全斷面掘進機推進系統(tǒng)的電液控制系統(tǒng)研究

龐燕飛

（晉能控股煤業(yè)集團朔州朔煤王坪煤業(yè)有限公司， 山西 朔州 038300）

0 引言

煤炭作為現(xiàn)階段我國能源結(jié)構(gòu)中最重要的組成部分，其直接影響著我國的國民經(jīng)濟發(fā)展[1]。掘進機是煤炭開采中的重要機械設(shè)備，代替了傳統(tǒng)的爆破作業(yè)模式，增加了煤炭井下開采的安全性和可靠性，實現(xiàn)了安全、快速、高效開采。全斷面掘進機是集機械、電氣、液壓為一體的大型機械，在實際應(yīng)用過程中，為了提高掘進機的控制水平，必須將掘進速度與掘進機自身的電液控制相匹配，保證其能夠穩(wěn)定地開展工作[2]。全斷面掘進機推進系統(tǒng)一般設(shè)置有兩種驅(qū)動方式，一種是液壓驅(qū)動，另一種是電機驅(qū)動。液壓驅(qū)動相比較電機驅(qū)動有著大功率傳輸、過載保護容易實現(xiàn)等優(yōu)點被廣泛應(yīng)用。隨著煤炭開采環(huán)境以及開采難度的不斷加大，對掘進機推進系統(tǒng)的電液控制系統(tǒng)提出了更高的要求。本文通過對全斷面掘進機推進系統(tǒng)的電液控制部分進行設(shè)計研究，提出了基于模糊-PID 算法控制全斷面推進系統(tǒng)的電液控制系統(tǒng)，能夠促進全斷面掘進機的進一步發(fā)展。

1 全斷面掘進機推進系統(tǒng)概述

1.1 全斷面掘進機推進系統(tǒng)

全斷面掘進機作為煤炭開采巷道掘進的主要設(shè)備，經(jīng)過長期的發(fā)展已經(jīng)達到了集機電液一體化。本文研究的全斷面掘進機是主要針對其推進部分進行的，使其更加適合煤礦井下的開采環(huán)境。全斷面掘進機的推進系統(tǒng)是由敏感液壓泵、比例調(diào)速閥、敏感多路閥、執(zhí)行機構(gòu)以及其他配件組成的。在其工作的過程中通過對比例調(diào)速閥的動作來調(diào)整掘進機推進系統(tǒng)油缸的運動方向以及流量的大小[3]。其中敏感液壓油泵結(jié)構(gòu)采用的是斜盤式軸向柱塞泵，實現(xiàn)了輸出流量與驅(qū)動速度比例呈正比且能夠無級調(diào)速。敏感液壓油泵中有負載傳感閥、功率控制閥以及壓力切斷閥等，負載傳感閥通過對壓力的感應(yīng)來實現(xiàn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化，以達到調(diào)整調(diào)節(jié)泵的輸出量[4]。當(dāng)液壓泵的輸出功率低于設(shè)定的切斷功率時，液壓泵的流量與負載傳感閥的壓力無關(guān)，以實現(xiàn)其他執(zhí)行元件的工作狀態(tài)不受其干擾。當(dāng)液壓泵的輸出功率高于設(shè)定值時，PLC 控制器會根據(jù)壓力數(shù)據(jù)的大小對相對應(yīng)的液壓閥進行控制，保證其在一定的控制范圍內(nèi)。例如對液壓缸進行調(diào)整，使其液壓油減少或者增加保持在一定的壓力范圍內(nèi)穩(wěn)定。全斷面掘進機推進機構(gòu)的液壓系統(tǒng)如圖1所示。敏感多路閥實現(xiàn)了對全斷面掘進機推進系統(tǒng)的過載保護、電比/流量可調(diào)、壓力/電比例可調(diào)等。

圖1 全斷面掘進機推進機構(gòu)的液壓系統(tǒng)

1.2 全斷面掘進機推進系統(tǒng)工作原理

全斷面掘進機推進系統(tǒng)在工作過程中是通過以下方式來運行的：全斷面掘進機推進系統(tǒng)的前支撐部分有上、下兩個部分，上、下兩部分的支撐是半圓弧形的，前下支撐是由左、右兩個支撐靴組成的。當(dāng)全斷面掘進機要實現(xiàn)前進、后退、轉(zhuǎn)向等動作時，要利用上、下兩個支撐進行調(diào)整。推進動作時，掘進機機身的支點是前后撐靴。利用前后撐靴的反作用力以及傳遞反扭距實現(xiàn)全斷面掘進機的推進動作。掘進機完成機身狀態(tài)的調(diào)整后，撐靴支撐到巖壁且達到相應(yīng)的壓力后關(guān)閉換向閥等。在掘進機運動的狀態(tài)時，對掘進機推進系統(tǒng)的液壓油的壓力和流量等進行準確控制。刀盤在推進油缸的作用下，開展切削工作，滾刀對巖面進行切削，切削出來的巖石經(jīng)過收集后到達收集口，再通過運輸螺旋機將其輸送到轉(zhuǎn)運皮帶上，實現(xiàn)整個過程。全斷面推進系統(tǒng)掘進過程如圖2 所示。

