液壓支架自適應對齊方案研究

程晉凱

（華陽新材料科技集團有限公司，山西 陽泉 045000）

引言

液壓支架是煤礦井下綜采工作面“三機”核心設備之一，分布于整個綜采工作面，用于支護采煤機前方、后方的采空區。由于液壓支架數量眾多，液壓對齊成為液壓支架控制系統中較為突出的問題之一，直接影響綜采工作面的工作質量以及生產效率[1]。針對液壓支架對齊問題，國外主要采煤國家研究將傳感器技術、微機控制技術應用與液壓支架的開發，如安裝位移傳感器，用于檢測推溜行程，安裝紅外線傳感器，用于判斷采煤機位置[2]。國內科研機構利用圖像識別技術研究液壓支架護幫板的回收動作以及狀態監測，將霧塵狀態下液壓支架的圖像清晰化、細節化，且測量精度滿足護幫板的動作以及監測要求。還有學者采用視覺測量技術，改善綜采工作面液壓支架的位姿測量的精度、實時性以及施工成本，經實驗證明，該方法可將液壓支架位姿測量精度控制在0.7°以內，直線度精度控制在20 mm 以內，完全滿足液壓支架檢測精度[3-5]。因此，以液壓支架為研究對象，基于霍爾效應原理，采用PLC 控制技術實現液壓支架自適應對齊。

1 液壓支架結構分析

液壓支架分為兩柱式液壓支架和四柱式液壓支架兩種，兩柱式液壓支架基本機構由二級護幫、一級護幫、護幫板千斤頂、頂梁、平衡千斤頂、掩護梁、前/后連桿、底座、支柱以及推移裝置組成。從功能角度，液壓支架由電液控制系統和液壓支架兩部分組成，由電液控制系統控制完成液壓支架的各種動作。液壓支架機構中的護幫板用于支撐煤壁頂部，防止落煤甚至塌方；護幫板/平衡千斤頂用于液壓支架動作時的臨時支撐；推移裝置主要完成液壓支架的推溜動作，即推動刮板輸送機完成一個步距的移動。對液壓支架功能進行分析時，區分采煤機前方液壓支架動作以及采煤機后方液壓支架動作兩種情況[6-8]。對于采煤機前方液壓支架，其動作為“收護幫”，即為采煤機截割滾筒截割煤塊提供空間，并防止滾筒截割到液壓支架護幫；對于采煤機后方液壓支架，其動作為“降柱→抬底→移架→落底→伸護幫→推溜”，完成對薄煤層空頂區的支護，同時完成對刮板輸送機的推溜動作，將“三機”設備整體向工作面方向推進一個步距，其動作流程如圖1 所示。

圖1 液壓支架動作流程

2 液壓支架姿態模型

單臺液壓支架以支架控制器為核心，控制安裝在液壓支架上的電磁閥組、傳感器以及液壓系統共同完成液壓支架的工作。為保證薄煤層綜采工作面液壓支架有序、協同動作，單臺液壓支架還安裝有通信單元，用于傳送本架液壓支架數據[9]。為建立液壓支架姿態模型，在單臺液壓支架機身安裝的傳感器見下頁表1 所示。

表1 液壓支架物理模型傳感器類型

3 方案設計

3.1 總體方案

液壓支架分布于整個綜采工作面用于支護采空區，在采煤機前方、后方分布的液壓支架動作存在差別，即分布于采煤機前方的液壓支架須在預留時間內完成“收護幫”動作；分布于采煤機后方的液壓支架須在指定時間內完成“降柱→抬底→移架→落底→伸護幫→推溜”動作，并實現自動對齊。液壓支架與采煤機動作示意如圖2 所示。為實現液壓支架自適應對齊，在液壓支架以及采煤機機身安裝霍爾傳感器用于實時監測、定位采煤機、液壓支架相對位置，可每臺液壓支架可安裝1～3 個霍爾傳感器。

