采煤機(jī)自動(dòng)調(diào)節(jié)截割技術(shù)研究

張宇棟

（西山煤電集團(tuán)東曲礦， 山西 古交 030200）

引言

目前，我國大多數(shù)煤礦所使用的采煤機(jī)自動(dòng)化程度較低，無法完成自適應(yīng)的截割作業(yè)要求，只能在綜采面安排專人采用人工觀察的方法控制采煤機(jī)的截割作業(yè)，由于綜采面工作環(huán)境極端惡劣、噪聲大、粉塵度高，操作人員很難通過“眼觀耳聽”的方法來判斷采煤機(jī)的截割滾筒是否觸及到巷道的頂板或者地板，滾筒調(diào)節(jié)滯后性差。而作為綜采面的核心關(guān)鍵設(shè)備，采煤機(jī)的自動(dòng)化截割是實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)、刮板輸送機(jī)、液壓支架三機(jī)聯(lián)合自動(dòng)控制的必要條件[1]。

1 采煤機(jī)的結(jié)構(gòu)組成

采煤機(jī)主要包括左右截割機(jī)構(gòu)、牽引機(jī)構(gòu)、連接機(jī)構(gòu)、液壓箱、電控結(jié)構(gòu)等。其中截割機(jī)構(gòu)主要包括搖臂、截割滾筒、執(zhí)行電機(jī)三大機(jī)構(gòu)，執(zhí)行電機(jī)通過傳動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)截割滾筒進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，在截割滾筒上面分布著不等數(shù)量的截割齒，用于對煤層的截割，搖臂機(jī)構(gòu)通過液壓缸的控制進(jìn)行伸縮，進(jìn)而控制整體截割機(jī)構(gòu)的升降作業(yè)，在截割機(jī)構(gòu)內(nèi)部還設(shè)置有水冷降溫裝置，用于降低截割部分在工作時(shí)的溫度。

2 采煤機(jī)自適應(yīng)截割系統(tǒng)構(gòu)成

在綜采面進(jìn)行調(diào)高、牽引及推溜的過程中，推溜作業(yè)是在采煤機(jī)截割作業(yè)之前，采煤機(jī)的滾筒高度的調(diào)整及牽引作業(yè)是和采煤機(jī)的截割作業(yè)同時(shí)進(jìn)行的。因此可以說采煤機(jī)的滾筒高度調(diào)整及牽引作業(yè)是采煤機(jī)在井下巷道內(nèi)工作時(shí)的最核心動(dòng)作，采煤機(jī)滾筒高度的調(diào)整是在采煤機(jī)調(diào)高油缸的控制下進(jìn)行的，采煤機(jī)的牽引調(diào)速則是對應(yīng)于采煤機(jī)牽引電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制。采煤機(jī)要實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)截割，基本的一點(diǎn)要求就是采煤機(jī)在工作過程中當(dāng)截齒切割到巷道的巖壁后能夠自動(dòng)對搖臂的伸出高度進(jìn)行調(diào)節(jié)，避免長時(shí)間切割巖石造成電機(jī)的堵轉(zhuǎn)、發(fā)熱、斷齒等。而隨著科技和應(yīng)用材料技術(shù)的發(fā)展及大功率驅(qū)動(dòng)電機(jī)的廣泛應(yīng)用，目前大部分采煤機(jī)的截齒一般均可對巖壁進(jìn)行截割作業(yè)。為了提高采煤機(jī)截齒的使用壽命，在自適應(yīng)截割方案中，在控制系統(tǒng)中設(shè)置了多種組合傳感器設(shè)備，使其能夠自動(dòng)判斷采煤機(jī)滾筒的工作狀態(tài)，在觸碰到巖壁后能夠根據(jù)作用于電機(jī)上的截割阻力，自動(dòng)判斷該巖壁能否自動(dòng)進(jìn)行截割，若巖壁硬度較小，則自動(dòng)采用降速截割方式進(jìn)行直接切割，若巖壁的硬度較大，則自動(dòng)調(diào)節(jié)滾筒的高度進(jìn)行自動(dòng)避讓切割[2]，在該控制邏輯下不僅能夠大幅提高截齒的使用壽命而且可以極大提高煤炭的采集效率，該采煤機(jī)自適應(yīng)截割的控制流程如圖1所示。

圖1 采煤機(jī)的自動(dòng)截割控制原理

采煤機(jī)運(yùn)行時(shí)，其PLC控制系統(tǒng)首先會(huì)檢測其所處的控制模式，如果是在手動(dòng)控制模式下，則由采煤機(jī)的控制人員手動(dòng)控制采煤機(jī)的運(yùn)行，此時(shí)采煤機(jī)自動(dòng)對路徑進(jìn)行跟蹤記憶；若在自動(dòng)控制模式下，則采煤機(jī)自動(dòng)讀取路徑跟蹤數(shù)據(jù)，在路徑跟蹤模式下自動(dòng)控制運(yùn)行，此時(shí)若采煤機(jī)截齒處所承受的截割負(fù)載出現(xiàn)異常，則控制系統(tǒng)根據(jù)所受到的截割負(fù)載的大小，自動(dòng)判斷是降速截割還是進(jìn)入自適應(yīng)控制模型，根據(jù)設(shè)備當(dāng)前的運(yùn)行狀況進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)整。