圖2 全斷面推進系統(tǒng)掘進過程

2 全斷面掘進機推進系統(tǒng)設(shè)計

由于全斷面掘進機推進系統(tǒng)的工作環(huán)境在井下，因此在實際設(shè)計時要充分考慮到對瓦斯的防護、井下濕潮的環(huán)境。全斷面掘進機推進系統(tǒng)在工作時需要進行大量的采集、傳輸工作，并實施控制，將其在顯示屏上進行顯示。在電力供電方面選擇的是交流1 140 V高壓供電，利用變壓器將其降到220 V 和127 V，再通過開關(guān)電源等對其進行穩(wěn)壓至24 V，以保證各部件的供電。全斷面掘進機推進系統(tǒng)需要多種傳感器進行對掘進過程中的各個信號進行監(jiān)測。采用GUC1200A型位移傳感器安裝到掘進機的推進缸前段對油缸的行程進行監(jiān)測。GPD60 壓力傳感器安裝到推進系統(tǒng)的各個液壓管路中，對管路中液壓油的壓力進行監(jiān)測。GWD70 溫濕度傳感器對掘進機掘進環(huán)境中的溫度和濕度進行監(jiān)測，防止出現(xiàn)工作環(huán)境中溫濕度過高的現(xiàn)象。掘進機推進系統(tǒng)的核心控制器采用西門子S7-300PLC，實現(xiàn)對掘進機推進系統(tǒng)的數(shù)據(jù)信息進行分析處理，現(xiàn)場安裝如圖3 所示。全斷面掘進機推進系統(tǒng)的推進速度控制模式采用速度控制和壓力控制相結(jié)合的方式，同時結(jié)合模糊-PID 控制方式實現(xiàn)對掘進機井下復(fù)雜作業(yè)的實時調(diào)控。

圖3 PLC 硬件現(xiàn)場安裝

3 全斷面掘進機推進系統(tǒng)模糊-PID 控制仿真模擬

全斷面掘進機推進系統(tǒng)模糊-PID 控制模型如圖4 所示。為了保證其能夠有效地進行使用，利用Simulink 環(huán)境下聯(lián)合AMESim 仿真。通過AMESim 將全斷面掘進機推進系統(tǒng)的推進壓力以及流量采集出來，利用Simulink 構(gòu)建PID 控制算法，結(jié)合采集到的推進壓力以及流量的數(shù)據(jù)進行PID 運算，利用Zigler-Nichols 對PID 的參數(shù)進行整定運算。PID 參數(shù)如表1 所示。

表1 PID 參數(shù)參考

圖4 全斷面掘進機推進系統(tǒng)模糊-PID 控制模型

通過對掘進機推進系統(tǒng)進行建模，在Simulink 中進行仿真實驗，階躍信號設(shè)置為1 mm/s，在5 s 左右對系統(tǒng)施加120 kN 的擾動負載，最終取得了PID 與模糊-PID 的速度響應(yīng)曲線對比結(jié)果如圖5 所示。

圖5 PID 與模糊-PID 速度響應(yīng)曲線

通過圖5 速度響應(yīng)曲線對比能夠反映出PID 控制算法和模糊-PID 控制算法相比較，模糊-PID具有更加良好的動態(tài)響應(yīng)，并且其控制的穩(wěn)定性也優(yōu)于PID 控制算法，更好地驗證了模糊-PID 的有效性和實用性。

4 結(jié)語

全斷面掘進機作為煤礦開采中的重要設(shè)備，其對煤炭的開采速度有著至關(guān)重要的作用，為了保證全斷面掘進機能夠提高其掘進速度和掘進效率，本文對全斷面掘進機的推進系統(tǒng)進行研究，闡述了掘進機的推進系統(tǒng)以及其工作原理，結(jié)合液壓和電氣系統(tǒng)設(shè)計了全斷面掘進機的控制系統(tǒng)，采用模糊PID 控制方式實現(xiàn)掘進機更加精準的控制和更加可靠的控制。最后利用模擬仿真分析對比模糊-PID 控制與普通PID 控制的優(yōu)劣，驗證了模糊-PID 控制更加具有可靠的有效性和較高的實用性，為全斷面掘進機的發(fā)展奠定了一定的基礎(chǔ)，促進了煤礦更加朝著自動化、智能化轉(zhuǎn)型發(fā)展。