潘軍輪

（山西沁和能源集團(tuán)南凹寺煤業(yè)有限公司，山西 沁水048200）

隨著我國礦井智能化開采程度越來越高，多數(shù)礦井正在由機(jī)械化向智能化轉(zhuǎn)型，綜采工作面配套的轉(zhuǎn)載機(jī)、溜子、割煤機(jī)、皮帶等運輸輔助設(shè)備逐漸實現(xiàn)自動化和智能化，以滿足礦井安全高效的需求。智能化生產(chǎn)不僅可以提高生產(chǎn)效率，降低勞動強(qiáng)度，更能夠依靠設(shè)備的自主化管理實現(xiàn)無人值守和無人操控，從而營造更加安全可靠的生產(chǎn)環(huán)境?；诖耍芯抗ぷ髅嫒绾螌崿F(xiàn)刮板輸送機(jī)在推溜移架過程中的自動校正調(diào)直問題，對確保采煤工作面的運煤效率具有重要意義。

1 刮板輸送機(jī)結(jié)構(gòu)分析

刮板輸送機(jī)作為工作面轉(zhuǎn)載運輸?shù)闹匾O(shè)備，主要由機(jī)頭、機(jī)尾鏈輪、槽板、鏈條、電機(jī)、減速機(jī)，以及便于檢修的中部槽及天窗槽等組成。在安裝刮板輸送機(jī)時，刮板輸送機(jī)槽通過啞鈴銷軸進(jìn)行搭接而成，根據(jù)切眼長度安裝適合的槽板，隨著槽板安裝同步串接鏈條與刮板，最后在上下兩個端頭安全出口處的機(jī)頭機(jī)尾安裝回轉(zhuǎn)鏈輪，鏈條連接完畢后，在減速機(jī)的帶動下，刮板輸送機(jī)鏈條就可以經(jīng)過鏈輪的傳動作用，實現(xiàn)正轉(zhuǎn)和倒轉(zhuǎn)。

在實際割煤過程中，受到煤層賦存條件的變化，以及頂?shù)装宓钠鸱拗?，刮板輸送機(jī)不可能始終保持平直。在回采過后，支架工要根據(jù)前方煤墻的截割深淺進(jìn)行推溜拉架。由于支架工工作年限長短與經(jīng)驗的參差不齊，推移支架后，在空間層面上刮板輸送機(jī)可能呈現(xiàn)出不同的形態(tài)和弧度，甚至在上山和下山坡度回采時刮板輸送機(jī)會出現(xiàn)偏轉(zhuǎn)現(xiàn)象，很容易導(dǎo)致槽板受力擠壓而加快磨損，且刮板輸送機(jī)鏈條不均勻受力牽引也容易造成斷鏈條事故發(fā)生。因此，確保刮板輸送機(jī)處在平直狀態(tài)高質(zhì)量運行對于設(shè)備使用壽命和維護(hù)檢修至關(guān)重要[1]。刮板輸送機(jī)結(jié)構(gòu)形態(tài)如圖1所示。

圖1 刮板輸送機(jī)結(jié)構(gòu)形態(tài)

2 刮板輸送機(jī)誤差因素分析

2.1 中部槽限位誤差

由于刮板輸送機(jī)是由一塊塊的槽板通過啞鈴銷軸連接而成的，而啞鈴銷屬于硬性連接裝置，不能產(chǎn)生形變，但在垂直空間方向上有一定范圍的間隙余量。刮板輸送機(jī)槽板之間的間隙很小，一方面為避免因為間隙過大，造成刮板輸送機(jī)運行過程中過多地灑煤，導(dǎo)致槽板底部噎煤而發(fā)生刮板輸送機(jī)拉死事故，另一方面減小間隙為提高溜子受力的整體抗拉性，便于整體推移受力，每塊槽板之間都留存一定量的間隙后，可起到聯(lián)動傳遞的作用。溜子槽聯(lián)動效應(yīng)俯視平面如圖2所示。

圖2 溜子槽聯(lián)動效應(yīng)俯視平面

2.2 中部槽與支架銷耳之間間隙誤差

為最大限度地確保中部槽在刮板輸送機(jī)運行過程中更好地清理浮煤，采用銷耳對支架底座伸縮千斤頂液壓缸與刮板輸送機(jī)中部槽之間進(jìn)行連接固定，由于銷耳的可活動范圍間隙很小，當(dāng)單個或相鄰支架進(jìn)行推移刮板輸送機(jī)時，造成銷耳間隙產(chǎn)生極限盲區(qū)而限制推移量，不能將中部槽一次推移到位，需要前后多架按照一個方向的順序依次拉架后才能實現(xiàn)推溜移架到位[2]。銷耳對中部槽移動限位曲線如圖3所示。

