孟少華

（大同煤礦集團(tuán)挖金灣虎龍溝煤業(yè)有限公司，山西 大同 037001）

引言

采煤機(jī)為綜采工作面的關(guān)鍵設(shè)備，與刮板輸送機(jī)、液壓支架統(tǒng)稱為工作面“三機(jī)”。目前，應(yīng)用于綜采工作面的采煤機(jī)是電氣、機(jī)械以及液壓的集合，在一定程度上采煤機(jī)的采煤效率及截割可靠性取決于采煤機(jī)機(jī)電液一體化控制技術(shù)的成熟程度[1]。本文著重對(duì)采煤機(jī)機(jī)電液一體化控制技術(shù)進(jìn)行研究，并對(duì)應(yīng)用效果進(jìn)行驗(yàn)證。

1 工程概況

該煤礦81505 工作面呈現(xiàn)南北走向的布置方向，該工作面煤層的埋藏深度處于地下70～120 m。受周圍地質(zhì)環(huán)境的影響，81505 工作面可供開采煤層的面積約為130 km2；煤層的平均厚度為3.12 m；81505 工作面的頂?shù)装迩闆r如表1 所示。

表1 81505 工作面頂?shù)装迩闆r分析

81505 工作面的走向長度為5 252 m，目前工作面已經(jīng)推進(jìn)了2 019 m，傾斜工作面的長度共有200 mm，傾斜角度為1°。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)可得：工作面可供開采煤層儲(chǔ)量共有432 萬t；工作面最大涌水量可達(dá)859 m3/h，正常涌水量為520 m3/h；工作面所采用的開采方式為走向長壁后退式采煤，頂板管理方法為全部垮落法。

2 采煤機(jī)的一體化控制技術(shù)

本文以7LS-LWS638 型采煤機(jī)為研究對(duì)象，其對(duì)應(yīng)的截割高度可達(dá)4 500 mm，生產(chǎn)能力可達(dá)4 000 t/h，牽引功率為110 kW，滾筒直徑為2 200 mm。采煤機(jī)共由9 部分組成，分別為電控箱、截割電機(jī)、泵電機(jī)、牽引電機(jī)、牽引齒輪箱、截割滾筒、牽引驅(qū)動(dòng)塊、搖臂以及破碎機(jī)。所謂采煤機(jī)一體化控制指的是根據(jù)采煤機(jī)電氣控制系統(tǒng)得出相應(yīng)的控制指令，通過對(duì)采煤機(jī)液壓系統(tǒng)的控制，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)采煤機(jī)機(jī)械部件的控制[2]。

其中，采煤機(jī)截割電機(jī)主要是對(duì)滾筒截割深度和速度的控制，泵電機(jī)通過對(duì)液壓閥的控制實(shí)現(xiàn)對(duì)調(diào)高油缸伸縮量的控制，進(jìn)而對(duì)滾筒截割高度進(jìn)行控制；牽引電機(jī)主要對(duì)采煤機(jī)的行走方向和行走速度進(jìn)行控制。采煤機(jī)一體化控制功能實(shí)現(xiàn)的主要目的是實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)滾筒的智能化控制，從而實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)的自動(dòng)截割[3]。

2.1 采煤機(jī)滾筒智能調(diào)高控制技術(shù)

采煤機(jī)滾筒智能調(diào)高控制的實(shí)現(xiàn)是根據(jù)對(duì)采煤機(jī)實(shí)時(shí)工況及工作面情況對(duì)其滾筒高度進(jìn)行實(shí)時(shí)自適應(yīng)控制。其主要控制路徑為通過調(diào)高油缸的伸縮量控制搖臂的擺動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)滾筒高度的控制。

采煤機(jī)調(diào)高系統(tǒng)中調(diào)高油缸活塞桿的行程和速度主要通過控制電磁閥的開口大小和流量實(shí)現(xiàn)。傳統(tǒng)滾筒調(diào)高系統(tǒng)以電磁閥為核心，為提升滾筒提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，本文以電液比例閥為關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)[3]?；陔娨罕壤y的滾筒調(diào)高液壓系統(tǒng)原理框圖如下頁圖1 所示。

為提升滾筒調(diào)高系統(tǒng)對(duì)采煤機(jī)滾筒控制效率的穩(wěn)定性，提升控制系統(tǒng)的控制精度和抗干擾能力。本文基于遺傳算法與PID 控制器相結(jié)合的方式實(shí)現(xiàn)對(duì)采煤機(jī)滾筒的智能化控制。

基于遺傳算法與PID 相結(jié)合的滾筒調(diào)高控制系統(tǒng)的核心為基于遺傳算法對(duì)PID 控制器中比例、微分以及積分三個(gè)環(huán)節(jié)的參數(shù)進(jìn)行整定，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)調(diào)高油缸活塞桿的移動(dòng)方向、行程以及移動(dòng)速度的精確性控制[4]。

