礦井采煤機滾筒高度調(diào)節(jié)的滑?？刂葡到y(tǒng)研究

閆志敏

（晉能控股集團同發(fā)東周窯煤業(yè)有限公司， 山西 大同 037100）

引言

長壁開采是一種特殊的開采方法，具有較高的煤炭生產(chǎn)率并可保持平穩(wěn)運行的特點。滾筒采煤機是長壁采煤設備中常用的機械設備。采煤機自動化作為綜采工作面的關鍵設備，其實現(xiàn)自動化的關鍵是實現(xiàn)滾筒的自動調(diào)整。采煤機滾筒高度自動調(diào)節(jié)的最大問題是如何使采煤機滾筒自動適應煤層頂?shù)椎牟▌?，以獲得最大的產(chǎn)煤量，盡可能避免切割頂?shù)讕r石，保護輸送系統(tǒng)，同時又具有高效的經(jīng)濟性和安全性。目前，為了自動適應煤層頂?shù)装宓牟▌樱瑥V泛采用了采煤機滾筒記憶切割技術，以避免頂板煤層厚度測量和煤巖界面識別技術等技術難題。本文提出了一種在復雜工況下采用變速指數(shù)趨近律的滑動模式控制策略，該策略以記憶采煤機截割信息作為采煤機截割高度的判據(jù)，具有較好的快速性、穩(wěn)定性和準確性[1]。該控制策略不僅可以通過調(diào)整和改變控制器結(jié)構(gòu)，有效地克服系統(tǒng)的不確定性和外部負載的干擾，而且可以實現(xiàn)滾筒高度調(diào)節(jié)的控制，具有快速、穩(wěn)定、準振動和抖振小的優(yōu)點。

1 采煤機結(jié)構(gòu)簡介

常見的采煤機包含電動機、液壓設備和安裝在機身的控制裝置組成。水平切割滾筒安裝在機器的正面，裝有切割鎬并在平行于工作面的平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)。在切割滾筒旋轉(zhuǎn)時將懸臂推向工作面，并且采煤機沿工作面移動，則它能夠切入工作面的整個開采寬度，沿著懸臂伸縮方向移動。一旦完全進入開采面，采煤機可以覆蓋至切割面的整個長度范圍。

最初設計的采煤機有一個剛性連接到機器主體的單個滾筒，因此具有固定的切割高度，并且必須能夠使機器主體的一端越過工作面邊緣以切割整個長度。隨后的設計發(fā)展看到切割滾筒安裝在液壓操作臂上以改變可能的切割高度，并安裝第二個切割滾筒。這種機器被稱為“雙滾筒采煤機”，幾乎是現(xiàn)在使用的唯一類型的采煤機，“采煤機”通常指這種雙滾筒式的采煤機。雙滾筒布置還允許安裝較小的滾筒，同時覆蓋更多的開采高度，可以一次切割每個滾筒的接縫部位。

作為兩個單獨的切割通道，滾筒搖臂允許改變切割高度，提升開采的效率。本文以AGHG-34jH 型采煤機為研究對象，基本結(jié)構(gòu)如圖1 所示。整機主要包括截割部、牽引部和中間箱三個部分[2]。

圖1 AGHG-34jH 型采煤機結(jié)構(gòu)示意圖

2 采煤機滾筒高度調(diào)節(jié)系統(tǒng)建模

2.1 機- 電- 液多場耦合采煤機高度調(diào)節(jié)系統(tǒng)

采煤機滾筒高度調(diào)節(jié)系統(tǒng)主要包括滾筒截割傳動機構(gòu)和高度調(diào)節(jié)機構(gòu)。滾筒切割機構(gòu)由切割馬達、齒輪傳動系統(tǒng)、滾筒等組成，液壓調(diào)高機構(gòu)由驅(qū)動馬達、控制系統(tǒng)、液壓馬達和液壓缸組成。機- 電- 液耦合滾筒高度調(diào)節(jié)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖，如圖2 所示。

圖2 機- 電- 液耦合滾筒高度調(diào)節(jié)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 增加控制系統(tǒng)傳遞新路徑

采煤機高度調(diào)節(jié)系統(tǒng)的液壓控制電路圖，如圖3所示。它包括電液比例閥，高度調(diào)節(jié)泵，高度調(diào)節(jié)缸和雙向液壓鎖[3]。當采煤機高度調(diào)節(jié)系統(tǒng)工作時，控制器發(fā)射控制電壓（系統(tǒng)的輸入量），放大后獲得電流控制信號，控制節(jié)流面積相應改變。從而改變系統(tǒng)的流量來控制調(diào)節(jié)鼓的運動軌跡和提升速度。位移傳感器用于檢測氣缸活塞的位移，信號被轉(zhuǎn)換并與給定的目標進行比較，控制信號形成閉環(huán)控制系統(tǒng)。

