趙 宏

（同煤集團挖金灣煤業(yè)公司， 山西 大同 037001）

引言

掘進作業(yè)面的工作環(huán)境存在較大的粉塵，其不具備較好的通風條件，油箱的體積會受到巷道空間的制約，極易導致液壓系統(tǒng)出現(xiàn)油溫升高的問題。通常，掘進機大多利用循環(huán)作業(yè)的方式來進行支護，此時液壓系統(tǒng)所聚集的熱量也會逐漸散發(fā)，使得掘進機油溫不會上升得過高。但是若掘進機在某個條件下進行持續(xù)運作的時候，其液壓系統(tǒng)將會出現(xiàn)油溫上升的問題。掘進機正常運行時的油溫處于35～65℃之間，其油溫的最高值為70℃，如果循環(huán)油的溫度較高，則掘進機的運行效率將會持續(xù)降低，因此，處于適宜的溫度之下，維持液壓系統(tǒng)的熱平衡，對掘進機的正常運行起到較好的作用。

1 掘進機供水系統(tǒng)簡介

掘進機的供水系統(tǒng)主要應用在泵站及截割電機、液壓系統(tǒng)的冷卻工作中，同時可以對掘進作業(yè)面進行除塵，提高可見度，改善環(huán)境，確保人員的安全。掘進機供水系統(tǒng)的原理見圖1，水經(jīng)過反沖洗過濾器之后可以被分為兩路：通過球閥而進入到內(nèi)噴霧，對截齒進行冷卻，對掘進作業(yè)面進行除塵；壓力降低到1.5 MPa之后，再分為兩路，其中一路相繼經(jīng)過蛇形冷卻器、板翹式冷卻器、泵站電機、截割電機，之后再從冷卻噴霧噴出，另一路在壓力增加之后，再經(jīng)過高壓外噴霧噴出對掘進工作面進行除塵[1-3]。

根據(jù)圖1可知，本供水系統(tǒng)只可以將冷卻水壓力進行展示，各個支路的流量及壓力都是未知的。當供水量不足或者過多的時候，不存在預警或者自主調(diào)節(jié)的功能，只能在液壓系統(tǒng)產(chǎn)生了問題之后才可對供水系統(tǒng)進行判斷。因此，需要設計出一套合理的供水量智能控制系統(tǒng)來處理供水不足或者過多的問題。

圖1 掘進機供水系統(tǒng)原理

2 掘進機供水流量流量智能控制系統(tǒng)原理分析

其原理詳見下頁圖2。在以往的供水系統(tǒng)之中分別加設3個比例電磁水閥、流量傳感器和壓力傳感器。其中傳感器可以對流量及壓力的信號進行及時反饋，比例電磁水閥的作用在于對閥口進行調(diào)節(jié)，以實現(xiàn)供水量的控制，其中比例電磁水閥Ⅰ主要對供水總量進行控制，比例電磁水閥Ⅱ主要是對內(nèi)噴霧的流量進行控制，比例電磁水閥Ⅲ則是對外噴霧流量進行控制。比例電磁水閥的運行是經(jīng)過多個流量及壓力傳感器所進行控制的，利用邏輯控制器來對信號進行控制，并發(fā)出相應的信號。電磁水閥存在信號反饋，不僅可以實現(xiàn)信號的輸出，也可以實現(xiàn)信號的反饋；流量及壓力傳感器可以發(fā)出相應的信號反饋；而系統(tǒng)溫度及噴霧系統(tǒng)所產(chǎn)生的變化則可以屬于控制系統(tǒng)的外部干擾信號；邏輯控制器的目的在于執(zhí)行信號處理分析。整個系統(tǒng)形成一個完整的閉環(huán)，促使目標的控制可以穩(wěn)、準、快。

