劉彥杰

（山西煤炭進(jìn)出口集團(tuán) 洪洞陸成煤業(yè)有限公司，山西 臨汾 041600）

1 概 況

陸成煤業(yè)井田面積為11.09 km2，可開(kāi)采儲(chǔ)量為1 788.7 萬(wàn)t，正開(kāi)采的9+10 號(hào)煤層可開(kāi)采儲(chǔ)量為215.5 萬(wàn)t?，F(xiàn)場(chǎng)使用MG300 型采煤機(jī)，采用開(kāi)關(guān)閥控缸調(diào)高系統(tǒng)，主要依靠經(jīng)驗(yàn)豐富的工人進(jìn)行手動(dòng)操作。近幾年，陸成煤業(yè)因采煤機(jī)滾筒的位置調(diào)整不合適，在截割時(shí)引發(fā)火花造成1 次瓦斯爆炸；采煤機(jī)在啟動(dòng)初期受慣性作用會(huì)加速?zèng)_擊煤層，采煤機(jī)下滑或傾斜造成2 次重大煤礦事故。因此，提出引入一種新型調(diào)高系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)搖臂動(dòng)態(tài)調(diào)整與精準(zhǔn)控制。

2 原采煤機(jī)調(diào)高液壓系統(tǒng)

首先對(duì)陸成煤業(yè)正在使用的調(diào)高液壓系統(tǒng)進(jìn)行分析，減少不必要調(diào)整。開(kāi)關(guān)閥控缸調(diào)高系統(tǒng)原理如圖1 所示。實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)高度調(diào)節(jié)操作的核心部件為換向閥組，由部件4 電磁換向閥與部件5 手動(dòng)換向閥組成。

圖1 采煤機(jī)調(diào)高液壓系統(tǒng)原理Fig.1 Principle of shearer height adjustment hydraulic system

采煤機(jī)搖臂按軌跡調(diào)整時(shí)，可通過(guò)手動(dòng)直接操作部件5，也可使用遙控器驅(qū)動(dòng)部件4 兩種方式實(shí)現(xiàn)。當(dāng)部件5 手動(dòng)調(diào)整到閥門(mén)最左側(cè)，此時(shí)P/A 與B/O 口連接，部件2 調(diào)高泵內(nèi)的油液在壓力作用下通過(guò)部件5 與部件6，進(jìn)入部件10 調(diào)高油缸內(nèi)；同時(shí)部件7 單向閥打開(kāi)，有桿腔側(cè)油液回到油箱，搖臂向下調(diào)整。反之，當(dāng)部件5 手動(dòng)調(diào)整到閥門(mén)最右側(cè)時(shí)，在高壓油液作用下，采煤機(jī)搖臂向上調(diào)整。當(dāng)通過(guò)遙控器操作部件4 時(shí)，發(fā)出不同遙控指令，部件4 可實(shí)現(xiàn)對(duì)部件5 的向左或向右調(diào)整，完成搖臂向下或向上調(diào)節(jié)。采煤機(jī)搖臂位置保持時(shí)，手動(dòng)換向閥5 閥芯恢復(fù)到初態(tài)，此時(shí)部件2 調(diào)高泵高壓油液不再進(jìn)入部件10 中，雙向液壓保持不變，實(shí)現(xiàn)搖臂的位置保持。

這套調(diào)高液壓系統(tǒng)的手動(dòng)換向閥與電磁換向閥組合雖然可實(shí)現(xiàn)遙控控制，但對(duì)設(shè)備的運(yùn)行狀況仍舊通過(guò)經(jīng)驗(yàn)判斷，且結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，增加了維護(hù)成本與故障發(fā)生概率。該類型采煤機(jī)調(diào)高系統(tǒng)控制屬于開(kāi)環(huán)控制，跟蹤響應(yīng)速度與控制精度也比較差。而且需要說(shuō)明的是，陸成煤業(yè)實(shí)際使用的MG300型采煤機(jī)調(diào)高系統(tǒng)比圖1 所示要復(fù)雜，在實(shí)際應(yīng)用中經(jīng)常出現(xiàn)各種問(wèn)題，因此決定對(duì)采煤機(jī)調(diào)高系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，提出基于PID 閉環(huán)控制的電液比例調(diào)高系統(tǒng)，具有更強(qiáng)的控制能力，換向閥組結(jié)構(gòu)也得到簡(jiǎn)化，抗污染性能突出，后期運(yùn)維保養(yǎng)也具有一定優(yōu)勢(shì)。

