采煤機電液比例調高液壓系統(tǒng)優(yōu)化研究

劉彥杰

（山西煤炭進出口集團 洪洞陸成煤業(yè)有限公司，山西 臨汾 041600）

1 概 況

陸成煤業(yè)井田面積為11.09 km2，可開采儲量為1 788.7 萬t，正開采的9+10 號煤層可開采儲量為215.5 萬t?，F(xiàn)場使用MG300 型采煤機，采用開關閥控缸調高系統(tǒng)，主要依靠經驗豐富的工人進行手動操作。近幾年，陸成煤業(yè)因采煤機滾筒的位置調整不合適，在截割時引發(fā)火花造成1 次瓦斯爆炸；采煤機在啟動初期受慣性作用會加速沖擊煤層，采煤機下滑或傾斜造成2 次重大煤礦事故。因此，提出引入一種新型調高系統(tǒng)，實現(xiàn)采煤機搖臂動態(tài)調整與精準控制。

2 原采煤機調高液壓系統(tǒng)

首先對陸成煤業(yè)正在使用的調高液壓系統(tǒng)進行分析，減少不必要調整。開關閥控缸調高系統(tǒng)原理如圖1 所示。實現(xiàn)采煤機高度調節(jié)操作的核心部件為換向閥組，由部件4 電磁換向閥與部件5 手動換向閥組成。

圖1 采煤機調高液壓系統(tǒng)原理Fig.1 Principle of shearer height adjustment hydraulic system

采煤機搖臂按軌跡調整時，可通過手動直接操作部件5，也可使用遙控器驅動部件4 兩種方式實現(xiàn)。當部件5 手動調整到閥門最左側，此時P/A 與B/O 口連接，部件2 調高泵內的油液在壓力作用下通過部件5 與部件6，進入部件10 調高油缸內；同時部件7 單向閥打開，有桿腔側油液回到油箱，搖臂向下調整。反之，當部件5 手動調整到閥門最右側時，在高壓油液作用下，采煤機搖臂向上調整。當通過遙控器操作部件4 時，發(fā)出不同遙控指令，部件4 可實現(xiàn)對部件5 的向左或向右調整，完成搖臂向下或向上調節(jié)。采煤機搖臂位置保持時，手動換向閥5 閥芯恢復到初態(tài)，此時部件2 調高泵高壓油液不再進入部件10 中，雙向液壓保持不變，實現(xiàn)搖臂的位置保持。

這套調高液壓系統(tǒng)的手動換向閥與電磁換向閥組合雖然可實現(xiàn)遙控控制，但對設備的運行狀況仍舊通過經驗判斷，且結構相對復雜，增加了維護成本與故障發(fā)生概率。該類型采煤機調高系統(tǒng)控制屬于開環(huán)控制，跟蹤響應速度與控制精度也比較差。而且需要說明的是，陸成煤業(yè)實際使用的MG300型采煤機調高系統(tǒng)比圖1 所示要復雜，在實際應用中經常出現(xiàn)各種問題，因此決定對采煤機調高系統(tǒng)進行優(yōu)化改進，提出基于PID 閉環(huán)控制的電液比例調高系統(tǒng)，具有更強的控制能力，換向閥組結構也得到簡化，抗污染性能突出，后期運維保養(yǎng)也具有一定優(yōu)勢。

3 電液比例調高液壓系統(tǒng)改造方案

閉環(huán)控制的改造方法是通過在搖臂活塞桿位置加裝位移傳感器，采用電液比例方向閥代替原有的液壓換向閥，提升控制精度，位移偏差可控制在0.02 mm 以內。圖2 所示為電液比例方向閥控缸系統(tǒng)實現(xiàn)原理。位移傳感器將采集到的位移信號經模/數(shù)轉換，位移量與目標量的差值作為誤差信號反饋到控制器的輸入端，再通過控制器對方向閥進行動態(tài)調整，改變閥門口的油液流量，達到調整搖臂方向與速度控制的目的。

