劉春生， 陳金國(guó)， 張艷軍

(黑龍江科技學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，哈爾濱 150027)

采煤機(jī)滾筒液壓調(diào)高比例控制系統(tǒng)的數(shù)值模擬

劉春生， 陳金國(guó)， 張艷軍

(黑龍江科技學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，哈爾濱 150027)

為實(shí)現(xiàn)記憶截割滾筒調(diào)高曲線的平滑性及減少調(diào)高系統(tǒng)的振蕩，建立了電液比例方向閥調(diào)高系統(tǒng)與電磁換向閥調(diào)高系統(tǒng)的傳遞函數(shù)及其控制器模型，采用Matlab/Simulink與Automation Studio聯(lián)合仿真的方法，分析其系統(tǒng)工作的壓力、流量及加速度特性。仿真結(jié)果表明:電液比例方向閥控制液壓缸調(diào)高系統(tǒng)的壓力、流量及加速度曲線振蕩比電磁換向閥控制的小，明顯地減少了滾筒截割時(shí)調(diào)高啟動(dòng)沖擊，提高了采煤機(jī)工作的可靠性，為采煤滾筒調(diào)高控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供了參考依據(jù)。

采煤機(jī);滾筒;調(diào)高系統(tǒng);電液比例控制;Automation Studio仿真

0 引言

目前，大部分采煤機(jī)調(diào)高系統(tǒng)采用電磁換向閥控制液壓缸的形式，通過(guò)調(diào)控電磁換向閥通斷狀態(tài)實(shí)現(xiàn)滾筒記憶調(diào)高。由于工作面頂?shù)装宓牟黄秸?，?dǎo)致采煤機(jī)和液壓支架的推溜困難;又由于采煤工作面是一個(gè)連續(xù)起伏的平面，電磁換向閥的左、右位需要頻繁互換控制液壓缸活塞的伸縮以帶動(dòng)搖臂上下擺動(dòng)，實(shí)現(xiàn)滾筒位置高度調(diào)整。這導(dǎo)致液壓調(diào)高系統(tǒng)振蕩。

筆者采用電液比例方向閥控制液壓缸液壓調(diào)高系統(tǒng)的方法，通過(guò)電信號(hào)控制調(diào)節(jié)閥的開(kāi)口量，進(jìn)而控制液壓缸活塞的伸縮。當(dāng)控制信號(hào)逐漸增加至閥口全開(kāi)時(shí)，此時(shí)電液比例方向閥相當(dāng)于電磁換向閥。采用電液比例方向閥控制液壓缸液壓調(diào)高系統(tǒng)可以保證工作面平整性以及液壓系統(tǒng)穩(wěn)定［1－2］。

1 控制系統(tǒng)

采煤機(jī)液壓調(diào)高系統(tǒng)工作原理，如圖1所示。電液比例方向閥調(diào)高系統(tǒng)使用定量調(diào)高泵，通過(guò)電液比例方向閥實(shí)現(xiàn)比例量控制。油缸內(nèi)安裝位移傳感器或轉(zhuǎn)角傳感器，液壓缸活塞移動(dòng)時(shí)，同時(shí)帶動(dòng)位移傳感器，將液壓缸活塞的機(jī)械位移轉(zhuǎn)換成電氣信號(hào)。與給定電信號(hào)相比較，其偏差量經(jīng)過(guò)模糊PID控制器處理后，作為比例放大器的輸入信號(hào)。電氣信號(hào)經(jīng)過(guò)比例放大器，在閥轉(zhuǎn)換器中轉(zhuǎn)換成液壓信號(hào)，進(jìn)而控制比例方向閥主閥芯移動(dòng)。對(duì)于電磁換向閥調(diào)高系統(tǒng)，通過(guò)控制閥的開(kāi)關(guān)時(shí)間來(lái)實(shí)現(xiàn)滾筒調(diào)高。手動(dòng)控制時(shí)，電路中的組合旋轉(zhuǎn)開(kāi)關(guān)作用于電位器，給出信號(hào)同樣經(jīng)過(guò)放大器作用于閥，實(shí)現(xiàn)滾筒調(diào)高。

