劉 斌
(山西焦煤霍州煤電紫晟煤業(yè)有限責(zé)任公司, 山西 霍州 031400)
近幾年,隨著以采煤機(jī)為代表的自動(dòng)化綜采設(shè)備的不斷投入使用,極大地提升了煤礦井下的綜采作業(yè)效率,為了保持對(duì)采煤機(jī)運(yùn)行的控制,采煤機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)的過(guò)程中需要拖動(dòng)電纜不斷進(jìn)行進(jìn)給作業(yè),由于井下地質(zhì)環(huán)境較為復(fù)雜,因此為了提高電纜的使用壽命,通常將電纜設(shè)置在拖纜裝置內(nèi),并且根據(jù)采煤機(jī)的運(yùn)行控制拖纜裝置運(yùn)轉(zhuǎn),實(shí)現(xiàn)跟機(jī)自動(dòng)運(yùn)行[1]。在實(shí)際使用過(guò)程中發(fā)現(xiàn)拖纜裝置不僅整體結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜,而且拖纜控制系統(tǒng)的控制偏差達(dá)到了-4~2 m,導(dǎo)致電纜頻繁出現(xiàn)非正常折疊現(xiàn)象,加劇了電纜的磨損,嚴(yán)重影響了采煤機(jī)運(yùn)行的穩(wěn)定性。結(jié)合井下拖纜控制需求,提出了一種新的采煤機(jī)拖纜控制系統(tǒng),其采用了全新的基于采煤機(jī)位置和速度的閉環(huán)模糊控制方案,通過(guò)采煤機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)對(duì)拖纜裝置的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行調(diào)控,實(shí)現(xiàn)了纜裝置的高效、可控運(yùn)行。
優(yōu)化后的采煤機(jī)拖纜裝置整體主要包括機(jī)械部分和電控部分,機(jī)械部分采用了緊湊型的布局結(jié)構(gòu),主要包括驅(qū)動(dòng)部分、滑座及回轉(zhuǎn)輪,該拖纜裝置整體結(jié)構(gòu)如圖1 所示[2]。
圖1 采煤機(jī)拖纜裝置結(jié)構(gòu)示意圖
在該拖纜裝置中,驅(qū)動(dòng)部分主要是為拖拽電纜提供驅(qū)動(dòng)力,主要包括了小型電機(jī)和減速機(jī)構(gòu)。滑軌是用于為拖纜裝置提供保護(hù)支撐,主要包括了導(dǎo)向結(jié)構(gòu)和運(yùn)行軌道。拖纜滑動(dòng)塊則主要是根據(jù)控制信號(hào)拖動(dòng)電纜進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)。回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)則主要是為拖纜裝置提供了在運(yùn)行時(shí)的張緊力,使拖纜過(guò)程中電纜夾保持張緊,避免出現(xiàn)脫軌情況。在拖纜裝置運(yùn)行的過(guò)程中,拖纜滑動(dòng)塊在電纜槽內(nèi)緊跟采煤機(jī)的進(jìn)給情況,保證電纜夾在運(yùn)行過(guò)程中只出現(xiàn)一次彎折,避免多次彎折導(dǎo)致的脫軌和磨損現(xiàn)象。
電控部分主要作用是控制拖纜裝置驅(qū)動(dòng)部分的運(yùn)行,根據(jù)拖纜裝置的運(yùn)行情況自動(dòng)進(jìn)行鏈條張緊,同時(shí)用于對(duì)拖纜裝置的運(yùn)行過(guò)程井下檢測(cè)和記錄,主要包括了驅(qū)動(dòng)控制、張緊控制及運(yùn)行監(jiān)測(cè)3 部分功能,該拖纜裝置電控部分整體結(jié)構(gòu)如圖2 所示[3]。
圖2 采煤機(jī)拖纜裝置電控部分結(jié)構(gòu)示意圖
1)驅(qū)動(dòng)控制。驅(qū)動(dòng)控制部分主要包括了礦用隔爆箱、變頻控制器、變頻驅(qū)動(dòng)電機(jī)等。礦用隔爆箱內(nèi)設(shè)置有PLC 控制器,用于接收并讀取采煤機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)信息,再通過(guò)對(duì)采煤機(jī)的牛頭拉力、拖纜小車(chē)位置等數(shù)據(jù)信息分析后輸出拖纜裝置的調(diào)節(jié)控制信號(hào),控制拖纜機(jī)構(gòu)跟隨采煤機(jī)運(yùn)動(dòng)。為了提升該驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)的應(yīng)用可靠性,PLC 部分采用了具有高可靠性和高緊湊性的西門(mén)子1215C 型[4],能夠較好的適應(yīng)煤礦進(jìn)行高濕、高塵的惡劣環(huán)境。
2)張緊控制。張緊控制的核心是要保證拖纜裝置在運(yùn)行過(guò)程中始終保持張緊狀態(tài),避免出現(xiàn)電纜松脫或者多層疊加現(xiàn)象,張緊控制系統(tǒng)主要包括了張力傳感器及張緊油缸等,通過(guò)張力傳感器對(duì)拖纜裝置運(yùn)行過(guò)程中張力進(jìn)行監(jiān)測(cè),實(shí)時(shí)將監(jiān)測(cè)結(jié)果傳輸?shù)娇刂浦行?,進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整,滿足使用過(guò)程中的張力穩(wěn)定性需求。
