基于電液比例控制的采煤機自動調高系統的研究

郭 鑫

（大同煤礦集團永定莊煤業公司， 山西 大同 037000）

引言

采煤機作為煤炭開采的重要設備，其工作的可靠性和穩定性決定著煤炭企業的生產效率，在傳統的采煤機控制系統中，主要是由經驗豐富的工人根據采煤機在工作過程中煤層的實際工作條件和采煤機滾筒切割煤壁的聲音來對采煤機的高度進行調節，隨著科技的發展和礦山綜采設備自動化、智能化水平的不斷增加，人工控制調節模式已經難以適應現代煤礦企業的生產要求。采煤機的自動調高系統要求采煤機的滾筒在工作時能夠根據煤壁的實際狀態自動調整滾筒的切割高度和深度[1]，以確保能夠獲得較大的回采率，采煤機的液壓調高控制系統直接決定著采煤機的工作可靠性和使用壽命，但目前所使用的采煤機調高系統存在著反應速度慢、調高靈活性差，調高過程波動大，造成調高高度難控制等問題，極大的限制了煤炭生產企業的正常工作，因此如何確保采煤機調高系統的精確調節是煤炭生產企業必須要解決的問題。

1 采煤機調高控制系統的建模分析

在采煤機調高控制系統中，主要是利用液壓油缸的往復運動來帶動采煤機的搖臂機構實現對采煤機滾筒工作高度和角度的調節，在該系統中，采煤機液壓油缸在工作中的負載和壓力的平衡如式（1）所示：

式中：A1為液壓油缸有桿腔的橫截面積；P1為液壓油缸有桿腔的壓力；A2為液壓油缸無桿腔的橫截面積；P2為液壓油缸無桿腔的壓力；Ff為作用于液壓油缸活塞桿上的外力；x為液壓油缸活塞桿的位移量；m為作用于活塞桿上的等效當量。

式中：C1為液壓油缸的泄露系數；V1為油缸有桿腔和閥體間管路內的油液量；Q1為液壓油缸有桿腔的流量；βe為液壓油的體積彈性模量。

式中：C2為液壓油缸的泄露系數；V2為油缸有桿腔和閥體間管路內的油液量；Q2為液壓油缸有桿腔的流量。

當對執行油缸閥控體建立其數學模型時，最關注的就是液壓缸工作時其固有頻率最低的情況，而液壓缸閥控體的固有頻率與彈簧剛度有密切的關系，因此可推出彈簧剛度Kh計算公式：

對以上公式進行拉氏變換，同時假設執行油缸有桿腔和無桿腔的截面積為二者的平均值，則可得到如下所示的傳遞函數[2]。

式中：L為執行油缸的總行程；C1為液壓油缸的泄露系數；x（s）為調高油缸的位移。

由式（6）可知，調高油缸受外力Ff的影響極大，因為在采煤機中，采煤搖臂的長度、牽引阻力等均為定值，因此采煤機在某一個地方進行切割時其壓力主要取決于作用在采煤機切割滾筒上的負載。

為了精確模擬執行油缸對采煤機調節高度的關系，我們建立了采煤機調高行程和執行油缸行程的數學模型，采煤機調高系統的結構[3]如圖1所示。

圖1 采煤機滾筒調高系統結構簡圖

由圖1可知，當執行油缸的位移量較小時，可近似的認為。

式中：ΔL為液壓油缸活塞桿的行程；L1為搖臂長度；Δθ為液壓油缸活塞桿行程的變化量；

此時對應的采煤機滾筒的調整高度可表示為：

將其聯立可得采煤機切割滾筒高度調整的變化為[4]：

由式（9）分析可知，采煤機調高執行油缸的活塞位移量和切割滾筒高度變化之間為非線性的關系，因此在調高機構數學模型關系的基礎上將模擬研究對象轉換為對執行油缸活塞桿行程的研究。

2 基于電液比例控制的采煤機調高液壓系統的建模與仿真

電液比例控制閥體主要用于液壓系統的精確開環控制中，但也可以作為一個信號轉換組件用于閉環的控制系統中，具有控制精度高、反應速度快、可靠性高的優點[5]，在控制過程中，首先在系統中設定控制參數值，然后PLC控制系統將其轉化為模擬量輸入信號，將控制信號輸入到系統內的電控器，再轉化為電流的模擬信號量，用于控制機械結構的動作，產生相應的力，作用于電液比例溢流閥的閥芯上，根據電流信號的大小控制閥芯作用的力，控制開口的大小，從而控制流經該閥芯的液體的流速和流量，其控制原理如圖2所示。

圖2 電液比例控制閥控制原理圖

將電液比例控制閥應用于液壓控制系統，并在AMEsim仿真分析軟件中搭建采煤機自動調高液壓控制系統的原理圖，如圖3所示。

圖3 電液比例自動調高液壓控制系統的仿真模型

執行油缸活塞桿的響應仿真曲線如圖4所示：

圖4 活塞桿的響應速度曲線

由圖4可知，其仿真設置的工作時間為0.5 s，設置的步長為0.01 s，根據仿真結果可以看出，采煤機的調高系統在執行調高的過程中，執行油缸的活塞桿的運行速度的變化曲線。在整個仿真時間內，其趨近于線性穩定的比例增加，直到0.05 m/s，當在0.22 s時達到相對穩定的狀態，可以看出在電液比例閥的作用下能夠精確的控制各運行階段的油液的供應比例，從而確保了各階段對采煤機調高機構調整高度的精確控制，保證了系統調高過程中的穩定性。

3 結論

通過對采煤機截割滾筒調高機理的研究，在總結實踐經驗的基礎上，建立起了調高機構液壓油缸的數學模型，并將液壓油缸活塞桿的行程和調高機構調節高度的關系建立了精確的數學模型，將對采煤機調節高度的研究轉換為對調高機構液壓系統執行油缸活塞桿行程的研究，最后利用電液比例控制閥為核心建立了液壓調高機構的仿真模型，并利用AMEsim仿真分析軟件對其工作過程進行了仿真分析，獲得了在過程中執行油缸運行的速度曲線，結果表明該電液比例控制的采煤機自動調高液壓系統，很好地解決了目前采煤機調高系統無法精確控制采煤機調高角度的問題，同時極大地提高了調高系統的工作可靠性和穩定性。