3 電液比例調(diào)高液壓系統(tǒng)改造方案

閉環(huán)控制的改造方法是通過(guò)在搖臂活塞桿位置加裝位移傳感器，采用電液比例方向閥代替原有的液壓換向閥，提升控制精度，位移偏差可控制在0.02 mm 以內(nèi)。圖2 所示為電液比例方向閥控缸系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)原理。位移傳感器將采集到的位移信號(hào)經(jīng)模/數(shù)轉(zhuǎn)換，位移量與目標(biāo)量的差值作為誤差信號(hào)反饋到控制器的輸入端，再通過(guò)控制器對(duì)方向閥進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整，改變閥門(mén)口的油液流量，達(dá)到調(diào)整搖臂方向與速度控制的目的。

圖2 基于PID的閉環(huán)電液比例閥控缸系統(tǒng)Fig.2 Closed-loop electro-hydraulic proportional valve controlled cylinder system based on PID

4 仿真模擬實(shí)驗(yàn)

為了進(jìn)一步驗(yàn)證電液比例方向閥控缸系統(tǒng)的快速跟蹤響應(yīng)能力與控制精度，采用基于ADAMS 與AMESim 軟件的仿真實(shí)驗(yàn)進(jìn)行分析。

4.1 基于ADAMS 軟件的動(dòng)力學(xué)仿真模型構(gòu)建

ADAMS 軟件是常用的仿真三位模型構(gòu)圖軟件，在此次采煤機(jī)仿真模型構(gòu)建過(guò)程中，首先需要建立實(shí)物3D 模型，然后再進(jìn)一步建立動(dòng)力學(xué)模型。

（1） 建立實(shí)物3D 模型。對(duì)部分非關(guān)鍵部件與參數(shù)進(jìn)行合理簡(jiǎn)化，忽略采煤機(jī)搖臂傳動(dòng)單元，且將采煤機(jī)質(zhì)量、搖臂質(zhì)量、搖臂長(zhǎng)度值視為恒定。簡(jiǎn)化后，建模涉及的部件包括滾筒、搖臂、采煤機(jī)機(jī)體、調(diào)高油缸。采用SolidWorks 對(duì)采煤機(jī)進(jìn)行3D 建模，并將裝配、干涉查驗(yàn)過(guò)后的裝配體保存為Parasolid(.x_t)格式。

（2） 建立動(dòng)力學(xué)模型。將實(shí)物3D 模型的Parasolid(.x_t)格式文件放置在Adares／View 文件夾下，陸成煤業(yè)MG300 型采煤機(jī)調(diào)高系統(tǒng)工作主要為單滾筒一次采全高方式循環(huán)運(yùn)動(dòng)，故將后滾筒側(cè)的調(diào)高零部件做簡(jiǎn)化處理，與機(jī)身連接，并通過(guò)固定副進(jìn)行約束。綜合考慮仿真復(fù)雜度、實(shí)驗(yàn)有效性等因素，將部分物理約束由低副約束替換為高副約束，涉及零部件有采煤機(jī)搖臂、活塞、缸體等。

設(shè)定動(dòng)力學(xué)模型的狀態(tài)變量為y0、運(yùn)行收到的力為F0、運(yùn)行速度為v0。其中y0取恒定值0，F(xiàn)0可由公式MOTION(M-1，0，3，M-2)來(lái)表示，M-1代表?yè)u臂活塞的圓柱副，0 代表Firs-Body，3 代表?yè)u臂活塞圓柱副的橫向力F0，M-2 代表圓柱副所受力的參考系。