圖1 調(diào)高系統(tǒng)原理Fig.1 Height adjusting system principle

2 系統(tǒng)模型

2.1 傳遞函數(shù)

電液比例方向閥調(diào)高系統(tǒng)，通過(guò)控制系統(tǒng)中液體的方向和流量，實(shí)現(xiàn)液壓缸活塞桿伸縮運(yùn)動(dòng)?；钊麠U帶動(dòng)大、小搖臂實(shí)現(xiàn)滾筒調(diào)高。考慮系統(tǒng)主要受到慣性負(fù)載及外負(fù)載作用，建立調(diào)高液壓缸傳遞函數(shù)［3－5］:

式中:kq——電液比例方向閥流量增益，m2/s;

XV——電液比例方向閥閥芯位移，m;

kce——總流量—壓力系數(shù)，kce=Cip+kc;

kc——流量—壓力系數(shù);

Cip——液壓缸內(nèi)泄系數(shù)，m5/(N·s);

Am=()/2;

A1、A2——調(diào)高液壓缸無(wú)桿腔、有桿腔的有效作用面積，m2;

m——折算到液壓缸活塞上的總質(zhì)量，kg;

BP——活塞及負(fù)載的黏性阻尼系數(shù)，N·s· m－1;

βe——有效體積彈性模量，Pa;

K——負(fù)載彈簧剛度，N/m;

FL——作用在活塞上的任意負(fù)載力，N;

XP——液壓缸活塞位移，m;

A0——平均活塞面積，A0=(A1+A2)/2，m2;

L——液壓缸總行程，m;

s——復(fù)變數(shù)。

電液比例方向閥既是電液轉(zhuǎn)換元件，又是功率放大元件。它將小功率的電信號(hào)輸入轉(zhuǎn)換為大功率的液壓能輸出，在電液比例控制系統(tǒng)中，連接電氣與液壓兩部分實(shí)現(xiàn)電液信號(hào)的轉(zhuǎn)換與放大。電液比例方向閥的傳遞函數(shù):

式中:f——電液比例方向閥的固有頻率，Hz;

δv——電液比例方向閥的阻尼比，常取0.5～0.7;

ka——放大器增益，A/V;

kv——電液比例方向閥的增益，m2/s;

U——電液比例方向閥的輸入電壓，V。

根據(jù)液壓缸及電液比例方向閥的傳遞函數(shù)，構(gòu)建電液比例方向閥電液比例位置控制系統(tǒng)方框圖，如圖2所示，其中Ug為給定的輸入電壓，Uf為反饋電壓，E為給定電壓與反饋電壓的差值，通過(guò)模糊PID控制器、傳遞函數(shù)(1)、(2)及反饋增益的作用來(lái)控制液壓缸活塞的行程。

圖2 電液比例位置控制系統(tǒng)Fig.2 Electro-hydraulic proportional position control system

分析液壓缸活塞對(duì)閥輸入位移和負(fù)載力擾動(dòng)的響應(yīng)特征，可見(jiàn)一般位置系統(tǒng)無(wú)彈性負(fù)載，即K=0;因粘性阻尼系數(shù)BP很小，故Bpkce/A0＜＜A0;當(dāng)采煤機(jī)無(wú)負(fù)載作用時(shí)，根據(jù)圖2，整理得到采煤機(jī)沒(méi)有截割到煤層或巖石時(shí)系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)G(s)可近似為

式中:km——反饋增益。

以某型號(hào)電液比例方向閥及某機(jī)型采煤機(jī)為實(shí)例，代入各參數(shù)數(shù)值，得到系統(tǒng)閉環(huán)傳遞函數(shù)為