圖2 基于PID的閉環(huán)電液比例閥控缸系統(tǒng)Fig.2 Closed-loop electro-hydraulic proportional valve controlled cylinder system based on PID

4 仿真模擬實驗

為了進一步驗證電液比例方向閥控缸系統(tǒng)的快速跟蹤響應能力與控制精度，采用基于ADAMS 與AMESim 軟件的仿真實驗進行分析。

4.1 基于ADAMS 軟件的動力學仿真模型構建

ADAMS 軟件是常用的仿真三位模型構圖軟件，在此次采煤機仿真模型構建過程中，首先需要建立實物3D 模型，然后再進一步建立動力學模型。

（1） 建立實物3D 模型。對部分非關鍵部件與參數(shù)進行合理簡化，忽略采煤機搖臂傳動單元，且將采煤機質量、搖臂質量、搖臂長度值視為恒定。簡化后，建模涉及的部件包括滾筒、搖臂、采煤機機體、調高油缸。采用SolidWorks 對采煤機進行3D 建模，并將裝配、干涉查驗過后的裝配體保存為Parasolid(.x_t)格式。

（2） 建立動力學模型。將實物3D 模型的Parasolid(.x_t)格式文件放置在Adares／View 文件夾下，陸成煤業(yè)MG300 型采煤機調高系統(tǒng)工作主要為單滾筒一次采全高方式循環(huán)運動，故將后滾筒側的調高零部件做簡化處理，與機身連接，并通過固定副進行約束。綜合考慮仿真復雜度、實驗有效性等因素，將部分物理約束由低副約束替換為高副約束，涉及零部件有采煤機搖臂、活塞、缸體等。

設定動力學模型的狀態(tài)變量為y0、運行收到的力為F0、運行速度為v0。其中y0取恒定值0，F(xiàn)0可由公式MOTION(M-1，0，3，M-2)來表示，M-1代表搖臂活塞的圓柱副，0 代表Firs-Body，3 代表搖臂活塞圓柱副的橫向力F0，M-2 代表圓柱副所受力的參考系。

ADAMS 軟件對圓柱副所受力F0進行約束推導，得到的輸出信號進入AMESim 軟件中完成對調高液壓缸的控制。上述動作全部完成后，由ADAMS 軟件的控制模塊生成接口文件保存在存儲器中，文件類型為.inf。

4.2 基于AMESim 軟件的調高液壓系統(tǒng)模型構建

基于AMESim 軟件對基于PID 的閉環(huán)控制系統(tǒng)進行仿真建模與分析驗證，通過預先設定的約束關系，得到不同動作下的油缸運動速度。將ADAMS 軟件控制模塊生成的.inf 類型接口文件輸入到AMESim，實現(xiàn)2 個軟件的信息同步，協(xié)同工作實現(xiàn)對受力F0與運行速度v0的實時動態(tài)調整，最終完成采煤機調高系統(tǒng)仿真實驗。

基于ADAMS 與AMESim 的采煤機調高系統(tǒng)閉環(huán)控制如圖3 所示。根據(jù)陸成煤業(yè)實際工作情況，給定的調高泵轉速為1 080 r/min，比例方向閥的閥腔直徑為6 mm，閥桿半徑為2 mm，彈簧的彈性剛度為100 N/mm，設定換向閥移動過程中受到的摩擦力為60 N，執(zhí)行油缸的工作最大位移為0.30 m，其內徑尺寸140 mm，活塞的直徑為100 mm，負載質量物體的重量為6 kg，液壓系統(tǒng)給定油壓為8 MPa，液控單向閥的啟動油壓為0.3 MPa。

圖3 聯(lián)合仿真系統(tǒng)的模型Fig.3 Model of co-simulation system

4.3 仿真結果分析

電液比例方向閥控缸系統(tǒng)仿真模擬時，在活塞桿上升時，無桿腔入口與有桿腔出口的油液流量相對恒定；在活塞桿下降時，無桿腔側的油液流量與壓力出現(xiàn)了較大的波動，會使得調高系統(tǒng)活塞桿的速度出現(xiàn)波動，部分甚至產生明顯抖動。加速狀態(tài)下或收到阻力過大時，設備抖動導致控制精度下降、故障發(fā)生概率增加，為了降低活塞桿下降帶來的負面作用，對設計的新系統(tǒng)再次進行優(yōu)化改進。