圖2 液壓支架與采煤機工藝動作示意圖

假定在時刻，采煤機的運行速度為，且運行方向為正向運行；采煤機中心位置對應的液壓支架編號為，即表示采煤機與液壓支架的相對位置；采煤機前截割滾筒與液壓支架護幫的安全距離為，則可得采煤機前方在安全距離內可動作的液壓支架數為式（1）：

式中，LS為采煤機前截割滾筒與液壓支架護幫的安全距離，mm；△n 為在安全距離LS內可動作的液壓支架數△n；ki為采煤機的動態調節系數；△d 為液壓支架寬度的調節增量；d 為液壓支架的寬度[10]。

假定目標液壓支架編號為m，動作液壓支架編號為m+1，霍爾傳感器輸出信號為Hm；則若動作液壓支架與目標液壓支架對齊，則Hm=1；若動作液壓支架與目標液壓支架未對齊，則Hm=0。

對于單霍爾傳感器信號，如果動作液壓支架與目標液壓支架對齊，則有式（2）：

對于三個霍爾傳感器并聯信號，如果動作液壓支架與目標液壓支架對齊，則有式（4）：

反之，則有式（5）：

如果動作液壓支架與目標液壓支架沒有對齊，則持續進行移架動作，直至滿足式（2）或式（5）。

3.2 硬件設計

液壓支架自適應對齊方案中用到的硬件主要包括PLC 控制器、本安型隔離柵、DC24V 電源以及霍爾傳感器等。PLC 控制器選用西門子S7-300 系列，該控制器實時性好、擴展性強，滿足方案設計要求。霍爾傳感器選用AHKC-KAA，額定電流為DC0-400 A，供電電源為DC 24 V，額定輸出為4～20 mA，線性度誤差為0.2%，反應時間小于300 ms，滿足本方案設計要求。

3.3 軟件設計

按照液壓支架自適應對齊方案，軟件實現部分分為六大模塊，即采煤機參數獲取、采煤機參數判定、前方可動作液壓支架數計算、后方可動作液壓支架數計算、液壓支架動作控制、液壓支架對齊。PLC控制器實時獲取采煤機運行參數，如運行方向和運行速度。液壓支架動作完成后，利用霍爾效應原理，完成液壓支架的自動對齊。對于采煤機前方/后方液壓支架動作的PLC軟件流程如圖3，下頁圖4 所示。

圖3 采煤機前方液壓支架動作流程

圖4 采煤機后方液壓支架動作軟件流程

4 試驗驗證

以并聯方式液壓支架指定位置安裝霍爾傳感器以及磁鋼，根據霍爾效應以及采煤機運行速度，完成液壓支架的自適應對齊。

采煤機與液壓支架安全距離之間的支架數由式（6）決定：

當液壓支架寬度為1.5 m，采煤機截割滾筒與液壓支架之間的安全距離為10m，令動態調節因子值為1，相鄰液壓支架間隔為0.2 m，則

即采煤機與液壓支架安全距離內液壓支架數為6。

4.1 采煤機前方液壓支架動作

根據前述公式計算采煤機臨界速度為25.5m/min，“收護幫”時間為4 s。當采煤機實際速度為3 m/min且液壓支架動作正常時，“收護幫”指令頻率為0.03Hz。令此時采煤機中心位置對應的液壓支架編號為20時，執行“收護幫”指令動作的液壓支架編號為20+6+1=27。

4.2 采煤機后方液壓支架動作

根據前述公式計算采煤機臨界速度為4.08m/min，液壓支架控制器發送“降柱→抬底→移架→落底→伸護幫→推溜”指令的頻率為1.0 Hz，正在動作的液壓支架編號為20-3-1-1=15。

5 結語

液壓支架是采煤機正常工作的重要保障，液壓支架自身姿態直接關系著采煤機的運行效率和質量。文章利用霍爾原理，詳細分析位于采煤機前方、后方液壓支架動作架數、動作頻率，達到液壓支架自適應對齊的目的，為采煤機提供了高質量的運行軌道，以達到提升綜采工作面生產效率的目的。