該系統(tǒng)的自適應(yīng)調(diào)節(jié)控制的依據(jù)是采煤機(jī)在路徑跟蹤模式下，調(diào)節(jié)煤壁作用在采煤機(jī)截齒上的截割負(fù)載的大小，系統(tǒng)的調(diào)整對象則是采煤機(jī)的牽引速度和截割滾筒的工作高度。在截割滾筒進(jìn)行截割作業(yè)時(shí)，若其截割到巖壁則會(huì)造成截割電機(jī)的電流、溫度迅速增加并超出系統(tǒng)設(shè)定的警戒點(diǎn)。根據(jù)試驗(yàn)采集的數(shù)據(jù)表明，采煤機(jī)的截割負(fù)載和其截割電機(jī)的輸入電流之間有著一定的對應(yīng)關(guān)系[3]，在利用實(shí)際測定的數(shù)值建立了截割電流和截割負(fù)載之間的對應(yīng)關(guān)系后，就可以根據(jù)電流傳感器監(jiān)測到的輸入電流的大小自動(dòng)計(jì)算出作用于截齒上的負(fù)載的大小，當(dāng)其負(fù)載值超過警戒設(shè)定值后，就可以判斷截齒已經(jīng)接觸到了巖壁，此時(shí)系統(tǒng)會(huì)先降低采煤機(jī)的牽引速度，若在設(shè)定的時(shí)間范圍內(nèi)截割電流能夠恢復(fù)到正常范圍，則系統(tǒng)會(huì)控制直接降速切割，如果超出設(shè)定時(shí)間后截割電流依舊處于高位，則系統(tǒng)會(huì)控制調(diào)整截割滾筒的高度。調(diào)整后若采煤機(jī)的負(fù)載依舊無法恢復(fù)則系統(tǒng)會(huì)發(fā)出報(bào)警，請求人工進(jìn)行判定調(diào)整，從而確保自適應(yīng)調(diào)整的可靠性和穩(wěn)定性。

3 采煤機(jī)自適應(yīng)截割系統(tǒng)整體構(gòu)架

為了確保采煤機(jī)自適應(yīng)控制系統(tǒng)的可靠性及使用壽命，在進(jìn)行該控制系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，根據(jù)其分布結(jié)構(gòu)的不同將其分為地面控制模塊、井下順槽控制模塊及綜采面控制模塊。工作面控制模塊與井下順槽控制模塊之間采用了基于無線傳輸技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)進(jìn)行信息和數(shù)據(jù)的交互，再將順槽模塊內(nèi)的控制器和井下的光纖環(huán)網(wǎng)連接，并與地面控制單元的調(diào)度室內(nèi)的控制設(shè)備相互連接。之所以將工作面控制單元與順槽控制單元之間采用無線傳輸技術(shù)，是由于綜采面高濕、高塵的惡劣環(huán)境，同時(shí)由于采煤機(jī)在不斷移動(dòng)，還要考慮防爆和防水問題，采用有線連接時(shí)不僅布線難度極大而且在后續(xù)使用過程中又易造成傳輸電纜的折損等，影響信息傳輸?shù)目煽啃訹4]，而無線網(wǎng)絡(luò)完全無線布線，安裝位置靈活，便于維護(hù)和保養(yǎng)。為了確保無線傳輸?shù)目煽啃裕瑢o線網(wǎng)絡(luò)采用了冗余設(shè)計(jì)，同時(shí)布置了備用模塊，確保系統(tǒng)內(nèi)信息傳輸?shù)目煽啃浴⒓皶r(shí)性及準(zhǔn)確性。采煤機(jī)自適應(yīng)截割系統(tǒng)整體構(gòu)架如圖2所示。

圖2 采煤機(jī)的自動(dòng)截割控制系統(tǒng)總體構(gòu)架

4 結(jié)語

采煤機(jī)工作時(shí)的截割效率直接影響著綜采面的采煤機(jī)的工作效率，是實(shí)現(xiàn)井下綜采面生產(chǎn)“自動(dòng)化”的重要條件。采煤機(jī)的自適應(yīng)截割技術(shù)能自動(dòng)對采煤機(jī)滾筒的截割角和截割高度進(jìn)行調(diào)節(jié)，完成自動(dòng)落煤的任務(wù)，可實(shí)現(xiàn)綜采面的自動(dòng)化、信息化和少人化。

[1]張俊梅，范迅，趙雪松.采煤機(jī)自動(dòng)調(diào)高控制系統(tǒng)研究[J].中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2002，31（7）：415-418．

[2]廉自生，劉混舉，李文英.基于切割力響應(yīng)的煤巖界面識(shí)別技研究[J].山西機(jī)械，1999，103（3）：25-27．

[3]張福建.電牽引采煤機(jī)記憶截割控制策略的研究[D].北京：煤炭科學(xué)總院，2007．

[4]方新秋，何杰，張斌，等.無人工作面采煤機(jī)自主定位系統(tǒng)[J].西安科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，28（2）：349-353．