圖3 耳對中部槽移動限位曲線

如圖3所示，當(dāng)乳化液泵站供液流量不能達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)壓力值時，在銷耳間隙的極限區(qū)域?qū)挾萢外部，流量Q值與中部槽的位移量S值呈現(xiàn)的是非線性關(guān)系，中部槽在a范圍內(nèi)不會發(fā)生較大位移變化。當(dāng)乳化液泵站供液滿足壓力指標(biāo)要求時，且流量穩(wěn)定的狀態(tài)下，在極限區(qū)域?qū)挾萢之外，中部槽的位移會產(chǎn)生一定范圍的變化。

2.3 液壓傳動系統(tǒng)的動作誤差

中部槽的前移動作通過支架推移千斤頂?shù)囊簤焊自谝簤合到y(tǒng)的傳動作用下完成。但此過程受到多種因素的干擾影響，比如液壓傳動的穩(wěn)定性，壓力值是否能夠達(dá)到設(shè)計要求，液壓管路的抗壓性，以及推移千斤頂實際作用的伸縮量等都制約著單次推移中部槽能否一次到位。若出現(xiàn)檢修不及時，造成液壓缸煤泥堵塞，就會嚴(yán)重影響實際伸出量，減少單次中部槽的推移距離，影響刮板輸送機(jī)的整體平直工程質(zhì)量[3]。

3 刮板輸送機(jī)的直線度誤差檢測分析

為確保刮板輸送機(jī)的工程質(zhì)量和平直程度，提升切眼采煤的連續(xù)性，主要從中部槽直線度和捷聯(lián)慣導(dǎo)的定位精度兩個方面描述檢測誤差的表達(dá)方式。

3.1 直線度影響因素

采煤機(jī)在割煤期間其行走部和電機(jī)遙控裝置是騎跨在中部槽和前溜擋板齒排上完成行走運動的。刮板輸送機(jī)的平直程度直接影響割煤機(jī)的運行軌跡，因此，在一定程度意義上，兩者軌跡相互關(guān)聯(lián)，可以通過對割煤機(jī)行走軌跡計算建模，反映出刮板輸送機(jī)推移的平直狀態(tài)，割煤機(jī)與中部槽軌跡關(guān)系如圖4所示。

圖4 割煤機(jī)與溜子槽軌跡關(guān)系

通過上述關(guān)系分析，可將捷聯(lián)慣導(dǎo)檢測裝置布置在采煤機(jī)中控附近，從而實現(xiàn)隨采煤機(jī)運行實時監(jiān)測其行動軌跡，并建立點坐標(biāo)模型圖，通過固定距離設(shè)置一次監(jiān)測，記錄實時的點坐標(biāo)位置，當(dāng)割煤機(jī)在切眼內(nèi)割刀一個循環(huán)后，正好可以記錄完整的軌跡路線。當(dāng)割煤機(jī)運行過快，中部槽不能有效跟進(jìn)產(chǎn)生較大彎曲度時，可以及時協(xié)調(diào)減緩割煤速度，以便于后面跟進(jìn)拉架，向前推移中部槽至合理的曲度區(qū)間，從而更好地保護(hù)運輸設(shè)備。

3.2 捷聯(lián)慣導(dǎo)的定位精度誤差

當(dāng)采煤機(jī)進(jìn)行往返回刀割煤時，主要依靠捷聯(lián)慣導(dǎo)方式對采煤機(jī)運行位置和形態(tài)軌跡進(jìn)行準(zhǔn)確定位，但當(dāng)采煤機(jī)長時間運行工作后，定位系統(tǒng)可能存在積分解算中的累計誤差，從而影響移動過程的準(zhǔn)確跟蹤定位。此外，在捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)檢測和安裝過程中也會存在人為操作的技術(shù)誤差，其中包括建立數(shù)值模擬分析和SINS裝置的測量誤差等[4]。

