采煤機端頭記憶截割系統(tǒng)的試驗研究

聶龍飛

（西山煤電多種經(jīng)營總公司機電修造園區(qū)科技發(fā)展分公司， 山西 太原 030053）

引言

隨著煤炭開采自動化和智能化的發(fā)展，礦井開采效率日漸提高，同時開采技術(shù)的機械化水平也愈加成熟，以采煤機為主的割煤設備的自動化水平提高明顯。雖然各大礦井在開采過程中均實現(xiàn)了采煤機的自動割煤工作，但很少有對采煤機端頭自動截割系統(tǒng)的研究[1]。目前，在礦井工作面中部區(qū)間的自動截割控制中對記憶截割方式的應用較廣，但在工作面的端頭位置采煤機需要重復兩個進刀循環(huán)作業(yè)才可以實現(xiàn)斜切進刀割煤的工作，工作面中部的自動截割方式與端部的截割方式不匹配[2-3]，故對采煤機端頭記憶截割系統(tǒng)的研究尤為重要，對工作面端頭的開采以及礦井的可持續(xù)發(fā)展均具有重要意義。筆者進行了采煤機端頭記憶截割系統(tǒng)的試驗研究，通過上位機智能監(jiān)控系統(tǒng)對其中的各個模塊進行了功能分析，從而驗證端頭記憶截割系統(tǒng)的可行性。

1 試驗平臺介紹

本次試驗所搭建的上位機智能監(jiān)控系統(tǒng)包括上位機、操控臺、PLC控制系統(tǒng)以及制造的采煤機等效模型。研究的采煤機端頭記憶截割系統(tǒng)的各個模塊為定位模塊、負載平衡模塊、截割路徑記憶模塊以及跟蹤模塊。上位機可以實時監(jiān)測試驗時采煤機行走過程中的參數(shù)[4]；操控臺可以實現(xiàn)對采煤機行走的人工操控，具體內(nèi)容有采煤機的啟停、行走速率以及割煤高度等參數(shù)；PLC控制系統(tǒng)是采煤機動力的來源，具有高靈敏度以及擴展度的特點；本次試驗所用的采煤機模型與真實采煤機比例為1∶11，采煤機模型的調(diào)高原理以及運行原理等與真實采煤機如出一轍，在調(diào)高過程中可通過傾角傳感器采集搖臂姿態(tài)，而行走過程中也可以實現(xiàn)精確定位，上位機智能監(jiān)控系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 上位機智能監(jiān)控系統(tǒng)示意圖

在本次試驗中，PLC控制系統(tǒng)可以將采煤機行走割煤過程的參數(shù)傳輸?shù)缴衔粰C，上位機不僅可以對收到的信號進行處理和顯示，還可以對操控命令進行研究和處理，從而將控制命令傳輸?shù)絇LC控制系統(tǒng)中，實現(xiàn)對采煤機的控制。上位機主要顯示兩大部分：主要運行參數(shù)和控制命令，前者顯示了采煤機行走割煤過程的主要參數(shù)，后者實現(xiàn)對采煤機運行的操控，如圖2所示。

圖2 上位機顯示界面示意圖

2 試驗方案分析

本次試驗是為了通過上位機智能監(jiān)控系統(tǒng)對其中的各個模塊進行功能分析，從而驗證端頭記憶截割系統(tǒng)的可行性，故采集數(shù)據(jù)主要為采煤機的行走位置、采煤機搖臂傾角以及行走速率。試驗過程中，剛開始實驗員需要控制操控臺使得采煤機往返行走幾次，對采煤機在工作面端頭的正向割煤、反向斜切進刀以及又一次正向割煤過程進行模擬，從而對割三角煤工作進行初步分析；在模擬過程中PLC控制系統(tǒng)會采集到采煤機行走的位置以及采煤機姿態(tài)等數(shù)據(jù)，進而傳輸?shù)缴衔粰C，上位機對采煤機截割信息進行插補擬合后又傳輸?shù)絇LC控制系統(tǒng)中，然后采煤機會基于上位機發(fā)出的指令自動割煤，如圖3所示。

