煤礦用液壓支架電液控制系統(tǒng)的應(yīng)用

劉 欣

(西山煤電(集團(tuán)) 有限公司 馬蘭多種經(jīng)營分公司，山西 古交 030205)

0 引言

液壓支架是自動(dòng)化采煤設(shè)備的重要組成部分，綜采工作面作業(yè)時(shí)，液壓支架起到了煤層支撐的作用，使得采煤機(jī)和刮板運(yùn)輸機(jī)能夠安全運(yùn)行。傳統(tǒng)的液壓支架采取人工操作進(jìn)行控制，不但費(fèi)時(shí)費(fèi)力而且控制精度低，不符合煤礦自動(dòng)化的發(fā)展方向。液壓支架電液控制系統(tǒng)是一種綜合性的控制方案，不僅能夠控制支架電液閥，還能向運(yùn)行人員提供工作面的運(yùn)行參數(shù)。電液控制支架具有支架移動(dòng)速度快、頂板支護(hù)條件好、液壓支架額定初撐力穩(wěn)定、可帶壓移動(dòng)支架、工作面更好保持直線、改善井下工作人員條件、操作靈活、方便實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制等特點(diǎn)。隨著煤礦開采的機(jī)械化和無人化推進(jìn)，液壓支架電液控制系統(tǒng)的應(yīng)用越來越普遍，相關(guān)運(yùn)行人員應(yīng)當(dāng)在熟悉其系統(tǒng)組成和工作原理的基礎(chǔ)上，了解其發(fā)展方向和實(shí)際應(yīng)用情況。

1 煤礦用液壓支架電液控制系統(tǒng)的組成與原理

1.1 煤礦用液壓支架電液控制系統(tǒng)組成

液壓支架電液控制系統(tǒng)是集各項(xiàng)專業(yè)技術(shù)為一體的綜合成套控制系統(tǒng)，包括信息通信技術(shù)、液壓傳動(dòng)技術(shù)和流體自動(dòng)控制技術(shù)等。一個(gè)完整的液壓支架電液控制系統(tǒng)包括支架控制器、各類傳感器、電源、先導(dǎo)閥、主閥、各類連接與轉(zhuǎn)換器以及監(jiān)控器等。

圖1為一個(gè)典型的液壓支架電液控制系統(tǒng)組成示意圖。由于防爆供電電源的功率限制，每三個(gè)液壓支架被分為一組，組與組之間通過隔離耦合器連接。隔離耦合器的作用是阻斷各組液壓支架的電氣聯(lián)系，各組液壓支架的數(shù)據(jù)通過光電耦合進(jìn)行傳輸交換。液壓支架控制器是電液控制系統(tǒng)的核心部件，其外部配置了不同功能的傳感器，包括用于位置檢測(cè)的紅外傳感器、用于檢測(cè)液體壓力的壓力傳感器和用于測(cè)量推移千斤頂?shù)男谐虃鞲衅鳌?/p>

1.2 煤礦用液壓支架電液控制系統(tǒng)原理

液壓支架電液控制系統(tǒng)中主閥口的開通與關(guān)閉是通過先導(dǎo)閥的開通與關(guān)閉控制的，上電后電磁先導(dǎo)閥的閥桿在電磁力的作用下被提升，其閥口打開，閥體上腔的液體壓力通過先導(dǎo)孔釋放，主閥芯上部壓力低、下部壓力高，在此壓差下，液體將主閥芯推起，主閥口打開；電磁先導(dǎo)閥斷電后，由于重力作用，閥桿將先導(dǎo)孔閉鎖，主閥芯落下，主閥口關(guān)閉。由于電磁閥上腔壓力增大，液體推動(dòng)主閥芯施加壓力，故對(duì)閥體密封性有所提高。

圖1 某煤礦用液壓支架電液控制系統(tǒng)組成示意圖

2 液壓支架電液控制系統(tǒng)的應(yīng)用特點(diǎn)

液壓支架電液控制系統(tǒng)彌補(bǔ)了閥組直接控制的諸多缺點(diǎn)，其應(yīng)用特點(diǎn)具體表現(xiàn)為：

(1) 安全性高。當(dāng)工作面出現(xiàn)重大突發(fā)情況時(shí)，電液控制系統(tǒng)能夠使支架急停閉鎖，防止事故擴(kuò)大，提高了綜采工作面的安全性。電液控制系統(tǒng)具有豐富的數(shù)據(jù)采集和通信功能，使得故障反饋更及時(shí)，為檢修工作提供了寶貴的時(shí)間。

(2) 控制靈活。電液控制系統(tǒng)能夠在現(xiàn)場(chǎng)控制、遠(yuǎn)程遙控和端頭控制三種模式下靈活切換。由于支架控制器之間具有數(shù)據(jù)交互功能，多臺(tái)液壓支架的動(dòng)作可以協(xié)調(diào)控制，綜合調(diào)度。

(3) 位置控制閉環(huán)。隨著我國智能控制技術(shù)和電子技術(shù)的進(jìn)步，國產(chǎn)的電液控制傳感器性能已經(jīng)達(dá)到世界先進(jìn)水平。千斤頂?shù)男谐虣z測(cè)傳感器是支架推移動(dòng)作的依據(jù)，能夠?qū)⑽恢每刂葡到y(tǒng)閉環(huán)，因此每個(gè)支架安裝一個(gè)行程傳感器即可。此外，綜采工作面液壓支架還配置一個(gè)壓力傳感器，其作用是檢測(cè)液壓閥的壓力。