2.2 數(shù)值模擬

Automation Studio軟件中包括液壓和比例液壓設(shè)計(jì)庫(kù)、氣動(dòng)庫(kù)、數(shù)碼電子、電氣控制庫(kù)等以一系列元件設(shè)計(jì)庫(kù)。采用庫(kù)里的物理元件，能夠仿真模擬各種技術(shù)回路，包括電路控制、氣動(dòng)、可編程邏輯控制器(PLC)、液壓、順序功能圖(SFC/Grafcet)以及其它多項(xiàng)技術(shù)。測(cè)試、模擬、分析技術(shù)回路，可進(jìn)一步完善、修改液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。對(duì)于已有的實(shí)際控制系統(tǒng)，可以根據(jù)工況配置相應(yīng)的參數(shù)如負(fù)載、泄漏、熱現(xiàn)象、流體粘度和流動(dòng)特性等。這可以方便地對(duì)已設(shè)計(jì)的元件與系統(tǒng)進(jìn)行分析和優(yōu)化。筆者以Automation Studio為仿真計(jì)算平臺(tái)，利用液壓和比例液壓元件庫(kù)各個(gè)模塊，分別對(duì)采煤機(jī)電液比例方向閥與電磁換向閥液壓調(diào)高系統(tǒng)進(jìn)行建模仿真。

2.2.1 模型參數(shù)

某型號(hào)采煤機(jī)技術(shù)參數(shù):定量調(diào)高泵額定流量1.0875 m3/h;液壓缸外徑180 mm，內(nèi)徑為120 mm，行程為460 mm;液壓鎖中安全閥的調(diào)定壓力27 MPa;溢流閥的調(diào)定壓力23 MPa;Control模塊中的比例系數(shù)、微分系數(shù)、積分系數(shù)是通過(guò)Matlab-Simulink整定得到的。

2.2.2 仿真模型

圖3 電磁換向閥調(diào)高系統(tǒng)Fig.3 Solenoid directional control valve height adjusting system

電磁換向閥調(diào)高系統(tǒng)，根據(jù)式(1)以及所設(shè)計(jì)的模糊控制器，利用 Matlab-Simulink軟件整定得到PID參數(shù)值，如圖3a所示。同理，電液比例方向閥調(diào)高系統(tǒng)，由式(3)、(4)以及所設(shè)計(jì)模糊自適應(yīng)控制器，整定得到PID參數(shù)值［6－7］，如圖4a所示。在Automation Studio環(huán)境下，從自帶元件庫(kù)中選取雙作用液壓缸、定量泵、電液比例方向閥、電磁換向閥等動(dòng)力元件、執(zhí)行元件、控制元件以及測(cè)量元件。由于控制元件中控制器模塊串口與Matlab中模塊串口不能直接連接，只能通過(guò)Matlab選取整定參數(shù)，然后再輸入到Automation Studio中控制器模塊。根據(jù)設(shè)定各元件模型參數(shù)，分別建立電磁換向閥與電液比例方向閥控制采煤機(jī)調(diào)高系統(tǒng)仿真模型，如圖3b與圖4b所示。

圖4 電液比例方向閥調(diào)高系統(tǒng)Fig.4 Electro-hydraulic proportional directional valve height adjusting system

3 仿真結(jié)果

在電磁換向閥與電液比例方向閥液壓調(diào)高系統(tǒng)模型中，分別向電磁換向閥與電液比例方向閥輸入一個(gè)階躍信號(hào)，得到液壓缸進(jìn)口壓力、流量及加速度曲線。圖5a和5b分別為電液比例方向閥與電磁換向閥調(diào)高系統(tǒng)的液壓缸入口壓力、流量及加速度曲線。

圖5 液壓缸入口壓力、流量及加速度曲線Fig.5 Curves of inlet pressure，flow and acceleration of cylinder