圖3 采煤機截割路徑跟蹤試驗示意圖

3 試驗結(jié)果分析

在實驗室模擬的采煤機端頭記憶截割路徑如圖4所示，從圖中可以看出，跟蹤路徑與目標路徑幾乎重合，說明采煤機端頭記憶截割的跟蹤路徑效果顯著，可以滿足采煤機的智能控制需求。

圖4 采煤機端頭記憶截割路徑示意圖

圖5 顯示了本次試驗采煤機行走過程中滾筒的調(diào)節(jié)狀況，圖4中采煤機機身位置在2m以內(nèi)采煤搖臂傾角逐步調(diào)高至穩(wěn)定，對應圖5中的（a）和（b），也就是采煤機在工作面端頭正向截割過程（調(diào)高左滾筒和下降右滾筒）；采煤機機身位置在2～4 m之間搖臂傾角逐步下調(diào)，對應圖5中的（c）和（d），也就是采煤機在工作面端頭反向斜切進刀割煤過程（下降左滾筒和調(diào)高右滾筒）；采煤機機身位置在4 m之后搖臂傾角先升后降，對應圖5中的（e）和（f），也就是采煤機在工作面端頭又一次正向割煤過程（下降右滾筒和調(diào)高左滾筒）。

圖5 采煤機行走過程中滾筒的調(diào)節(jié)狀況示意圖

4 工業(yè)性試驗分析

為了驗證上述試驗結(jié)果的準確性和可行性，在山西某礦井工作面進行了采煤機端頭記憶截割系統(tǒng)的試驗，現(xiàn)場構(gòu)建的系統(tǒng)如圖6所示。

圖6 采煤機端頭記憶截割系統(tǒng)的現(xiàn)場試驗示意圖

該礦井綜采面為近水平煤層，煤層平均厚度為4.25 m，在工作面中該系統(tǒng)的布置情況如圖7所示。

圖7 采煤機端頭記憶截割系統(tǒng)現(xiàn)場布置示意圖

采煤機在工作面端頭和中部的割煤方式是不同的，在綜采面端部每進行一次斜切進刀都會沿著煤壁推進2個截深。本次在該工作面截割的第11刀到第14刀截深范圍內(nèi)進行試驗，認為在試驗過程中工作面端頭的底板是平整的，不會影響采煤機的正常截割行走作業(yè)。具體操作為：在截割的第11刀到第12刀截深范圍內(nèi)人工操作，進行端頭的采煤機斜切進刀工作，在此次過程中記錄采煤機的運行參數(shù)；在截割的第13刀到第14刀截深范圍內(nèi)采煤機就可以自動進行端頭的斜切進刀工作，這樣智能監(jiān)控系統(tǒng)就可以對該過程中采煤機的運行參數(shù)進行分析，從而對采煤機端頭記憶截割系統(tǒng)各個模塊的工作穩(wěn)定性情況進行驗證。

在現(xiàn)場實測過程中，采煤機的運行參數(shù)可分為動作記憶點和常規(guī)記憶點，當采集到的記憶點發(fā)生失真，則對該點剔除同時進行重新記憶，表1顯示了第11刀截深范圍內(nèi)采集到的記憶點，圖8對這些點進行了繪制。

表1 第11刀截深范圍內(nèi)采集到的部分記憶點統(tǒng)計表

圖8 第11刀截深范圍內(nèi)記憶點變化示意圖

將記憶點和上位機對采煤機調(diào)控的信號傳輸?shù)絇LC控制系統(tǒng)后，可以使得采煤機自動進行割煤工作。人工操控采煤機割煤過程中滾筒電機電流和采煤機行走速率的變化趨勢如圖9的（a）和（b）所示，而調(diào)控后采煤機自動割煤過程中電機電流和牽引速率如圖10的（a）和（b）所示。比較圖9和圖10后可得，調(diào)控后采煤機滾筒電機電流較調(diào)控前要明顯減小，也就是調(diào)控后采煤機端頭所受載荷減小，保證了采煤機工作的穩(wěn)定性。

圖9 人工操控采煤機割煤過程中參數(shù)變化示意圖

圖10 調(diào)控后采煤機自動割煤過程中參數(shù)變化示意圖

5 結(jié)語

結(jié)果表明，采煤機端頭記憶截割對目標路徑的自動跟蹤效果好，并且通過山西某礦井工作面的現(xiàn)場試驗，證明了試驗結(jié)果的準確性和現(xiàn)場可行性。