3 掘進機供水流量智能控制系統(tǒng)邏輯控制設計分析

流量智能控制系統(tǒng)邏輯控制詳見圖3。壓力傳感器Ⅰ和Ⅲ、流量傳感器Ⅲ在經(jīng)過邏輯比較分析之后來對比例電磁水閥Ⅲ進行有效的控制，對內(nèi)噴霧的流量進行適當調(diào)節(jié)。而比例電磁水閥Ⅰ所具有的開口則需要對壓力及流量傳感器的信號進行對比分析，之后對其進行適當調(diào)節(jié)。邏輯控制器主要設定了三個擋位的流量，分別為最低流量、標準流量、最高流量。當供水量的總值超出了最高流量的時候，邏輯控制器可以對比例電磁水閥Ⅰ來進行直接控制，以適當降低流量；當供水量低于最低流量的時候，泵站電機與截割電機都無法開啟，發(fā)揮較好的保護作用。當供水量處于最高與最低流量之間的時候，邏輯控制器依據(jù)壓力、流量等參數(shù)來進行綜合判斷，給出相關(guān)的信號來對水閥的開關(guān)進行控制。標準流量利用理論計算及實驗相結(jié)合來取得，最高及最低流量依據(jù)現(xiàn)場的實際經(jīng)驗來進行設置，將標準流量設定為110%。

圖2 流量智能控制系統(tǒng)原理

圖3 流量智能控制系統(tǒng)邏輯框架

4 掘進機流量智能控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)設計分析

該系統(tǒng)是以數(shù)據(jù)庫為核心而取得成功的，而數(shù)據(jù)庫是實驗與理論相結(jié)合的產(chǎn)物，因此，理論計算應當與實驗同步開展。掘進機主要包含了三個方面的供水量，分別為內(nèi)噴霧、高壓外噴霧和冷卻外噴霧。其中內(nèi)噴霧和高壓外噴霧滿足噴霧流量計算公式：

式中：q為相應的噴霧水流量；n為相應的噴嘴數(shù)量；k為相應的流量系數(shù)；p為相應的噴霧壓力。

噴嘴的直徑越大，其降塵的效率也會越高；噴嘴的直徑越小，其會因為環(huán)境因素的影響而出現(xiàn)堵塞。但是如果直徑較大，則消耗水量也會越大。

高水壓所取得的水霧相對較細，同時還可以確保水霧顆粒擁有較大的含水量和較高的運動速度，對噴霧降塵有著較好的促進作用。但是高水壓也會產(chǎn)生較大的能耗，系統(tǒng)部件由于受力的增加而產(chǎn)生故障等問題，因此，供水壓力應當依據(jù)現(xiàn)場的實際狀況來進行設定。

基于噴霧理論可知，理想的噴霧范圍是經(jīng)過噴霧夾角與到噴嘴口之間的距離而計算出來的。噴嘴的排列形式將會對噴霧的分布效果造成一定的影響。霧化的角度相對較小，霧流將會對整個截割頭產(chǎn)生完全覆蓋，那就會導致噴嘴的數(shù)量持續(xù)增加，對降塵系統(tǒng)的穩(wěn)定性產(chǎn)生較大的影響。

基于上述理論對噴嘴加以明確之后，流量系數(shù)k保持一定；而壓力P則需要依據(jù)礦井中的要求來進行設定，內(nèi)、外噴霧的壓力分別為2 MPa和4 MPa；掘進機的內(nèi)噴霧與高壓外噴霧不具有相同的設置，而對供水量產(chǎn)生影響的核心因素為噴嘴的數(shù)量，因此，噴嘴的數(shù)量與供水流量呈現(xiàn)正比關(guān)系。

掘進機的發(fā)熱功率主要由截割電機、泵站電機、液壓系統(tǒng)的功率及效率所決定。液壓系統(tǒng)所具有的發(fā)熱功率可以依據(jù)經(jīng)驗值來進行計算，電機維持在最佳溫度時，其所需的冷卻流量最小為：

式中：Pw為相應的電機發(fā)熱功率；ρ為相應的冷卻液的質(zhì)量密度；Cm為相應的冷卻液的比熱容；△T為相應的冷卻液通過電動機后的溫升。

當掘進機處于持續(xù)運行的狀態(tài)下，為了使液壓系統(tǒng)保持良好的熱平衡狀態(tài)，除了油箱會散發(fā)一些系統(tǒng)熱量之外，余下的熱量都是經(jīng)過水冷卻器來進行發(fā)散的。