圖3 采煤機調(diào)高系統(tǒng)液壓控制電路

2.3 趨近律滑?？刂破髟O計原則

趨近律滑模控制器的剪切運動狀態(tài)具有從起始位置到運動面的理想運動特性。滑動模式通?？梢源_保運動點僅在有限的時間內(nèi)到達開關表面，并且到達過程沒有局限性的規(guī)則。設計采煤機趨近律滑?？刂葡到y(tǒng)的基本原則包括兩個部分[4]：

1）假設采煤機根據(jù)波動系數(shù)調(diào)整系統(tǒng)的運行時間，使控制過程更加的穩(wěn)定，具有良好的運動狀態(tài)和工作效率；

2）設計滿足滑動模式可達性條件的滑動模式控制函數(shù)，在開關面上形成滑動模式區(qū)域，使控制系統(tǒng)更加穩(wěn)定和精確。

3 趨近律滑動模式控制的仿真分析

3.1 模擬仿真模型的建立

在趨近律滑模控制系統(tǒng)仿真研究中，本文基于Simulink 程序中的系統(tǒng)傳遞函數(shù)建立了仿真模型，并根據(jù)仿真結(jié)果對系統(tǒng)進行了修改，直到仿真系統(tǒng)的計算性能滿足使用的要求[5]。

基于模擬工況的液壓仿真模塊是Simulink 軟件的專業(yè)組件。仿真的基礎是構(gòu)建真實部件之間的邏輯組件，建立仿真真實系統(tǒng)，創(chuàng)建仿真框圖。建立仿真的物理模型，為了體現(xiàn)真實性，考慮非線性因素，如管道連通性、流體密度、彈性壓力、外部壓力、庫侖壓縮等[6]，并且根據(jù)邊界條件選擇系統(tǒng)的各種基本組件。在此基礎上，根據(jù)傳遞系統(tǒng)的控制功能設計和滑動機構(gòu)的控制功能，建立了滑動控制機構(gòu)的仿真模型，如圖4 所示。

3.2 仿真結(jié)果分析

由圖5 所示，趨近律滑?？刂坪蚉ID 控制在采煤機空載運行以及受到?jīng)_擊負載條件下處呈現(xiàn)出的波動有所不同。根據(jù)圖像顯示整體控制系統(tǒng)將在2～3 s 內(nèi)受到外部的載荷沖擊，由PID 系統(tǒng)調(diào)節(jié)下，整體的采煤機運動位移就會發(fā)生較大的偏差。然而通過趨近律滑模控制的系統(tǒng)就會將整體的位于曲線趨于穩(wěn)定。極小范圍內(nèi)發(fā)生偏差，不會對采煤機的工作效率造成影響。

圖5 兩種控制方法的對比分析

通過軟件將數(shù)據(jù)放大后，可以得趨近律滑模控制系統(tǒng)的波動率僅為PID 控制系統(tǒng)波動率的1/7。趨近律滑模控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)下，整體的偏差率僅為0.2%?？梢缘贸鲒吔苫？刂葡祵τ诓擅簷C外部的沖擊載荷有了明顯的抑制效果，更加適合在復雜惡劣的礦井中使用，滿足了采煤機的調(diào)高要求。

由下頁圖6 可知，趨近律滑?？刂票萈ID 控制在采煤機滾筒受到工作擾動時的變化范圍更小。從整體曲線來看，趨近律滑?？刂频那€更為平穩(wěn)和準確，采煤工作的時候，不會受到過大的載荷波動，保護了自身零部件不受破壞。由圖5 和圖6 分析得出了趨近律滑模控制車控制的抗干擾能力更強，更能滿足現(xiàn)代化采煤機工況的工作需求。

圖6 不同控制方法下滾筒負載曲線

4 結(jié)語

采煤機工作環(huán)境惡劣，重負荷突變條件下存在外部負荷干擾。對于電液比例伺服系統(tǒng)的液壓調(diào)節(jié)系統(tǒng)，使用傳統(tǒng)的PID 控制很難實現(xiàn)快速準確的控制。本文建立了采煤機高度調(diào)節(jié)缸的模型，比較分析了基于趨近律的滾筒高度調(diào)節(jié)滑動模式控制方法與傳統(tǒng)PID 控制方法的控制效果。結(jié)果表明，與傳統(tǒng)的PID控制相比，采用趨近律的滾子高度調(diào)節(jié)系統(tǒng)的滑動模式控制具有更強的抗干擾能力；采用變速趨近律提出的滑動模式控制策略不僅能實現(xiàn)液壓調(diào)高系統(tǒng)的快速、穩(wěn)定、精確的調(diào)高控制，而且能有效克服系統(tǒng)的不確定性和外部負載擾動的影響，其對復雜工況具有很強的適應性，能有效抑制傳統(tǒng)控制系統(tǒng)條件下的抖振。