馮 星

（西山煤電屯蘭礦，山西 古交 030206）

引言

采煤機(jī)為綜采工作面的關(guān)鍵設(shè)備，決定煤礦的生產(chǎn)能力。采煤機(jī)在實(shí)際生產(chǎn)中包括牽引的控制和滾筒升降的控制。其中，采煤機(jī)的牽引指的是按照刮板輸送機(jī)的導(dǎo)軌前進(jìn)后退，牽引速度根據(jù)實(shí)際工況變頻控制；滾筒升降控制根據(jù)工作面煤層、巖層情況對(duì)滾筒的高度進(jìn)行控制。對(duì)于滾筒升降的控制常由作業(yè)人員通過(guò)目視觀(guān)察工作面頂板巖層、煤層的變化對(duì)搖臂的擺動(dòng)情況進(jìn)行控制。工作面粉塵、煤塵濃度較大導(dǎo)致其能見(jiàn)度低，而且作業(yè)人員控制的滯后性導(dǎo)致采煤機(jī)截割巖石，不僅影響原煤的質(zhì)量，而且還會(huì)降低采煤機(jī)滾筒截齒的壽命，增強(qiáng)作業(yè)人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。因此，有必要實(shí)現(xiàn)對(duì)采煤機(jī)滾筒的智能調(diào)高控制，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)煤層的記憶控制。

1 采煤機(jī)調(diào)高系統(tǒng)概述

采煤機(jī)調(diào)高系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示，采煤機(jī)調(diào)高系統(tǒng)主要由調(diào)高泵箱、調(diào)高電機(jī)、連接架、搖臂、支撐腿以及調(diào)高油缸等組成。調(diào)高油缸為采煤機(jī)調(diào)高系統(tǒng)的關(guān)鍵，為確保其具有足夠的推力和調(diào)高范圍，將其置于采煤機(jī)下方，即下置調(diào)高油缸。滾筒截割高度通過(guò)調(diào)高油缸的伸縮實(shí)現(xiàn)對(duì)連接架和搖臂的升降控制；調(diào)高泵箱中安裝有與滾筒調(diào)高相關(guān)的各種液壓元器件和管路等[1]。

圖1 采煤機(jī)調(diào)高系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)示意圖

目前，針對(duì)采煤機(jī)滾筒升降控制可采用電液比例控制技術(shù)、電液伺服控制技術(shù)和數(shù)字化油缸控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)。其中，電液比例控制技術(shù)的核心為電液比例閥，通過(guò)對(duì)其流量和壓力控制實(shí)現(xiàn)對(duì)滾筒的升降控制，存在的不足是當(dāng)受外界負(fù)載干擾時(shí)系統(tǒng)無(wú)法進(jìn)行自動(dòng)補(bǔ)償調(diào)整控制，影響對(duì)滾筒升降的控制效果；電液伺服控制技術(shù)為將電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)集成為一體的控制技術(shù)，其核心為電液伺服控制系統(tǒng)，具有較高的響應(yīng)速度和控制精度，但是該控制技術(shù)的成本較高；數(shù)字化油缸控制技術(shù)為當(dāng)前高科技液壓傳動(dòng)與控制技術(shù)，該技術(shù)具有更強(qiáng)的抗干擾特性、控制精度、更快的響應(yīng)特性等優(yōu)勢(shì)。

綜上所述，本文基于數(shù)字化油缸技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)采煤機(jī)滾筒升降的控制，對(duì)應(yīng)的控制原理如圖2所示。

圖2 數(shù)字化油缸控制技術(shù)原理圖

如圖1所示，伺服電機(jī)接收到由控制器發(fā)出的脈沖信號(hào)對(duì)控制伺服驅(qū)動(dòng)器發(fā)出電壓信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)閥芯位移的控制，從而對(duì)調(diào)高油缸的流量和壓力進(jìn)行控制，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)搖臂升降的控制。

2 采煤機(jī)智能調(diào)高的策略研究

實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)滾筒智能調(diào)高的基礎(chǔ)為系統(tǒng)能夠?qū)ぷ髅骓敯宓膸r層和煤層進(jìn)行智能識(shí)別。對(duì)于工作面頂板煤巖識(shí)別可通過(guò)紅外探測(cè)技術(shù)、雷達(dá)探測(cè)技術(shù)以及天然γ射線(xiàn)法實(shí)現(xiàn)，但是上述方法的煤巖識(shí)別效果均不佳。故，本文通過(guò)采煤機(jī)的記憶截割技術(shù)間接實(shí)現(xiàn)對(duì)煤巖的識(shí)別。具體操作為：采煤機(jī)第一刀截割時(shí)通過(guò)操作人員根據(jù)煤層變化對(duì)滾筒截割高度進(jìn)行手動(dòng)控制，與此同時(shí)控制器將第一刀的截割參數(shù)（牽引速度和滾筒不同時(shí)刻的高度）記錄；當(dāng)進(jìn)行第二刀采煤時(shí)，主要通過(guò)控制器已存儲(chǔ)的參數(shù)對(duì)滾筒截割高度和牽引速度進(jìn)行控制，當(dāng)煤層發(fā)生較大變化時(shí)，可由人工干預(yù)對(duì)采煤機(jī)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，并將調(diào)整后的截割參數(shù)作為下一刀的采煤依據(jù)[2]。