在對液壓系統(tǒng)的發(fā)熱功率進行計算之后，通過與理論的發(fā)熱功率進行對比分析，依據(jù)冷卻功率來選擇最佳的冷卻器種類，并確定數(shù)量。

對冷卻器在實際運用過程中會出現(xiàn)散熱片受污染的問題加以考慮，導致其散熱的有效面積降低，因此在選擇冷卻器的時候，其散熱面積的實際值將會增加20%～30%。針對冷卻器開展相應的熱平衡試驗，其應滿足公式（3）：

式中：T為相應的平衡油溫；t為相應的水溫；b為相應的冷卻器散熱板厚度；λ為相應的熱交換面導熱系數(shù)；A為相應的冷卻器熱交換面積。

收集實驗數(shù)據(jù)，并將其輸入到計算機軟件中來進行計算，得出各個單元所需要的流量表，如下頁表1，并得到了相應的冷卻流量圖（略）。序號①所表示的為冷卻流量，其壓力維持在1.49 MPa以下；序號②所表示的為內(nèi)噴霧流量，其壓力應當大于1.99 MPa；序號③表示的四高壓外噴霧流量，其壓力應處于3.99 MPa之上，由此可以得出，系統(tǒng)的標準流量為68.16 L/min。

表1 壓力與流量具體關(guān)系情況表

上述這些都以數(shù)據(jù)庫的建立為基礎，隨著實驗設備類型的不斷增加，數(shù)據(jù)庫會日益完善。面對著繁瑣的數(shù)據(jù)庫構(gòu)成，一套穩(wěn)定的控制理論是確保整個智能化控制系統(tǒng)得以正常運行的關(guān)鍵所在，這樣才可以真正展現(xiàn)出智能控制的價值。

5 掘進機供水流量智能控制系統(tǒng)故障診斷系統(tǒng)設計分析

系統(tǒng)創(chuàng)建的初期，通過簡單的邏輯控制器來開展分析與判斷，傳感器與執(zhí)行部件相對較少，但是隨著工況、機型等因素的持續(xù)增加，簡單的邏輯判斷已經(jīng)無法滿足該系統(tǒng)的正常運行。圖4所表示的為理想的流量智能控制系統(tǒng)。數(shù)據(jù)庫已基本成熟，系統(tǒng)引入了一些了較為復雜的控制理論，如模糊控制理論等，傳感器及執(zhí)行部件的類型及數(shù)量也會越來越多。

專家診斷系統(tǒng)所具有的準確性是以案例為基礎所創(chuàng)建的，只有擁有豐富的案例，該系統(tǒng)才能具備更高的準確性。例如，現(xiàn)階段掘進設備內(nèi)安裝的噴霧系統(tǒng)不具有較長的壽命，在礦井下無法長時間使用，超出80%的掘進設備基本都會在一周之內(nèi)失效，其關(guān)鍵原因在于噴嘴極易受到堵塞，旋轉(zhuǎn)的密封性較差。專家診斷系統(tǒng)必須利用數(shù)據(jù)庫來與實時數(shù)據(jù)進行對比，找出故障原因，并發(fā)出精確的指令。

圖4 理想流量智能控制系統(tǒng)邏輯框架

6 結(jié)論

對掘進機供水體系進行智能化設計，利用熱平衡公式及流體公式來進行計算，并與冷卻噴霧水的試驗相結(jié)合，對供水流量智能化調(diào)節(jié)所具有的可行性進行分析。此外，本文提出針對后期供水系統(tǒng)創(chuàng)建起完善的數(shù)據(jù)庫，并對復雜控制理論的系統(tǒng)模型進行展望，這不僅對日后掘進機供水體系的設計具有較好的參考意義，而且對煤礦之中的其他供水系統(tǒng)有著較好的參考意義。