基于電液比例閥控制的采煤機(jī)自動(dòng)調(diào)高液壓系統(tǒng)的研究

史彥軍

（山西西山晉興能源有限公司斜溝煤礦， 山西 呂梁 033602）

引言

采煤機(jī)是礦井煤炭機(jī)械化開(kāi)采最關(guān)鍵的設(shè)備，也是保證井下煤炭開(kāi)采安全、高產(chǎn)高效和改善綜采作業(yè)面的最重要的技術(shù)設(shè)備。采煤機(jī)的自動(dòng)控制包括兩部分，即牽引和滾筒升降的控制。滾筒的自動(dòng)升降控制是指采煤機(jī)在實(shí)際開(kāi)采中，可根據(jù)煤層高度的變化來(lái)調(diào)整前后滾筒的位置，而傳統(tǒng)的采煤機(jī)調(diào)高則是通過(guò)手動(dòng)調(diào)高以及操作工人手持遙控器或者借助端頭操作來(lái)完成升降動(dòng)作。由于井下工作灰塵大且能見(jiàn)度低，僅僅依靠肉眼觀察割煤時(shí)搖臂的擺動(dòng)狀態(tài)、煤介質(zhì)的飛濺情況，并無(wú)法準(zhǔn)確判定割煤的實(shí)際情形，也無(wú)法及時(shí)對(duì)滾筒高度做出調(diào)整，因此時(shí)常會(huì)出現(xiàn)割頂梁、鏟煤板等不良現(xiàn)象，且截割的巖石混在原煤中會(huì)降低煤炭產(chǎn)品的質(zhì)量，此外，還會(huì)造成截齒和滾筒的急劇磨損，不安全事故時(shí)有發(fā)生[1]。因此，滾筒調(diào)高系統(tǒng)作為采煤機(jī)的關(guān)鍵組成部件，有必要對(duì)其自動(dòng)調(diào)高技術(shù)進(jìn)行研究，本文應(yīng)用電液比例閥控制的調(diào)高液壓系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)在煤層高度范圍內(nèi)滾筒高度隨意上下調(diào)整，以滿足復(fù)雜煤層的變化需求，從而獲得最佳的割煤效果和最大的回采率，進(jìn)而提高煤炭產(chǎn)品的質(zhì)量。

1 電液比例閥控制的自動(dòng)調(diào)高液壓系統(tǒng)介紹

電液比例閥可以實(shí)現(xiàn)對(duì)液壓參數(shù)的管控，多應(yīng)用于開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)中，也可作為放大組件和信號(hào)轉(zhuǎn)換部件用于閉環(huán)控制系統(tǒng)中。電液比例閥控制系統(tǒng)包括：指令元件、控制算法、比例放大器、電液比例閥、液壓執(zhí)行元件、檢測(cè)反饋元件等。電液比例閥控制系統(tǒng)特征：采用比例控制模式的液壓執(zhí)行元件，通過(guò)改變?cè)壤禂?shù)來(lái)控制系統(tǒng)，且輸入信號(hào)的不同變化也是通過(guò)元件的線形跟蹤來(lái)進(jìn)行控制，從而實(shí)現(xiàn)輸出信號(hào)對(duì)輸入信號(hào)的線性響應(yīng)。電液比例閥控制系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)：控制精度高，在煤礦實(shí)際生產(chǎn)中可完全滿足液壓系統(tǒng)的要求，且成本低[2]。

電液比例閥控制的自動(dòng)調(diào)高液壓系統(tǒng)的工作過(guò)程：在液壓泵的動(dòng)力作用下，液壓油經(jīng)過(guò)濾器后從油箱進(jìn)入控制系統(tǒng)，形成動(dòng)力源，為整個(gè)調(diào)高液壓系統(tǒng)提供所需的動(dòng)力；在對(duì)電液比例閥左位通電時(shí)，液壓油經(jīng)過(guò)液壓鎖進(jìn)入到系統(tǒng)液壓油缸的無(wú)桿腔，對(duì)液壓缸內(nèi)的流量體積產(chǎn)生影響變化；隨后活塞桿移至右端，有桿腔液壓油經(jīng)過(guò)液壓鎖、安全閥回落至油箱，使液壓油缸持續(xù)運(yùn)動(dòng)而頂出，即完成采煤機(jī)自動(dòng)調(diào)高動(dòng)作。在液壓油缸達(dá)到預(yù)期高度的情況下，液壓鎖、安全閥可以將壓力持續(xù)保持在一個(gè)恒定值，從而保證采煤機(jī)滾筒也穩(wěn)定在一定位置上。當(dāng)對(duì)電液比例閥切斷電源時(shí)，經(jīng)過(guò)調(diào)高油缸的無(wú)桿腔，液壓油流回到油箱，液壓缸活塞桿收回，滾筒下降動(dòng)作完成[3]。其工作原理示意圖如圖1 所示。