滾筒實(shí)時(shí)高度的確定：采煤機(jī)智能調(diào)高的另一重要依據(jù)為對(duì)采煤機(jī)實(shí)時(shí)位置及姿態(tài)進(jìn)行采集，包括有采煤機(jī)沿工作面上行割煤、沿工作面下行割煤、沿推進(jìn)方向俯采以及沿推進(jìn)方向仰采。通過(guò)對(duì)在采煤機(jī)機(jī)身安裝傾角傳感器和俯仰采傾角傳感器獲取采煤機(jī)的實(shí)時(shí)姿態(tài)信息，并結(jié)合此時(shí)搖臂和機(jī)身所成的角度計(jì)算得出采煤機(jī)滾筒的實(shí)時(shí)高度。

采煤機(jī)實(shí)時(shí)位置的確定：與此同時(shí)，對(duì)于采煤機(jī)的實(shí)時(shí)位置而言可通過(guò)在采煤機(jī)牽引部減速箱的低速軸安裝編碼器，通過(guò)獲取采煤機(jī)行走輪轉(zhuǎn)到的圈數(shù)換算出采煤機(jī)已行走的距離，結(jié)合工作面的走向長(zhǎng)度對(duì)采煤機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)定位。為了保證采煤機(jī)實(shí)時(shí)位置的獲取精度，當(dāng)采煤機(jī)行走至兩端時(shí)均需對(duì)編碼器的數(shù)據(jù)進(jìn)行校正。

3 采煤機(jī)智能調(diào)高系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及試驗(yàn)

3.1 采煤機(jī)智能調(diào)高系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

結(jié)合采煤機(jī)基于記憶截割對(duì)滾筒智能調(diào)高的控制策略，設(shè)計(jì)如圖3所示的智能調(diào)高系統(tǒng)控制框圖。

圖3 采煤機(jī)智能調(diào)高控制框圖

如圖3所示，實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)滾筒高度的智能控制的核心為控制器，控制器通過(guò)CAN總線(xiàn)獲取采煤機(jī)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行的各種模擬量、數(shù)字量參數(shù)以及機(jī)身傾角和機(jī)身實(shí)時(shí)位置等參數(shù)；對(duì)采集參數(shù)結(jié)合記憶截割控制策略綜合分析后通過(guò)CAN總線(xiàn)將控制指令通過(guò)變頻器實(shí)現(xiàn)對(duì)采煤機(jī)牽引速度的控制，通過(guò)接觸器實(shí)現(xiàn)對(duì)采煤機(jī)截割電機(jī)的控制，通過(guò)伺服驅(qū)動(dòng)器實(shí)現(xiàn)對(duì)伺服數(shù)字油缸的控制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)搖臂擺動(dòng)角的控制，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)滾筒截割高度的控制。智能調(diào)高控制系統(tǒng)涉及到的主要元器件的選型如表1所示。

表1 智能調(diào)高系統(tǒng)關(guān)鍵元器件選型

采煤機(jī)記憶截割的滾筒智能調(diào)高控制的程序如圖4所示。

圖4 采煤機(jī)記憶截割控制程序流程

3.2 采煤機(jī)滾筒智能調(diào)高的試驗(yàn)

本文所提出的采煤機(jī)滾筒的智能調(diào)高控制策略的關(guān)鍵在于當(dāng)工作面煤層條件發(fā)生變化時(shí)，需加入人工干預(yù)的因素對(duì)截割參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整，并將優(yōu)化調(diào)整后的截割參數(shù)應(yīng)用于下一刀的截割中[3]。為此，將本文設(shè)計(jì)的滾筒智能調(diào)高的控制策略應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)中，并對(duì)前五刀的采煤效果進(jìn)行驗(yàn)證，第一刀為人工控制，對(duì)比結(jié)果如表2所示，當(dāng)?shù)诙陡鶕?jù)第一刀記錄的截割參數(shù)進(jìn)行生產(chǎn)時(shí)對(duì)其中煤層條件變化時(shí)的截割參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整后，在第三刀、第四刀、第五刀的人工干預(yù)次數(shù)明顯降低，對(duì)應(yīng)的耗時(shí)也明顯減小。也就是說(shuō)，對(duì)采煤機(jī)智能滾筒調(diào)高的記憶截割控制策略進(jìn)行優(yōu)化后采煤機(jī)能夠更好地適應(yīng)煤層的變化，減少采煤機(jī)由于人工干預(yù)而停產(chǎn)的時(shí)間，極大地提升了采煤機(jī)的開(kāi)采效率。

表2 采煤機(jī)記憶截割的試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比

4 結(jié)語(yǔ)

采煤機(jī)為綜采工作面的關(guān)鍵生產(chǎn)設(shè)備，其直接決定工作面的生產(chǎn)能力。為了保證采煤機(jī)能夠根據(jù)煤層條件的變化對(duì)其滾筒高度進(jìn)行智能化控制，在記憶截割的基礎(chǔ)上引入，實(shí)時(shí)根據(jù)煤層條件的變化進(jìn)行人工干預(yù)，進(jìn)而對(duì)截割參數(shù)不斷進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，從而減少系統(tǒng)停產(chǎn)時(shí)間，提高采煤機(jī)的開(kāi)采效率。