采煤機自動調節截割技術研究

張宇棟

（西山煤電集團東曲礦， 山西 古交 030200）

引言

目前，我國大多數煤礦所使用的采煤機自動化程度較低，無法完成自適應的截割作業要求，只能在綜采面安排專人采用人工觀察的方法控制采煤機的截割作業，由于綜采面工作環境極端惡劣、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的截割滾筒是否觸及到巷道的頂板或者地板，滾筒調節滯后性差。而作為綜采面的核心關鍵設備，采煤機的自動化截割是實現采煤機、刮板輸送機、液壓支架三機聯合自動控制的必要條件[1]。

1 采煤機的結構組成

采煤機主要包括左右截割機構、牽引機構、連接機構、液壓箱、電控結構等。其中截割機構主要包括搖臂、截割滾筒、執行電機三大機構，執行電機通過傳動機構帶動截割滾筒進行旋轉，在截割滾筒上面分布著不等數量的截割齒，用于對煤層的截割，搖臂機構通過液壓缸的控制進行伸縮，進而控制整體截割機構的升降作業，在截割機構內部還設置有水冷降溫裝置，用于降低截割部分在工作時的溫度。

2 采煤機自適應截割系統構成

在綜采面進行調高、牽引及推溜的過程中，推溜作業是在采煤機截割作業之前，采煤機的滾筒高度的調整及牽引作業是和采煤機的截割作業同時進行的。因此可以說采煤機的滾筒高度調整及牽引作業是采煤機在井下巷道內工作時的最核心動作，采煤機滾筒高度的調整是在采煤機調高油缸的控制下進行的，采煤機的牽引調速則是對應于采煤機牽引電機的轉速控制。采煤機要實現自適應截割，基本的一點要求就是采煤機在工作過程中當截齒切割到巷道的巖壁后能夠自動對搖臂的伸出高度進行調節，避免長時間切割巖石造成電機的堵轉、發熱、斷齒等。而隨著科技和應用材料技術的發展及大功率驅動電機的廣泛應用，目前大部分采煤機的截齒一般均可對巖壁進行截割作業。為了提高采煤機截齒的使用壽命，在自適應截割方案中，在控制系統中設置了多種組合傳感器設備，使其能夠自動判斷采煤機滾筒的工作狀態，在觸碰到巖壁后能夠根據作用于電機上的截割阻力，自動判斷該巖壁能否自動進行截割，若巖壁硬度較小，則自動采用降速截割方式進行直接切割，若巖壁的硬度較大，則自動調節滾筒的高度進行自動避讓切割[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，該采煤機自適應截割的控制流程如圖1所示。

圖1 采煤機的自動截割控制原理

采煤機運行時，其PLC控制系統首先會檢測其所處的控制模式，如果是在手動控制模式下，則由采煤機的控制人員手動控制采煤機的運行，此時采煤機自動對路徑進行跟蹤記憶；若在自動控制模式下，則采煤機自動讀取路徑跟蹤數據，在路徑跟蹤模式下自動控制運行，此時若采煤機截齒處所承受的截割負載出現異常，則控制系統根據所受到的截割負載的大小，自動判斷是降速截割還是進入自適應控制模型，根據設備當前的運行狀況進行自適應調整。

該系統的自適應調節控制的依據是采煤機在路徑跟蹤模式下，調節煤壁作用在采煤機截齒上的截割負載的大小，系統的調整對象則是采煤機的牽引速度和截割滾筒的工作高度。在截割滾筒進行截割作業時，若其截割到巖壁則會造成截割電機的電流、溫度迅速增加并超出系統設定的警戒點。根據試驗采集的數據表明，采煤機的截割負載和其截割電機的輸入電流之間有著一定的對應關系[3]，在利用實際測定的數值建立了截割電流和截割負載之間的對應關系后，就可以根據電流傳感器監測到的輸入電流的大小自動計算出作用于截齒上的負載的大小，當其負載值超過警戒設定值后，就可以判斷截齒已經接觸到了巖壁，此時系統會先降低采煤機的牽引速度，若在設定的時間范圍內截割電流能夠恢復到正常范圍，則系統會控制直接降速切割，如果超出設定時間后截割電流依舊處于高位，則系統會控制調整截割滾筒的高度。調整后若采煤機的負載依舊無法恢復則系統會發出報警，請求人工進行判定調整，從而確保自適應調整的可靠性和穩定性。

3 采煤機自適應截割系統整體構架

為了確保采煤機自適應控制系統的可靠性及使用壽命，在進行該控制系統的整體結構設計時，根據其分布結構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的網絡系統進行信息和數據的交互，再將順槽模塊內的控制器和井下的光纖環網連接，并與地面控制單元的調度室內的控制設備相互連接。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，是由于綜采面高濕、高塵的惡劣環境，同時由于采煤機在不斷移動，還要考慮防爆和防水問題，采用有線連接時不僅布線難度極大而且在后續使用過程中又易造成傳輸電纜的折損等，影響信息傳輸的可靠性[4]，而無線網絡完全無線布線，安裝位置靈活，便于維護和保養。為了確保無線傳輸的可靠性，對無線網絡采用了冗余設計，同時布置了備用模塊，確保系統內信息傳輸的可靠性、及時性及準確性。采煤機自適應截割系統整體構架如圖2所示。

圖2 采煤機的自動截割控制系統總體構架

4 結語

采煤機工作時的截割效率直接影響著綜采面的采煤機的工作效率，是實現井下綜采面生產“自動化”的重要條件。采煤機的自適應截割技術能自動對采煤機滾筒的截割角和截割高度進行調節，完成自動落煤的任務，可實現綜采面的自動化、信息化和少人化。

[1]張俊梅，范迅，趙雪松.采煤機自動調高控制系統研究[J].中國礦業大學學報，2002，31（7）：415-418．

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

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

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