3)運(yùn)行監(jiān)測(cè)。運(yùn)行監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要是用于對(duì)拖纜裝置的運(yùn)行過(guò)程進(jìn)行數(shù)據(jù)采集及分析,顯示拖纜裝置的運(yùn)行情況,其采用了高效的數(shù)據(jù)通信能力,具備多種標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)接口,數(shù)據(jù)傳輸速度快。
拖纜控制系統(tǒng)的核心是控制拖纜裝置跟隨采煤機(jī)運(yùn)行自由的收放電纜,防止電纜在反復(fù)運(yùn)行的過(guò)程中出現(xiàn)折疊、磨損,提高運(yùn)行可靠性。結(jié)合采煤機(jī)拖纜控制裝置的運(yùn)行需求,提出了一種新的采煤機(jī)拖纜控制系統(tǒng),該控制系統(tǒng)控制流程如圖3 所示[5]。
圖3 采煤機(jī)拖纜控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖
由圖3 可知,在控制過(guò)程中首先由各類傳感器對(duì)采煤機(jī)和拖纜裝置的速度、位置等信息進(jìn)行采集,然后將采煤機(jī)進(jìn)給速度的50%作為采煤機(jī)拖纜控制裝置的調(diào)控依據(jù),通過(guò)閉環(huán)PID 控制系統(tǒng)[6]來(lái)調(diào)整變頻器的輸出電機(jī)轉(zhuǎn)速。PLC 控制系統(tǒng)通過(guò)獲取采煤機(jī)的牛頭電纜張力、驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩誤差及拖纜小車(chē)的位置誤差,然后對(duì)數(shù)據(jù)處理后將其疊加至輸出控制信號(hào)中。
當(dāng)采煤機(jī)運(yùn)行時(shí),電纜夾跟機(jī)運(yùn)行的摩擦力會(huì)因拖拽的長(zhǎng)度不同而發(fā)生變化,系統(tǒng)內(nèi)提前設(shè)定了電纜夾拖拽時(shí)的最大允許摩擦力[7],當(dāng)摩擦力超過(guò)系統(tǒng)設(shè)定值后,控制器判斷電纜夾出現(xiàn)了位姿偏差,拖纜小車(chē)對(duì)拖纜位置進(jìn)行調(diào)整,同時(shí)匯總變頻器增加輸出轉(zhuǎn)矩,保證拖纜裝置的根據(jù)運(yùn)行。通過(guò)對(duì)摩擦力的限定來(lái)確保了在運(yùn)行過(guò)程中電纜夾最多只能有一次折彎,避免了電纜夾在長(zhǎng)期使用過(guò)程中的卡阻和脫軌情況。
為了對(duì)該拖纜控制系統(tǒng)的應(yīng)用可靠性進(jìn)行研究,對(duì)井下拖纜裝置進(jìn)行改造,其綜采面的長(zhǎng)度為400 m,拖纜小車(chē)需要跟機(jī)運(yùn)行的長(zhǎng)度為200 m,采煤機(jī)運(yùn)行時(shí)的最大速度為4.6 m/s,采煤機(jī)拖纜裝置在系統(tǒng)控制下的位置偏差如圖4 所示。
圖4 拖纜裝置跟蹤位置誤差曲線圖
由圖4 可知,在該新型采煤機(jī)拖纜自動(dòng)控制系統(tǒng)的作用下,拖纜裝置的根據(jù)誤差控制在-2~1 m 之間,比優(yōu)化前的-4~2 m 降低了50%,顯著提升了跟機(jī)的精確性,在運(yùn)行過(guò)程中未再出現(xiàn)多層疊加及卡死現(xiàn)象,有效提升了輸送機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性和可靠性。
為了解決目前采煤機(jī)拖纜裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜、拖纜控制系統(tǒng)控制效率低、可靠性差的不足,提出了一種新的采煤機(jī)拖纜自動(dòng)控制系統(tǒng),采用了全新的基于采煤機(jī)位置和速度的閉環(huán)模糊控制方案,實(shí)現(xiàn)了對(duì)采煤機(jī)的精確跟機(jī)及無(wú)卡死拖纜,根據(jù)實(shí)際應(yīng)用表明:
1)新的采煤機(jī)拖纜裝置,主要包括了機(jī)械部分和電控部分,機(jī)械部分采用了緊湊型的布局結(jié)構(gòu),主要包括了驅(qū)動(dòng)部分、滑座及回轉(zhuǎn)輪等,電控系統(tǒng)主要包括了驅(qū)動(dòng)控制、張緊控制及運(yùn)行監(jiān)測(cè)3 部分功能。
2)拖纜控制系統(tǒng),通過(guò)對(duì)摩擦力的限定來(lái)確保了在運(yùn)行過(guò)程中電纜夾最多只能有一次折彎,避免了電纜夾在長(zhǎng)期使用過(guò)程中的卡阻和脫軌情況。
3)該拖纜控制系統(tǒng)將拖纜裝置運(yùn)行時(shí)的最大偏差量降低了50%,對(duì)保證輸送機(jī)系統(tǒng)的正常運(yùn)行,提高電纜使用壽命具有十分重要的意義。