采煤機(jī)自動調(diào)高液壓控制系統(tǒng)的優(yōu)化研究

楊東生

（長治市煤礦安全技術(shù)培訓(xùn)中心， 山西 長治 046000）

引言

目前，多數(shù)采煤機(jī)調(diào)高控制系統(tǒng)所采用的均為基于電磁閥的調(diào)高液壓系統(tǒng)，其僅具備簡單的開關(guān)執(zhí)行操作，受液壓系統(tǒng)工作壓力影響較大，在綜采過程中，常出現(xiàn)負(fù)載不足導(dǎo)致采煤機(jī)無法及時調(diào)整滾筒的工作高度滿足對厚煤層的落煤需求，同時極大地增加了采煤機(jī)滾筒的調(diào)高時間，降低了采煤機(jī)綜采時的工作效率[1]，當(dāng)采煤機(jī)滾筒幅度調(diào)整較小時又易導(dǎo)致出現(xiàn)流量過大、無法精確控制采煤機(jī)滾筒的運(yùn)行軌跡等缺點。因此如何提高采煤機(jī)調(diào)高系統(tǒng)工作的安全性和可靠性，對確保煤炭生產(chǎn)企業(yè)提高采煤機(jī)工作的自動化程度及綜采效率具有十分重大的意義。

1 采煤機(jī)調(diào)高液壓控制系統(tǒng)的工作原理

采煤機(jī)自動調(diào)高液壓控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示，其主要由搖臂、滾筒、執(zhí)行油缸、液壓泵站及控制系統(tǒng)等組成。當(dāng)采煤機(jī)需要根據(jù)巷道高度對滾筒的高度進(jìn)行調(diào)節(jié)時，液壓泵站的驅(qū)動電機(jī)帶動液壓泵開始工作，從油箱內(nèi)將液壓油傳遞到執(zhí)行油缸內(nèi)。在驅(qū)動滾筒升降時，控制液壓泵站內(nèi)電磁換向閥的工作狀態(tài)，使液壓油通過電磁換向閥進(jìn)入到執(zhí)行油缸內(nèi)，推動執(zhí)行油缸的活塞桿伸出，直到達(dá)到指定的升高高度[2]。當(dāng)為執(zhí)行調(diào)高換向時，采煤機(jī)的驅(qū)動滾筒的高度保持不變，此時液壓油控制對液壓系統(tǒng)回路的調(diào)節(jié)，使閥門保持在關(guān)閉狀態(tài)，從而確保系統(tǒng)處于保壓狀態(tài)，維持驅(qū)動滾筒的高度。

在整個控制過程中，調(diào)高換向閥的閥芯在電磁力的控制下，不斷地根據(jù)采煤機(jī)滾筒的工作高度要求進(jìn)行調(diào)節(jié)，使液壓油從不同的油口進(jìn)入到執(zhí)行油缸的有桿腔或者是無桿腔，使活塞桿執(zhí)行伸出或者收縮，從而完成對于滾筒升降過程的調(diào)節(jié)控制[2]。在整個液壓控制系統(tǒng)中，安全閥用于確保滾筒位置的穩(wěn)定性，溢流閥用于控制系統(tǒng)的工作壓力，防止系統(tǒng)過載。

圖1 采煤機(jī)液壓調(diào)高系統(tǒng)

2 執(zhí)行油缸的數(shù)學(xué)模型

根據(jù)對采煤機(jī)液壓調(diào)高控制系統(tǒng)的分析，采煤機(jī)工作時執(zhí)行油缸的平衡方程可表示為[3]：

式中：A1為執(zhí)行油缸有桿腔的截面積；Ff為執(zhí)行油缸活塞桿端部的負(fù)載；P1為執(zhí)行油缸有桿腔工作壓力；P2為執(zhí)行油缸無桿腔工作壓力；x為執(zhí)行油缸活塞桿位移變化量；A2為執(zhí)行油缸無桿腔的橫截面積；m為活塞桿上負(fù)載的等效當(dāng)量；b為活塞桿運(yùn)行阻尼系數(shù)。

執(zhí)行油缸無桿腔內(nèi)的流量方程可表示為：

式中：Q1為執(zhí)行油缸有桿腔內(nèi)的流量；V1為無桿腔與換向閥間的油液量；C1為執(zhí)行油缸的泄露系數(shù)；βe為執(zhí)行油缸油液的體積彈性模量。