(4) 控制精度高。硬件的升級(jí)能夠提升實(shí)現(xiàn)液壓支架控制的準(zhǔn)確性，支架液壓系統(tǒng)在控制原理上具有時(shí)間滯后的特點(diǎn)，因此存在一定的控制誤差。無論是閥控型還是泵控型支架液壓系統(tǒng)，都存在注入能效低或者動(dòng)態(tài)響應(yīng)差等問題。為了提高液壓支架的控制精度，可使用推移控制邏輯閥來提高控制精度。

(5) 智能化。目前，液壓支架的控制和支護(hù)參數(shù)的修改都能通過電液控制系統(tǒng)的主控設(shè)備實(shí)現(xiàn)，通過軟件的提升實(shí)現(xiàn)了液壓支架的智能化。根據(jù)事實(shí)工作面情況，初撐力計(jì)算、頂板各項(xiàng)參數(shù)(厚度、壓力與強(qiáng)度)的精確數(shù)值通過軟件動(dòng)態(tài)更新，結(jié)合人工智能技術(shù)，使控制器在工作中不斷進(jìn)化，能夠完成自主決策。

3 液壓支架電液控制系統(tǒng)在超前支護(hù)中的應(yīng)用

采煤工作面的超前巷道是受采煤設(shè)備影響比較嚴(yán)重的區(qū)域，不僅各種設(shè)備眾多，而且是人員和物料的必經(jīng)之處，我國對(duì)回采工作面的支護(hù)規(guī)定為至少20 m。某煤礦井下超前支護(hù)方式為：液壓?jiǎn)误w支柱配π型鉸接頂梁和柱鞋支護(hù)。在實(shí)際工作中，人工單體支柱的支護(hù)方式雖然應(yīng)用靈活，但是存在強(qiáng)度不足、壓力不勻等缺點(diǎn)，容易造成綜采工作面端頭和頂板的事故率較高，因此采用電液控制的超前支護(hù)技術(shù)。

圖2為基于電液控制的遙控支架超前支護(hù)技術(shù)原理圖，它由電液控主機(jī)、支架遠(yuǎn)程操作臺(tái)、信號(hào)轉(zhuǎn)換器、超前支架控制器(1～n)、支架控制器(1#～n#)和CAN總線、RS-232總線等組成。虛線框內(nèi)為超前支架控制系統(tǒng)的設(shè)備示意圖，包括壓力傳感器、行程傳感器、人機(jī)交互界面、電磁驅(qū)動(dòng)器和電磁控?fù)Q向閥等。

超前支架控制系統(tǒng)原理為：電液控主機(jī)通過RS-232與支架遠(yuǎn)程操作臺(tái)通信，實(shí)現(xiàn)操作過程的狀態(tài)監(jiān)控，支架遠(yuǎn)程操作臺(tái)輸入支架操作指令后，通過CAN總線與信號(hào)轉(zhuǎn)換器連接，經(jīng)信號(hào)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換后再由CAN總線送出。支架控制器(包括工作面控制器1#～n#、超前支架控制器1～n)接收操作指令后，分別對(duì)超前支架和工作面支架進(jìn)行相關(guān)控制。支架控制器的執(zhí)行元件為電磁驅(qū)動(dòng)器，其本質(zhì)是一個(gè)驅(qū)動(dòng)線圈，電磁控?fù)Q向閥的開閉由驅(qū)動(dòng)器線圈驅(qū)動(dòng)，液壓缸作為

執(zhí)行元件直接控制支架的動(dòng)作，以達(dá)到理想的支護(hù)姿態(tài)，為其他機(jī)械的移動(dòng)提供安全的作業(yè)空間。電磁換向閥由先導(dǎo)閥和換向主閥組成，先導(dǎo)閥的作用是將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為液壓信號(hào)，實(shí)現(xiàn)裝置驅(qū)動(dòng)的作用。超前支架具有多種姿態(tài)控制，包括前后立柱的升降、推移、伸縮，前梁、伸縮梁、側(cè)幫、頂梁的伸縮。超前支架與工作面支架采用了同樣的電液控制系統(tǒng)，兩套電液控制系統(tǒng)在通信方式上相同，這樣就形成了統(tǒng)一平臺(tái)的電液控制系統(tǒng)，所有的支架具備了協(xié)同調(diào)度的條件，工作人員只需通過按鍵即可實(shí)現(xiàn)拉架和移架，使得煤礦綜采工作面的支護(hù)安全水平顯著提升。

圖2 基于電液控制的遙控支架超前支護(hù)技術(shù)原理圖

4 結(jié)論

液壓支架電液控制系統(tǒng)是一種集多種技術(shù)于一體的復(fù)雜控制系統(tǒng)，相較于傳統(tǒng)的直接控制，具有節(jié)省人工、控制方式靈活、數(shù)據(jù)透明等優(yōu)點(diǎn)，對(duì)于井下綜采工作面的安全具有重要意義。電液控制系統(tǒng)的發(fā)展方向是智能化和精確化。在超前支護(hù)中，電液控制能夠提升巷道頂板的支護(hù)能力和自動(dòng)化程度，從而提升采煤效率。