為滿足對于煤礦井下特殊地點的安裝需求，在測量裝置內(nèi)安裝有專門的隔爆箱，對隔爆箱定位建立了O-Xf、Yf、Zf坐標(biāo)系，對捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)建立O-XbYbZb坐標(biāo)系，此外將Δγ、Δφ、Δθ表示在空間坐標(biāo)X、Y、Z軸向上的安裝偏移誤差。根據(jù)上述關(guān)系建立坐標(biāo)體系的計算公式：

根據(jù)上式，當(dāng)刮板輸送機(jī)載體的移動中心線與采煤機(jī)行走中心線不重合或不平行時，就會形成桿臂效應(yīng)，從而輸出誤差。因此，根據(jù)兩個坐標(biāo)系統(tǒng)輸出的坐標(biāo)軌跡進(jìn)行實時比對，分析偏移誤差值的變化，可以準(zhǔn)確及時調(diào)整采煤機(jī)的截割速度，或者對刮板輸送機(jī)平直度進(jìn)行調(diào)整，從而更好地協(xié)調(diào)生產(chǎn)進(jìn)度，確保工程質(zhì)量。

4 刮板輸送機(jī)實時調(diào)直自控系統(tǒng)

為更好地實現(xiàn)對刮板輸送機(jī)隨割煤機(jī)截割時的同步調(diào)直作業(yè)，采用PID控制器的模糊計算自適應(yīng)功能進(jìn)行自主化管理，PID控制器自動調(diào)控工作原理如圖5所示。

圖5 PID控制器自動調(diào)控工作原理

結(jié)合上述分析的影響中部槽平直度的幾個誤差因素，以及采煤機(jī)與刮板輸送機(jī)同步運行的坐標(biāo)軌跡，根據(jù)PID控制器的工作原理，可以根據(jù)坐標(biāo)反饋信息實時傳輸給控制器?？刂破鹘?jīng)過計算分析，輸出指令，通過調(diào)節(jié)液壓泵站的供液流量和輸出壓力，從而有效調(diào)控支架底座千斤頂推移伸出量，實現(xiàn)對前后刮板輸送機(jī)中部槽進(jìn)行微調(diào)調(diào)直的目標(biāo)。

5 仿真模擬試驗

基于以上的結(jié)構(gòu)理論分析，為驗證PID控制器對實現(xiàn)刮板輸送機(jī)實時調(diào)直的真實應(yīng)用效果，以及在實際生產(chǎn)中的調(diào)控準(zhǔn)確度，采用Matlab進(jìn)行仿真模擬實驗研究。PID控制器調(diào)控效果仿真模擬實驗流程如圖6所示。

圖6 PID控制器調(diào)控效果仿真模擬實驗流程

設(shè)定試驗對象為切眼內(nèi)第十節(jié)中部槽，選取隨機(jī)線與直線模式，隨機(jī)線與斜線模式兩種狀態(tài)，設(shè)定液壓泵的實時供液流量為1.64 L/min，液壓缸的活塞單位面積為0.002 56 m2，每節(jié)中部槽長度為0.7 m，PID控制器初始值設(shè)定為kd=11，ki=15.4，kp=27。仿真實驗?zāi)M曲線如圖7所示。

圖7 仿真實驗?zāi)M曲線

由圖7可知，根據(jù)對刮板輸送機(jī)初始位置的調(diào)整過后，可實現(xiàn)其終止位置曲線與目標(biāo)位置曲線基本平行或減小誤差的結(jié)果，說明通過PID控制器對刮板輸送機(jī)的自調(diào)控功能能夠起到一定的控制作用，達(dá)到預(yù)期效果。

6 結(jié)論

1）通過刮板輸送機(jī)的結(jié)構(gòu)分析，揭示其連接誤差受到中部槽聯(lián)動效應(yīng)、銷耳連接間隙誤差和液壓缸傳動系統(tǒng)誤操作誤差因素影響，導(dǎo)致中部槽推移中產(chǎn)生誤差。

2）對中部槽直線度的誤差控制影響因素進(jìn)行分析，說明檢測誤差和捷聯(lián)慣導(dǎo)的定位精度存在計算誤差，導(dǎo)致刮板輸送機(jī)推移不成直線。

3）利用PID控制器對液壓傳動系統(tǒng)和支架底座伸縮千斤頂進(jìn)行調(diào)控，建立數(shù)字化模型，并利用模擬實驗對調(diào)控效果進(jìn)行總結(jié)評判，充分驗證PID控制器可實現(xiàn)對刮板輸送機(jī)自動調(diào)直的實時監(jiān)控，確保了工程施工質(zhì)量。