圖1 基于電液比例閥控制的調(diào)高液壓系統(tǒng)的原理圖

2 電液比例閥控制的自動(dòng)調(diào)高液壓系統(tǒng)模擬分析

2.1 電液比例閥電流與流量的特性分析

首先，為確定本文設(shè)計(jì)應(yīng)用的電液比例閥能否滿足煤礦工程生產(chǎn)需求，可通過(guò)觀測(cè)其實(shí)際工作中零位死區(qū)的范圍大小來(lái)實(shí)現(xiàn)。由于受彈簧剛度及閥口開(kāi)啟量的大小影響，電液比例閥會(huì)產(chǎn)生約20%的死區(qū)間范圍，在此期間，油液在一定時(shí)間范圍內(nèi)并不流通，即此時(shí)電液比例換向閥不連通[4]。本文設(shè)計(jì)的是在額定電流的10%～20%時(shí)，電液比例換向閥幾乎無(wú)油液流過(guò)，電液比例換向閥電流與流量的特性曲線如圖2 所示。因此，本文設(shè)計(jì)采用的電液比例閥自動(dòng)調(diào)高液壓系統(tǒng)滿足要求，可以使用。

圖2 電液比例閥電流與流量的特性變化曲線

2.2 自動(dòng)調(diào)高系統(tǒng)的油缸活塞位移情況分析

對(duì)于電液比例閥控制的自動(dòng)調(diào)高系統(tǒng)，選取的液壓缸、安全閥、液壓鎖、液壓泵、油箱等液壓元件均需保證調(diào)高液壓系統(tǒng)的正常使用。設(shè)定研究參數(shù)：模擬時(shí)間10 s，步長(zhǎng)0.1 s，設(shè)定信號(hào)位移0.5 m，對(duì)采煤機(jī)調(diào)高系統(tǒng)的油缸活塞位移進(jìn)行跟蹤，并觀察其位移變化量，得到圖3 所示的曲線圖。

圖3 液壓油缸活塞跟蹤位移的變化曲線圖

從圖3 中可知，對(duì)于采煤機(jī)滾筒的自動(dòng)調(diào)高進(jìn)程，控制系統(tǒng)的流量在逐漸減少，液壓油缸活塞桿的位移量隨時(shí)間的增大先線性增加后趨于穩(wěn)定，可見(jiàn)液壓油缸活塞桿可快速平穩(wěn)地達(dá)到設(shè)定位移0.5 m處的位置，即在時(shí)間7.8 s 時(shí)，液壓油缸活塞桿的位移穩(wěn)定到0.5 m 的位置。

2.3 液壓油缸活塞桿的運(yùn)動(dòng)情況分析

分析電液比例閥控制的調(diào)高液壓系統(tǒng)在承受負(fù)載的作用下，模擬液壓油缸活塞桿的運(yùn)動(dòng)情況。在設(shè)定研究參數(shù)是模擬時(shí)間0.5 s，步長(zhǎng)0.01 s，對(duì)采煤機(jī)自動(dòng)調(diào)高系統(tǒng)的油缸活塞響應(yīng)速度進(jìn)行分析，得到如圖4 所示的曲線圖。

圖4 液壓油缸活塞響應(yīng)速度的變化曲線圖

從圖4 中可得出，采煤機(jī)在自動(dòng)調(diào)高過(guò)程中，在0.5 s 的時(shí)間區(qū)間內(nèi)，曲線由比例環(huán)節(jié)變化后趨于穩(wěn)定，最后穩(wěn)定增至0.05 m/s，且在0.2 s 時(shí)，液壓油缸活塞的響應(yīng)速度開(kāi)始趨于穩(wěn)定。因此，基于電液比例閥對(duì)于系統(tǒng)流量的控制，不僅短時(shí)間內(nèi)就可達(dá)到預(yù)定的速度值，也可保證采煤機(jī)自動(dòng)調(diào)高系統(tǒng)的穩(wěn)定。

2.4 模擬結(jié)果分析

從上述液壓油缸活塞桿的位移量和響應(yīng)速度分析結(jié)果來(lái)看，電液比例閥控制的自動(dòng)調(diào)高液壓系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確地控制系統(tǒng)的流量，也能夠保證油缸活塞桿穩(wěn)定快速地達(dá)到預(yù)設(shè)值，也就是說(shuō)，電液比例閥控制的液壓系統(tǒng)能夠快速精確地控制采煤機(jī)滾筒的調(diào)高，提高煤礦開(kāi)采的效率和煤炭產(chǎn)品質(zhì)量。

3 結(jié)論

1）液壓油缸活塞桿的位移量隨時(shí)間的增大先線性增加后趨于穩(wěn)定，當(dāng)?shù)竭_(dá)7.8 s 時(shí)，液壓油缸活塞桿穩(wěn)定在0.5 m 的位置處。

2）液壓油缸活塞桿的響應(yīng)速度隨時(shí)間的增大呈先比例環(huán)節(jié)變化后趨于穩(wěn)定，當(dāng)?shù)竭_(dá)0.2 s 時(shí)，液壓油缸活塞的響應(yīng)速度穩(wěn)定在0.05 m/s。

3）綜合可得出，電液比例控制的液壓系統(tǒng)能夠快速精確地控制采煤機(jī)滾筒的調(diào)高。