ADAMS 軟件對(duì)圓柱副所受力F0進(jìn)行約束推導(dǎo)，得到的輸出信號(hào)進(jìn)入AMESim 軟件中完成對(duì)調(diào)高液壓缸的控制。上述動(dòng)作全部完成后，由ADAMS 軟件的控制模塊生成接口文件保存在存儲(chǔ)器中，文件類型為.inf。

4.2 基于AMESim 軟件的調(diào)高液壓系統(tǒng)模型構(gòu)建

基于AMESim 軟件對(duì)基于PID 的閉環(huán)控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真建模與分析驗(yàn)證，通過(guò)預(yù)先設(shè)定的約束關(guān)系，得到不同動(dòng)作下的油缸運(yùn)動(dòng)速度。將ADAMS 軟件控制模塊生成的.inf 類型接口文件輸入到AMESim，實(shí)現(xiàn)2 個(gè)軟件的信息同步，協(xié)同工作實(shí)現(xiàn)對(duì)受力F0與運(yùn)行速度v0的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)調(diào)整，最終完成采煤機(jī)調(diào)高系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)。

基于ADAMS 與AMESim 的采煤機(jī)調(diào)高系統(tǒng)閉環(huán)控制如圖3 所示。根據(jù)陸成煤業(yè)實(shí)際工作情況，給定的調(diào)高泵轉(zhuǎn)速為1 080 r/min，比例方向閥的閥腔直徑為6 mm，閥桿半徑為2 mm，彈簧的彈性剛度為100 N/mm，設(shè)定換向閥移動(dòng)過(guò)程中受到的摩擦力為60 N，執(zhí)行油缸的工作最大位移為0.30 m，其內(nèi)徑尺寸140 mm，活塞的直徑為100 mm，負(fù)載質(zhì)量物體的重量為6 kg，液壓系統(tǒng)給定油壓為8 MPa，液控單向閥的啟動(dòng)油壓為0.3 MPa。

圖3 聯(lián)合仿真系統(tǒng)的模型Fig.3 Model of co-simulation system

4.3 仿真結(jié)果分析

電液比例方向閥控缸系統(tǒng)仿真模擬時(shí)，在活塞桿上升時(shí)，無(wú)桿腔入口與有桿腔出口的油液流量相對(duì)恒定；在活塞桿下降時(shí)，無(wú)桿腔側(cè)的油液流量與壓力出現(xiàn)了較大的波動(dòng)，會(huì)使得調(diào)高系統(tǒng)活塞桿的速度出現(xiàn)波動(dòng)，部分甚至產(chǎn)生明顯抖動(dòng)。加速狀態(tài)下或收到阻力過(guò)大時(shí)，設(shè)備抖動(dòng)導(dǎo)致控制精度下降、故障發(fā)生概率增加，為了降低活塞桿下降帶來(lái)的負(fù)面作用，對(duì)設(shè)計(jì)的新系統(tǒng)再次進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)。

抖動(dòng)的產(chǎn)生主要是由于無(wú)桿腔側(cè)流量與壓力發(fā)生了較大變化引起，而引起變化的原因則是該側(cè)對(duì)應(yīng)的單向閥高頻率的開(kāi)閉操作。為了解決這一問(wèn)題，選擇引入單向節(jié)流閥，對(duì)油液的流量波動(dòng)與壓力波動(dòng)進(jìn)行有效抑制。單向節(jié)流閥加裝在無(wú)桿腔側(cè)單向缸與液壓缸之間，閥門(mén)口徑3 mm。

聯(lián)合仿真實(shí)驗(yàn)以AMESim 為主，設(shè)定AMESim的通信步長(zhǎng)為0.05 s，對(duì)應(yīng)的ADAMS 輸出信號(hào)步長(zhǎng)與前者一致，保證軟件互聯(lián)同步，信息交互正常。取仿真實(shí)驗(yàn)的總時(shí)長(zhǎng)為12 s，每隔0.05 s 記錄油缸閥門(mén)流量與對(duì)應(yīng)壓力值。對(duì)比未加裝單向節(jié)流閥與加裝節(jié)流閥對(duì)活塞桿下降時(shí)抖動(dòng)抑制效果，仿真結(jié)果如圖4 所示。

圖4 只增加單向節(jié)流閥調(diào)節(jié)下無(wú)桿腔的動(dòng)態(tài)變化情況Fig.4 The dynamic change of rodless chamber under the regulation of one-way throttle valve is only increased.