執(zhí)行油缸有桿腔內(nèi)的流量方程可表示為：

式中：Q2為執(zhí)行油缸有桿腔的流量；C2為執(zhí)行油缸的泄露系數(shù)；V2為有桿腔與換向閥間的油液量。

對以上公式進(jìn)行拉氏變換，則求出如下所示的傳遞函數(shù)[2]。

式中：A為執(zhí)行油缸有桿腔與無桿腔的平均截面積；L為液壓缸活塞桿行程；Ff（s）為外力擾動系數(shù)；X（s）為內(nèi)力擾動系數(shù)；s為時間。

根據(jù)圖1所示采煤機(jī)液壓調(diào)高系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖，可推出采煤機(jī)滾筒高度的調(diào)節(jié)量與液壓系統(tǒng)執(zhí)行油缸活塞桿伸出長度的數(shù)學(xué)關(guān)系模型，表示為[3]：

式中：ΔL為執(zhí)行油缸活塞桿的行程；H為滾筒高度；L1為滾筒搖臂的長度；Δφ為執(zhí)行油缸運(yùn)行時角度的變化量；L2為采煤機(jī)搖臂的長度。

由此，便建立起了采煤機(jī)滾筒高度與采煤機(jī)液壓控制系統(tǒng)執(zhí)行油缸活塞桿長度的數(shù)學(xué)關(guān)系模型。

3 基于電液比例控制的采煤機(jī)調(diào)高液壓系統(tǒng)的建模

在對現(xiàn)有采煤機(jī)調(diào)高液壓控制系統(tǒng)的控制缺點進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，本文用新型的電液比例控制閥代替原有控制系統(tǒng)中的電磁控制閥。在工作時，首先位移傳感器對滾筒的位置進(jìn)行監(jiān)測，并將監(jiān)測結(jié)果以電壓信號的方式與指定的輸入的電壓信號進(jìn)行對比，將電壓進(jìn)行放大后得到控制電壓，從而控制成比例的驅(qū)動電流，進(jìn)而調(diào)節(jié)電液比例閥的節(jié)流口打開程度，實現(xiàn)對活塞桿伸出量的調(diào)節(jié)。

將原始的液壓控制系統(tǒng)及改進(jìn)后的液壓控制系統(tǒng)分別導(dǎo)入到AMESim仿真分析軟件中[4]，對仿真分析結(jié)果進(jìn)行對比分析，改進(jìn)后的液壓系統(tǒng)仿真原理如圖2所示。

4 兩種液壓調(diào)高控制系統(tǒng)的仿真分析對比

本文分別對優(yōu)化前的調(diào)高控制系統(tǒng)和優(yōu)化后的調(diào)高控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析對比。

由圖3可知，在輸入相同控制信號、相同負(fù)載的情況下，控制活塞桿伸出到0.5m的位置時，優(yōu)化后的液壓控制系統(tǒng)比優(yōu)化前的液壓控制系統(tǒng)能更快地達(dá)到目標(biāo)位置。

由圖4可知，在加入相同的負(fù)載干擾情況下，優(yōu)化前的控制系統(tǒng)因采用了電磁換向閥結(jié)構(gòu)，其對液壓油流量的控制精確性差，因此在啟動初期會產(chǎn)生較大的波動。優(yōu)化后的液壓系統(tǒng)采用了電液比例控制閥，能夠根據(jù)電流信號實現(xiàn)對閥口大小的精確調(diào)節(jié)，因此在啟動時相對較為平穩(wěn)，其平穩(wěn)性比優(yōu)化前的系統(tǒng)要提高20%以上。

圖2 電液比例控制的采煤機(jī)液壓調(diào)高系統(tǒng)原理圖

圖3 不同控制系統(tǒng)活塞桿位移曲線對比

5 結(jié)論

本文在對采煤機(jī)自動調(diào)高控制系統(tǒng)缺點進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，提出了一種新的采用電液比例控制閥的采煤機(jī)自動調(diào)高液壓控制系統(tǒng)，通過建立采煤機(jī)滾筒高度與液壓控制系統(tǒng)活塞桿伸出長度關(guān)系的數(shù)學(xué)模型，并利用AMESim仿真分析軟件對優(yōu)化前和優(yōu)化后的液壓控制系統(tǒng)對采煤機(jī)滾筒高度調(diào)節(jié)情況進(jìn)行仿真分析，結(jié)果表明優(yōu)化后的液壓系統(tǒng)對執(zhí)行信號的響應(yīng)速度更快，對外在負(fù)載變化的適應(yīng)性更高，抗干擾能力更強(qiáng)，從而確保采煤機(jī)在工作中能夠平穩(wěn)、精確、快速地將滾筒抬高到指定的高度。

圖4 不同控制系統(tǒng)活塞桿速度曲線對比