閥的穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)性能均更加優(yōu)秀。根據(jù)采煤機(jī)調(diào)高液壓系統(tǒng)的工作壓力為18 MPa，額定流量為19 L/min，因此選擇電液比例閥的型號(hào)為GDBFW-02.3C4，這款電液比例方向閥的最大工作壓力為31.5 MPa，最大流量為45 L/min，質(zhì)量為3.8 kg，通徑為6 mm，采用4～20 mA 的電流信號(hào)進(jìn)行控制[3-4]。

液控單向閥又叫液壓鎖，安裝在液壓油缸和電液比例方向閥之間，該閥具有單項(xiàng)流通的特性，在系統(tǒng)調(diào)高和定位截煤方面具有重要作用，能夠保證系統(tǒng)的安全，如果選擇不當(dāng)會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)等現(xiàn)象，影響采煤機(jī)的安全。液壓鎖的開鎖條件根據(jù)采煤機(jī)調(diào)高液壓系統(tǒng)確定為內(nèi)泄式，在選擇液壓鎖的閉鎖壓力時(shí)，需要同時(shí)考慮系統(tǒng)有載荷和無載荷兩種情況下的壓力，因?yàn)橛捎谝簤焊谆钊麅蓚?cè)受壓面積較小，無桿腔和有桿腔的閉鎖壓力很大，甚至可能超過系統(tǒng)有載時(shí)的壓力，因此選擇的液壓鎖的閉鎖壓力必須滿足上述強(qiáng)度條件。本文選擇YDF06.00.00 液控單向閥作為液壓鎖。

采煤過程中，如果滾筒切割到巨大的煤矸石，一方面滾筒的截齒會(huì)加速損耗，另一方面煤矸石會(huì)給滾筒一個(gè)很大的反向作用力，導(dǎo)致采煤機(jī)油缸的載荷突增，導(dǎo)致油缸或者管路等部分被壓力沖破。安全閥的作用是當(dāng)油缸內(nèi)的壓力超過一定值時(shí)，安全閥將油缸的兩腔壓力泄掉，泄壓之后滾筒的高度降低，從而起到保護(hù)截齒和滾筒的作用，提高采煤的質(zhì)量。

液壓油缸的行程為575 mm，位移傳感器選型為KYDM 系列磁致伸縮傳感器，此型號(hào)傳感器的量程為600 mm，接口采用Profibus-DP，分辨率達(dá)到 5 μm，可在-40～85℃環(huán)境中穩(wěn)定工作[5]。

4 仿真分析

在LMS.AMEsim 軟件中對(duì)采煤機(jī)滾筒調(diào)高系統(tǒng)進(jìn)行仿真，這款軟件不僅可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)級(jí)的仿真，還能夠在元件結(jié)構(gòu)等方面進(jìn)行特殊設(shè)計(jì)。電液比例閥是電液比例調(diào)高系統(tǒng)的重要元件，因此可以對(duì)電液比例閥進(jìn)行特殊設(shè)計(jì)，更改結(jié)構(gòu)和參數(shù)，使電液比例閥的建模更加精細(xì)，更加貼近元件實(shí)際性能。仿真過程分為草圖模式、子模型選取、參數(shù)設(shè)置和運(yùn)行模式四個(gè)步驟，電液比例方向閥采用HCD 庫進(jìn)行設(shè)計(jì)，比例放大器系數(shù)取31.5，閥芯活塞直徑為60 mm，閥芯等效質(zhì)量為6.6 kg，彈簧剛度為200 N/m，系統(tǒng)工作壓力為10 MPa，靜摩擦力為2.8 N，動(dòng)摩擦力為3 N。液壓缸、安全閥、液壓鎖、液壓泵、油箱等其他元件為系統(tǒng)中的自帶元件，控制信號(hào)模塊采用UD00，采用階躍信號(hào)參數(shù)模擬比例仿真需求。AMEsim 建立的電液比例調(diào)高系統(tǒng)仿真，如圖2 所示。

圖2 AMEsim 建立的電液比例調(diào)高系統(tǒng)仿真

圖3 為仿真軟件中建立的油缸活塞位移跟蹤仿真曲線，仿真參數(shù)設(shè)置為：仿真時(shí)間10 s，仿真步長0.1 s，給定的位移信號(hào)為階躍信號(hào)0.5 m。由圖3 可知，仿真開始后滾筒高度開始上升，上升過程平穩(wěn)，在7.8 s 時(shí)活塞桿到達(dá)指定位置，位移停止。

圖3 活塞位移跟蹤仿真曲線

5 結(jié)語

傳統(tǒng)的采煤機(jī)滾筒調(diào)高系統(tǒng)采用普通電磁閥對(duì)油壓進(jìn)行控制，存在控制不穩(wěn)定，滾筒調(diào)節(jié)動(dòng)態(tài)響應(yīng)差等問題，采用電液比例控制閥代替普通電磁閥，并在AMEsim 軟件中進(jìn)行仿真建模，仿真結(jié)果表明，電液比例方向閥能夠提高滾筒調(diào)高控制系統(tǒng)的控制精度和響應(yīng)速度，對(duì)采煤機(jī)截割效率提升，保護(hù)截齒不被矸石磨損具有一定意義。