通過(guò)圖4 可以看出，增加單向節(jié)流閥后，第5～8 s 的油液流量與壓力均得到明顯抑制，跟蹤響應(yīng)速度也相應(yīng)提高。

由仿真分析結(jié)果可知，增加單向節(jié)流閥能確保搖桿抖動(dòng)振幅得到有效抑制，但仍有約2 s 左右的小幅度波動(dòng)。為了進(jìn)一步消除抖動(dòng)，引入單向阻尼器，安裝在調(diào)高系統(tǒng)液壓油回路上，便于穩(wěn)定油壓、控制流量。

取仿真實(shí)驗(yàn)的總時(shí)長(zhǎng)為12 s，每隔0.05 s 記錄油缸閥門(mén)流量與對(duì)應(yīng)壓力值。加裝單向節(jié)流閥與單向阻尼器測(cè)試活塞桿下降時(shí)抖動(dòng)抑制效果如圖5 所示，可以看出當(dāng)搖臂在第5 s 開(kāi)始下降時(shí)，閥芯位移幅值得到有效抑制。

通過(guò)加裝單向換向閥與單向阻尼器，電液比例調(diào)高系統(tǒng)性能得到有效改善，搖臂下降過(guò)程產(chǎn)生的抖動(dòng)減小、跟蹤精度提升、控制能力增強(qiáng)。

圖5 增加單向阻尼器后閥芯的動(dòng)態(tài)變化情況Fig.5 Dynamic change of spool after adding unidirectional damper

5 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

將設(shè)計(jì)的電液比例調(diào)高系統(tǒng)在陸成煤業(yè)進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用，每間隔200 ms 進(jìn)行一次數(shù)據(jù)采集，采集點(diǎn)共500 個(gè)，得到600 個(gè)采煤機(jī)滾筒高度值。通過(guò)比較，液壓調(diào)高系統(tǒng)的調(diào)高誤差在0.07 m 以內(nèi)，系統(tǒng)穩(wěn)定性較好，現(xiàn)場(chǎng)效果如圖6 所示。工作面累計(jì)推進(jìn)240 m，總產(chǎn)量16 萬(wàn)t，最高日推進(jìn)8.8 m，月產(chǎn)量6.39 萬(wàn)t，月產(chǎn)量增加2.36 萬(wàn)t，工作人員由18 人/班減少到10 人/班，降低了維修工作量，節(jié)約了生產(chǎn)成本，減少了事故發(fā)生率。

圖6 現(xiàn)場(chǎng)效果圖Fig.6 Field effect diagram

6 結(jié) 語(yǔ)

陸成煤業(yè)通過(guò)引入電液比例方向閥作為核心元器件，結(jié)合PID 控制策略實(shí)現(xiàn)了對(duì)調(diào)高動(dòng)作的閉環(huán)控制，相較于前期的手動(dòng)、遙控的開(kāi)環(huán)控制方式，跟蹤響應(yīng)能力與控制精度都得到改善。針對(duì)電液比例技術(shù)引入存在的搖臂下降抖動(dòng)問(wèn)題，通過(guò)增加單向方向閥與單向阻尼閥，可明顯減少抖動(dòng)幅值與抖動(dòng)時(shí)長(zhǎng)，通過(guò)觀測(cè)，液壓調(diào)高系統(tǒng)的調(diào)高誤差控制在0.07 m 以內(nèi)?，F(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用表明，優(yōu)化后的調(diào)高系統(tǒng)誤差在0.07 m 以內(nèi)，降低了維修工作量，節(jié)約了生產(chǎn)成本，減少了事故發(fā)生率。