閆文慧

（山西西山晉興能源有限責任公司斜溝煤礦， 山西 呂梁 033602）

引言

隨著科技的不斷發(fā)展，世界各國對于能源的消耗也不斷增加，而煤炭作為戰(zhàn)略性儲備資源，在世界上廣受關注。我國是煤炭資源儲量大國，對于煤炭開采頗為重視。采煤機是煤炭開采的核心設備之一，對于煤炭開采業(yè)的發(fā)展、企業(yè)的轉型升級起著關鍵性作用[1-5]。本文對傳統(tǒng)采煤機自動調高液壓系統(tǒng)進行問題分析，針對具體問題給出相應的解決方案，并對其進行結構原理分析和控制優(yōu)化，以達到提高使用效率、優(yōu)化控制性能、節(jié)省資源的目的，推動綜采自動化發(fā)展，帶動企業(yè)發(fā)展。

1 采煤機自動調高液壓系統(tǒng)結構原理

采煤機自動調高液壓系統(tǒng)由四部分組成，包括機械系統(tǒng)、檢測系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)和液壓控制系統(tǒng)。液壓控制系統(tǒng)主要由電動機、泵、閥門組成，電氣系統(tǒng)由D/A、A/D、PID 控制器和功率放大器組成，機械系統(tǒng)由擺臂、油缸、滾筒等組成，如圖1 所示。

圖1 采煤機自動調高液壓系統(tǒng)結構

當采煤機進入工作狀態(tài)后，由控制器接收外部發(fā)出的調整指令，由D/A 放大所接收的數(shù)字調整指令傳輸至電液比例閥上的電磁鐵，控制閥芯根據指令進行位移。此時，高壓乳液由液壓泵注入閥芯，閥芯通過移動形成液壓管路，并使乳液進入液壓缸腔體內，從而控制油缸桿伸縮，調整系統(tǒng)內滾筒的高度。電氣系統(tǒng)會接收到由線性傳感器所發(fā)出的位移信號，經過A/D 轉換處理之后發(fā)送至控制器系統(tǒng)，控制器會對比接收位移信號與輸入位移信號，判斷是否運行到位，計算出相應的位移差，再將信號發(fā)至PID 進行處理分析，傳輸信號至控制系統(tǒng)，微調閥芯和滾動位置。通過上述運行過程，可保證采煤機自動調高液壓系統(tǒng)較高的穩(wěn)定性和精確性。

2 采煤機自動調高液壓系統(tǒng)控制優(yōu)化

本文擬通過電液比例控制閥技術對傳統(tǒng)電磁閥控制的自動調高液壓系統(tǒng)進行技術改進，運用AMEsim 仿真技術軟件進行系統(tǒng)建模，結合調高液壓系統(tǒng)的相關理論，對采煤機自動調高液壓系統(tǒng)進行相關選型和建模，分析調高系統(tǒng)的動態(tài)參數(shù)，體現(xiàn)優(yōu)化后的優(yōu)勢。

2.1 電液比例控制原理

電液比例閥可在閉環(huán)系統(tǒng)中用于數(shù)字信號轉換和組件的放大，也可用于開環(huán)系統(tǒng)實施液壓控制參數(shù)的監(jiān)測。電液比例閥控制原理如圖2 所示。

圖2 電液比例閥控制原理

電液比例閥控制系統(tǒng)由比例放大器、指令元件、電液比例閥、控制算法、液壓執(zhí)行元件、反饋元件六部分組成。其中，比例放大器主要是進行整理、加工和放大控制信號，電磁鐵的位移偏差信號較弱，無法通過自身發(fā)出的信號進行電磁鐵調整，故需要放大器進行信號放大，推動調整，滿足要求。指令元件是指信號產生進行信息輸入的系統(tǒng)元件，也稱作輸入電路，可設置為手動模式和自動模式。電液比例閥中轉換器和液壓放大器為其核心部件，轉換器主要是進行電-機械信號轉換，轉換后的電信號經過放大，根據實際需求轉換成相應比例的力矩與位移，液壓放大器是將輸出的力矩與位移用液壓的原理放大，從而驅動負載，以達到放大系統(tǒng)功率的功能?？刂扑惴ㄊ菍㈦娦盘柾ㄟ^控制算法轉換為偏差信號輸入至控制器。液壓執(zhí)行元件是指馬達或者液壓缸，主要用于驅動負載，屬于輸出裝置。反饋元件常用于閉環(huán)系統(tǒng)，通過被控制元件或者對中間變量信號檢測而得出具體信號，本設計主要使用位移傳感器。反饋元件分為內環(huán)和外環(huán)兩個部分，內環(huán)主要進行閥門的特性改善，分析閥門的動靜態(tài)特性，外環(huán)主要檢測輸出量，對系統(tǒng)的精度和性能進行優(yōu)化。

