煤礦井下掘進機防滑移調控系統的分析

劉俊杰

（陽煤集團開元公司生產技術部， 山西 壽陽 045400）

引言

礦井掘進機是一種依靠履帶和地面的摩擦來提供進給作用力，滿足掘進作業的機械設備。在進行掘進作業時，掘進機底板和地面之間所產生的剪切力具有一定的上限值，當出現掘進機提供的轉矩大于臨界值后，系統將出現顯著的滑移現象，對掘進機的掘進效率和掘進穩定性產生較大的影響，因此為了提升掘進機在煤礦井下復雜環境下的掘進可靠性，就需要建立掘進機的防滑移控制系統，對掘進機在不同工況下的輸出轉矩和狀態進行調整，滿足不同工況環境下的調節控制要求。

1 掘進機行駛動力學分析

礦井掘進機在掘進過程中，在驅動機構作用下掘進機相對于底板來說進行的是剪切運動，在摩擦力的作用下底板給掘進機一個向前的作用力，從而為掘進機的進給運動提供動力。在實際工作過程中由于煤礦井下的地質環境復雜，巷道底板上經常出現積水、斜坡等情況，掘進機在掘進作業過程中將會產生履帶的沉降，使掘進機運行過程中產生推土阻力，在轉向過程中會產生轉向阻力，這兩項阻力直接影響掘進機在掘進作業時的穩定性，因此防滑移調控系統建立的基礎是建立以上兩種工況下產生的阻力的動力學模型，經對掘進機進給運動時的受力分析可知，掘進機的推土阻力可表示為[1]：

式中：d為掘進機履帶與地面接觸的有效寬度，mm；c巷道底板上的黏聚力，N；z為履帶陷入底板的深度，mm；φ 為履帶和底板的摩擦角，（°）；Nc為巷道底板的承載系數，普通狀態下取0.3，泥濘狀態下取0.25；γ 為巷道底板上沉積物的密度，kg/m3；Nγ為巷道底板的黏性系數，普通狀態下取0.12，泥濘狀態下取0.14。

在對掘進機在轉向過程中的轉向阻力計算時，為了簡化運算，假設掘進機和底板接觸時的阻力是均勻分布的，而且在轉向過程中的向心力為零，因此該轉向阻力可表示為[2]：

式中：m為掘進機的質量，kg；g為重力加速度，N/kg；μ 為履帶與底板的摩擦系數，普通狀態下取0.58，泥濘狀態下取35；l為履帶和底板接觸的長度，mm；

2 掘進機防滑移調控系統調控原理

掘進機在掘進作業過程中，履帶和底板之間的摩擦力變化較為復雜，傳統的將推土阻力和轉向阻力按線性或者非線性計算的方案均與實際存在著較大的差異，無法滿足掘進機在復雜道路情況下的防滑調控要求，因此在建立掘進機防滑移調控系統時，對掘進機履帶和底板之間的摩擦力的自動監測采用了模糊邏輯控制方式進行計算[3]，根據計算結果自動對掘進機在該工況下的滑移率進行分析、調節，滿足在不同工況下的防滑控制要求。該防滑移調控系統的調節控制原理如圖1 所示，圖中i表示最后所計算的滑移率。

圖1 采煤機PLC 自動調高監測控制系統邏輯原理圖

在該控制系統中，對掘進機的進給速度進行調節的核心元器件為比例溢流閥，驅動液壓馬達運行時的轉數則可以利用設置在傳動機構上的編碼器進行控制，確定掘進機運行過程中的實際進給速度，計算出滑移率后與系統設定的臨界值對比，當高于設定的臨界值后系統控制對掘進機運行時的轉矩進行調控，在確保滿足掘進機正常行駛條件下降低滑移的概率，直到輸出的滑移率滿足調控要求，從而確保對掘進機工作過程中的實時監測和調節，滿足系統的調節控制要求，確保掘進機工作過程中的穩定性和可靠性。

3 防滑移調控系統的仿真分析

為了對該防滑移調控系統的實際應用效果進行驗證，本文以EBZ-260 掘進機為研究對象，利用Simulink 仿真分析軟件，建立該掘進機防滑移調控系統的仿真分析模型[4]。根據煤礦井下巷道內的實際情況，設置掘進機運行的巷道底部的角度為0°～17°，在仿真分析時，分析振動掘進機工作時的最危險工況，設置巷道底板角度為17°時，掘進機在泥濘道路上進行滿負荷掘進作業，此時液壓馬達的最大排量約為143 mL/r，轉速為3 800 rad/s，在仿真后的1 s 處模擬防滑移調控系統開始調控，則此工況下掘進機掘進作業過程中的打滑率變化情況如圖2 所示。

由仿真分析結果可知，在危險工況下掘進機的滑移概率為40%，當開啟防滑移調控系統后，在約0.1 s 內系統就將掘進機運行時滑移的概率調節到了約18%，極大降低了掘進機掘進作業時發生滑移的概率，顯著提升了掘進機工作時的掘進速度和穩定性。

4 結論

為了提高掘進機在井下復雜工況下掘進作業的穩定性，建立了掘進機掘進作業時的推土阻力和轉向阻力的動力學方程，以此為基礎，采用模糊算法對掘進機作業過程中履帶和底板間的剪切力變化情況進行分析，確定滑移概率，以Simulink 仿真分析軟件對在危險工況下的調節效果進行了分析，結果表明：

1）該控制系統計算出滑移率后與系統設定的臨界值對比，當高于設定的臨界值后系統控制對掘進機運行時的轉矩進行調控，在確保滿足掘進機正常行駛條件下降低滑移的概率，直到輸出的滑移率滿足調控要求，從而確保掘進機工作過程中的穩定性和可靠性。

2）當開啟防滑移調控系統后，在約0.1 s 內系統就將掘進機運行時滑移的概率調節到了約18%，極大降低了掘進機掘進作業時發生滑移的概率，顯著提升了掘進機工作時的掘進速度和穩定性，具有調節精度高、響應速度快、對井下復雜環境適應性好的優點。

圖2 防滑移調控系統調控效果示意圖