圖5曲線表明:采用電磁換向閥采煤機(jī)調(diào)高系統(tǒng)，液壓缸腔內(nèi)壓力的超調(diào)量為4.8%，導(dǎo)致液壓缸腔內(nèi)初始瞬間產(chǎn)生很大的壓力沖擊，振蕩較大;電液比例方向閥調(diào)高系統(tǒng)液壓缸腔內(nèi)壓力超調(diào)量為2.4%，其壓力是平滑上升的，振蕩較小，最終趨于穩(wěn)定。在電磁換向閥調(diào)高系統(tǒng)，初始階段液壓缸腔內(nèi)油壓低，電磁換向閥收到信號(hào)時(shí)立即啟動(dòng)，閥口全部打開(kāi)大量液壓油瞬間進(jìn)入液壓缸，導(dǎo)致腔內(nèi)油壓突然升高并對(duì)液壓缸產(chǎn)生巨大沖擊。而電液比例方向閥的閥口是逐漸打開(kāi)的，液壓油逐漸進(jìn)入液壓缸，腔內(nèi)壓力逐漸增大，所以沖擊力較小。流量曲線表明:采用電磁換向閥采煤機(jī)調(diào)高系統(tǒng)，其流量的超調(diào)量為66.7%，振蕩較大，增加螺旋滾筒截入巖石的可能性，降低滾筒的可靠性。而電液比例方向閥，其流量的超調(diào)量為16.7%，振蕩較小，提高了滾筒工作的可靠性。電磁換向閥接收信號(hào)后立即啟動(dòng)，液壓油進(jìn)入液壓缸推動(dòng)活塞桿瞬間，液壓油推活塞桿受壓，液壓油本身具有彈性，導(dǎo)致反作用于液壓油，使得流量出現(xiàn)多次沖擊。電液比例方向閥具有節(jié)流作用，流量的波動(dòng)較小。加速度曲線表明:電磁換向閥采煤機(jī)調(diào)高系統(tǒng)，加速度振蕩幅度較大，而電液比例方向閥的控制系統(tǒng)的振蕩幅度較小。

結(jié)果表明，電磁換向閥控制液壓缸仿真曲線波動(dòng)大，振蕩次數(shù)多，給調(diào)高系統(tǒng)帶來(lái)巨大的沖擊，引起截割部振動(dòng)，增加滾筒截巖的可能性，影響調(diào)高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，降低滾筒的使用壽命。因此，采用電液比例方向閥的采煤機(jī)液壓調(diào)高系統(tǒng)，能夠提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性及準(zhǔn)確性。

4 結(jié)束語(yǔ)

采用Matlab/Automation Studio兩個(gè)軟件分析采煤機(jī)液壓調(diào)高系統(tǒng)中電液比例方向閥與電磁換向閥啟動(dòng)時(shí)，控制系統(tǒng)中液壓缸流量、壓力及加速度變化情況。該軟件能較好地反映液壓系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能，為實(shí)際的調(diào)高系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供了新的方法。仿真結(jié)果表明，電液比例方向閥比電磁換向閥的控制性能更穩(wěn)定，提高采煤機(jī)工作的可靠性。

［1］劉春生，荊 凱，萬(wàn) 豐.采煤機(jī)滾筒記憶程控液壓調(diào)高系統(tǒng)的仿真［J］.中國(guó)工程機(jī)械學(xué)報(bào)，2007，5(2):142－143.

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Numerical simulation hydraulic pressure height adjustment proportion control system of shearer’s drum

LIU Chunsheng， CHEN Jinguo， ZHANG Yanjun
(College of Mechanical Engineering，Heilongjiang Institute of Science＆Technology，Harbin 150027，China)

Aimed at realizing the gliding property of cutting memory drum height adjusting curves and the reducing the shaking of height adjusting system，this paper discusses the development of the transfer functions and controller models of electro-hydraulic proportional directional valve and solenoid directional control valve height adjusting system and the analysis of the characteristics of its system working pressure、flow and acceleration using method of co-simulation of Matlab/Simulink and Automation Studio.The simulation results show that height-adjusting system controlled by electro-hydraulic proportional directional valve yields smaller curves shaking of pressure，flow，and acceleration than that controlled by solenoid directional control valve，obviously reducing the height adjusting start impact of drum cutting and improving shearer working reliability，which serves for the design of height adjusting control system of shear drum.

shearer;drum;height adjusting system;electro-hydraulic proportional control;Automation Studio simulation

TD421.61

A

1671－0118(2011)05－0395－05

2011－07－16

教育部科學(xué)技術(shù)研究重點(diǎn)資助項(xiàng)目(206045);國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51074068);黑龍江省研究生創(chuàng)新科研資金項(xiàng)目(YJSX2011－166HLJ)

劉春生(1961－)，男，山東省牟平人，教授，研究方向:機(jī)械設(shè)計(jì)和液壓傳動(dòng)與控制，E-mail:liu－chunsheng@163.com。

(編輯晁曉筠)