圖1 采煤機(jī)調(diào)高液壓系統(tǒng)原理框圖

為避免比例、積分以及微分三個(gè)系數(shù)整定過程中的計(jì)算量過大，對(duì)上述三個(gè)系數(shù)的取值范圍確定如下：比例環(huán)節(jié)系數(shù)取值范圍為0.2～0.5；積分環(huán)節(jié)系數(shù)取值范圍為0～0.1；微分環(huán)節(jié)系數(shù)取值范圍為0～0.3?；谶z傳算法最終對(duì)上述三個(gè)系數(shù)整定結(jié)果如下：比例環(huán)節(jié)系數(shù)Kp=0.308；積分環(huán)節(jié)系數(shù)Ki=0.057；微分環(huán)節(jié)系數(shù)Kd=0.210。

2.2 采煤機(jī)記憶截割功能的實(shí)現(xiàn)

在采煤機(jī)實(shí)現(xiàn)截割滾筒智能調(diào)高控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)上，還需對(duì)采煤機(jī)截割深度進(jìn)行自適應(yīng)控制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)的記憶截割功能。采煤機(jī)自動(dòng)截割工作過程如圖2 所示。

圖2 采煤機(jī)自動(dòng)截割過程

如圖2 所示，采煤機(jī)中央控制器通過對(duì)采煤機(jī)截割電機(jī)、變頻器、破碎機(jī)電機(jī)以及相關(guān)變壓器等運(yùn)行參數(shù)采集，以及角度傳感器、齒輪傳感器等獲取采煤機(jī)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)參數(shù)的基礎(chǔ)上得出對(duì)采煤機(jī)牽引電機(jī)、變頻器以及截割深度等參數(shù)的控制，實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)的自動(dòng)化生產(chǎn)。

3 采煤機(jī)一體化控制技術(shù)的應(yīng)用

為驗(yàn)證采煤機(jī)一體化控制技術(shù)的應(yīng)用效果，本文基于AMESim 仿真軟件建立采煤機(jī)滾筒調(diào)高液壓控制系統(tǒng)的模型，并設(shè)定仿真時(shí)長為5 s，仿真步長為0.01 s，對(duì)一體化控制技術(shù)下采煤機(jī)調(diào)高油缸活塞桿的運(yùn)動(dòng)特性與傳統(tǒng)控制技術(shù)下調(diào)高油缸活塞桿的運(yùn)行特性進(jìn)行對(duì)比，對(duì)比結(jié)果如圖3 所示：

圖3 采煤機(jī)一體化控制技術(shù)和傳統(tǒng)控制技術(shù)的效果對(duì)比

如圖3 所示，將傳統(tǒng)采煤機(jī)控制技術(shù)進(jìn)行一體化優(yōu)化后，活塞桿的速度無明顯的紊亂現(xiàn)象，且活塞桿速度的穩(wěn)定性明顯增加，提高了滾筒調(diào)高系統(tǒng)的抗干擾能力，減小了調(diào)高系統(tǒng)在控制過程對(duì)系統(tǒng)所造成的沖擊性[5]。

基于采煤機(jī)一體控制技術(shù)所實(shí)現(xiàn)的采煤機(jī)自動(dòng)截割技術(shù)保證采煤機(jī)在完成兩個(gè)循環(huán)的手動(dòng)截割操作后，根據(jù)兩個(gè)循環(huán)的學(xué)習(xí)記錄實(shí)現(xiàn)工作面的自動(dòng)截割。此外，采煤機(jī)一體化控制功能的實(shí)現(xiàn)是實(shí)現(xiàn)與綜采工作面刮板輸送機(jī)、液壓支架一體化控制的基礎(chǔ)，為提升綜采工作面的采煤效率奠定基礎(chǔ)。

4 結(jié)語

以某煤礦當(dāng)前所采用的7LS-LWS638 型采煤機(jī)為例，以實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)滾筒的智能調(diào)高和采煤機(jī)的記憶截割為基礎(chǔ)實(shí)現(xiàn)對(duì)采煤機(jī)的一體化控制，具體總結(jié)如下：

1）以遺傳算法和PID 控制器為核心，建立采煤機(jī)滾筒的智能化控制系統(tǒng)，通過對(duì)調(diào)高滾筒電機(jī)的液壓換向閥、液壓泵等液壓元器件的控制，從而對(duì)滾筒的調(diào)高進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)的一體化控制，且在一體化控制技術(shù)使得采煤機(jī)滾筒調(diào)高更加平滑、穩(wěn)定。

2）基于采煤機(jī)一體化控制技術(shù)采煤機(jī)可根據(jù)工作面煤層特征在完成兩個(gè)循環(huán)的手動(dòng)截割任務(wù)后，實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)的自動(dòng)截割功能。