抖動的產生主要是由于無桿腔側流量與壓力發(fā)生了較大變化引起，而引起變化的原因則是該側對應的單向閥高頻率的開閉操作。為了解決這一問題，選擇引入單向節(jié)流閥，對油液的流量波動與壓力波動進行有效抑制。單向節(jié)流閥加裝在無桿腔側單向缸與液壓缸之間，閥門口徑3 mm。

聯(lián)合仿真實驗以AMESim 為主，設定AMESim的通信步長為0.05 s，對應的ADAMS 輸出信號步長與前者一致，保證軟件互聯(lián)同步，信息交互正常。取仿真實驗的總時長為12 s，每隔0.05 s 記錄油缸閥門流量與對應壓力值。對比未加裝單向節(jié)流閥與加裝節(jié)流閥對活塞桿下降時抖動抑制效果，仿真結果如圖4 所示。

圖4 只增加單向節(jié)流閥調節(jié)下無桿腔的動態(tài)變化情況Fig.4 The dynamic change of rodless chamber under the regulation of one-way throttle valve is only increased.

通過圖4 可以看出，增加單向節(jié)流閥后，第5～8 s 的油液流量與壓力均得到明顯抑制，跟蹤響應速度也相應提高。

由仿真分析結果可知，增加單向節(jié)流閥能確保搖桿抖動振幅得到有效抑制，但仍有約2 s 左右的小幅度波動。為了進一步消除抖動，引入單向阻尼器，安裝在調高系統(tǒng)液壓油回路上，便于穩(wěn)定油壓、控制流量。

取仿真實驗的總時長為12 s，每隔0.05 s 記錄油缸閥門流量與對應壓力值。加裝單向節(jié)流閥與單向阻尼器測試活塞桿下降時抖動抑制效果如圖5 所示，可以看出當搖臂在第5 s 開始下降時，閥芯位移幅值得到有效抑制。

通過加裝單向換向閥與單向阻尼器，電液比例調高系統(tǒng)性能得到有效改善，搖臂下降過程產生的抖動減小、跟蹤精度提升、控制能力增強。

圖5 增加單向阻尼器后閥芯的動態(tài)變化情況Fig.5 Dynamic change of spool after adding unidirectional damper

5 現(xiàn)場應用

將設計的電液比例調高系統(tǒng)在陸成煤業(yè)進行實際應用，每間隔200 ms 進行一次數(shù)據(jù)采集，采集點共500 個，得到600 個采煤機滾筒高度值。通過比較，液壓調高系統(tǒng)的調高誤差在0.07 m 以內，系統(tǒng)穩(wěn)定性較好，現(xiàn)場效果如圖6 所示。工作面累計推進240 m，總產量16 萬t，最高日推進8.8 m，月產量6.39 萬t，月產量增加2.36 萬t，工作人員由18 人/班減少到10 人/班，降低了維修工作量，節(jié)約了生產成本，減少了事故發(fā)生率。

圖6 現(xiàn)場效果圖Fig.6 Field effect diagram

6 結 語

陸成煤業(yè)通過引入電液比例方向閥作為核心元器件，結合PID 控制策略實現(xiàn)了對調高動作的閉環(huán)控制，相較于前期的手動、遙控的開環(huán)控制方式，跟蹤響應能力與控制精度都得到改善。針對電液比例技術引入存在的搖臂下降抖動問題，通過增加單向方向閥與單向阻尼閥，可明顯減少抖動幅值與抖動時長，通過觀測，液壓調高系統(tǒng)的調高誤差控制在0.07 m 以內。現(xiàn)場應用表明，優(yōu)化后的調高系統(tǒng)誤差在0.07 m 以內，降低了維修工作量，節(jié)約了生產成本，減少了事故發(fā)生率。