2.2 調高液壓系統(tǒng)元件選型

2.2.1 安全閥

煤礦綜采工作面環(huán)境復雜，在設備運行中采煤機會受到很大影響，例如在割煤過程中，煤炭中存在硬巖石等物質，系統(tǒng)負荷會瞬間提升，對液壓系統(tǒng)造成極大的沖擊，以致破壞液壓系統(tǒng)元件，影響企業(yè)生產。因此，本文選用可承載較大壓力和流量的力士樂DBA 安全閥。

2.2.2 電液比例閥

為了在不改變原有功能的基礎上又可實現(xiàn)比例控制，本文選用電液比例換向閥，力士樂防爆電液比例換向閥性能穩(wěn)定、可靠性高。其具體參數(shù)見表1。

表1 力士樂防爆電液比例換向閥參數(shù)

2.3 采煤機電液比例控制調高液壓系統(tǒng)建模仿真

經優(yōu)化后系統(tǒng)的控制過程為：首先位移傳感器對負載位置進行檢測，并生成相應的電壓信號，通過比較生成信號與輸入信號，通過控制算法得出相應的位移差，并經過轉換器形成放大后的控制電壓，控制電壓通過電液比例閥調節(jié)節(jié)流口的開度大小，從而控制活塞桿的移動，以此達到精準控制負載位移的目的。

其中，電液比例換向閥的閥芯運動計算公式如下：

式中：i0為流量最低值，A；Ke為電流—力增益，N/A；Ks為彈簧剛度，N/m；Yv0為閥口開啟量，m；Xs0為彈簧預壓縮量，m。

按照相關原理和理論，對采煤機電液比例控制調高液壓系統(tǒng)進行仿真模型建立，其中液壓泵元件、液壓缸元件、液壓鎖元件、安全閥元件、油箱元件均使用液壓庫元件，但需保證采煤機電液比例控制調高液壓系統(tǒng)的正常運行?？刂葡到y(tǒng)使用UD03 模塊，自主輸入相關參數(shù)，使采煤機電液比例控制調高液壓系統(tǒng)模擬仿真更加真實高效。建立的仿真模型如圖3 所示。

圖3 采煤機電液比例控制調高液壓系統(tǒng)仿真模型

活塞桿響應速度仿真結果如圖4 所示。

由圖4 可知，當仿真時間為0.5 s、步長為0.01 s時，在規(guī)定時間內，比例環(huán)節(jié)呈線性增加到0.05 m/s。在接近0.2 s 時，速度達到穩(wěn)定狀態(tài)。在電液比例換向閥的控制之下，采煤機自動調高液壓系統(tǒng)運行穩(wěn)定。

圖4 活塞桿響應速度

通過對比電磁閥控制系統(tǒng)和電液比例閥控制系統(tǒng)速度與位移后發(fā)現(xiàn)，電液比例閥系統(tǒng)能夠在更短的時間內達到要求位置，可以更快地對滾筒運動實現(xiàn)穩(wěn)定控制。同時，電液比例閥較普通電磁閥運行更加穩(wěn)定，無較大波動現(xiàn)象，且在活塞到達穩(wěn)定狀態(tài)后，電液比例閥所控制的活塞桿速度較普通閥高10%，使調高過程更快更穩(wěn)。

3 結論

本文通過對采煤機自動調高液壓系統(tǒng)的原理進行分析，采用了液壓比例閥代替普通電磁閥的優(yōu)化方案。通過AMEsim 建模仿真以及相關原理選型分析得出以下結論：

1）電液比例閥控制系統(tǒng)擁有更好的穩(wěn)定性，控制性能更優(yōu)。

2）電液比例閥控制系統(tǒng)加快了活塞桿的運行速度，提高了設備運行效率。

3）驗證了改進后調高液壓系統(tǒng)的可行性，與實際應用情況相符。